一種基于單片機的太陽能熱水器控制器*

余 斌

(湖州師范學院 教務處，浙江 湖州 31300)

在實際的生產生活中，太陽能熱水器應用非常廣泛，它利用陽光加熱，有利于環保，而不像其他常規能源那樣會造成大氣污染;它常置于建筑物的樓頂，通過控制器控制熱水的使用，安全方便;另外，中國人口眾多，常規能源相對不足，而太陽能資源十分豐富。因此太陽能熱水器在中國具有廣闊的市場前景［1－2］。

控制器是太陽能熱水器的核心，在熱水器使用中起到關鍵作用，它主要有水溫水位的控制與顯示:水流通斷控制、報警等功能。STC12C5A32AD是宏晶公司推出的一款完全兼容8051的單片機。本文設計的基于STC12C5A32AD的太陽能熱水器控制器結構簡單、功能完善，并較好的解決目前太陽能熱水器控制器存在的一些問題［3］。

1 控制器的總體結構

圖1為系統的硬件總體框圖。控制核心采用STC12C5A32AD單片機為主控芯片，用水位和溫度傳感器來采集水位水溫信息，通過編程實現其他各個模塊的控制功能。用按鍵設置最高水位和最高水溫以及其他被控參數，通過液晶顯示屏顯示水位水溫值。通過驅動電路外接電加熱管和電磁閥，用于電加熱和上水功能。另外，通過單片機監控實現高溫報警和低水位報警等功能。

2 主要硬件電路設計

2.1 水位傳感器及其測量電路

水位傳感器采用電極式，其原理是通過傳感器筒體內不同長度的不銹鋼電極棒與水箱內水的接觸和脫離，發出不同水位的信號。當傳感器接觸的水位不同時，傳感器的等效電阻就不同，通過測量傳感器兩端等效電阻，即可測出水位。傳感器等效電阻可通過放大電路轉換成電壓值輸出，便于單片機自動測量，測量電路如圖2所示。圖中LM358是一個雙運放，主要用來組成放大電路，將水位傳感器的等效電阻轉換成電壓輸出并送至單片機P1.0。因為STC12C5A32AD單片機內自帶AD功能，而P1.0為單片機模擬信號輸入引腳，所以輸入的模擬電壓信號在單片機里轉換成數字信號，通過軟件編程，最終在顯示屏上顯示當前的水位值。

2.2 溫度傳感器

DS18B20是DALLAS公司生產的單總線式數字溫度傳感器，可以直接將溫度轉換成9位二進制數字的串行信號給單片機，測量的溫度范圍為－55℃ ～+125℃，可編程9～12位A/D轉換精度，可達到0.0625℃的測溫分辨率，用戶可以定義非易失性溫度報警設置［4］。

2.3 電磁閥、泵及電加熱管驅動電路

電磁閥、泵及電加熱管驅動電路主要由光電耦合器P521－4，功率驅動芯片ULN2003以及繼電器三部分組成，共同完成對電磁閥和泵的驅動。本設計主要用了兩個獨立的繼電器，分別實現自動上水和電加熱管加熱。繼電器開關K1打開，電磁閥、泵打開，自動上水;繼電器開關K2打開，電磁閥打開，外接電加熱管開始工作。如圖3所示為電磁閥、泵、電加熱管驅動電路。當單片機P1.4或P1.5為低電平時，P521－4光電藕合導通，A1、A2為高電平，經功率驅動芯片ULN2003后J1、J2輸出低電平，則繼電器K1，K2動作。反之，當單片機P1.4或P1.5為高電平時，P521－4光電藕合不導通，R23和R24為下拉電阻，使得A1、A2為低電平，經功率驅動芯片ULN2003后J1、J2輸出高電平，則繼電器K1，K2不動作。這樣可完成對電磁閥、泵、電加熱管等大功率器件的控制。

2.4 按鍵電路與顯示電路

如圖4所示為系統按鍵電路。本設計采用五個獨立按鍵;KEY1為加功能按鍵，KEY2為減功能按鍵，KEY3為功能鍵，KEY4為確定按鍵;KEY5為強制進水按鍵。具體操作過程為:按功能鍵一次，進設置界面，通過加減鍵可以進入水位或水溫控制界面，在水位或水溫設置界面下，通過確定鍵和加減鍵可以設置水位水溫的上下限。需要說明的是，進入設置界面后功能鍵相當于返回鍵。強制進水鍵啟動時實現手動上水功能，確定鍵按下進行手動加熱［5］。

應用LCD12864液晶顯示器實現簡單的菜單功能，作為前面所說水位、按鍵等功能的顯示［6］。

2.5 聲光報警電路

系統具有報警功能，主要由蜂鳴器和發光二極管組成，有三個發光二極管作為報警燈，報警燈LED1接單片機的P2.5腳，LED2接單片機的P2.6腳，LED3接單片機的P2.7腳，蜂鳴器電路中FM接單片機的P1.2腳。如圖4所示，通過與單片機的軟件編程實現報警功能。當FM為低電平時，8550導通，蜂鳴器發出報警聲，當LED1，LED2或LED3為低電平時，對應發光二極管亮。LED1燈亮，蜂鳴器響，做高溫報警作用，LED2燈亮，蜂鳴器響，做高水位報警作用，LED3燈亮，蜂鳴器響，起低水位報警作用［7］。

3 系統軟件設計

系統總體程序流程圖如圖5所示，開始之后，對系統進行初始化，DS18B20開始工作，讀取溫度值并顯示，以及進行相應的處理，比如當溫度低于下限值時進行電加熱，溫度高于上限值時停止輔助加熱并進行報警等。接下來水位傳感器采集水位信號，顯示水位值并進行相應的處理，水位的處理包括當水位值低于補水水位時進行自動上水，到達上限水位時停止上水并報警等。最后是按鍵掃描和處理，掃描是否有按鍵按下，判斷分別是哪些按鍵按下并進行相應的動作。

4 結語

本設計主要介紹了基于STC12C5A32AD的太陽能熱水器控制器。通過軟硬件設計及系統調試，基本能現實預期功能。該系統具有節能，安全，綠色等優點，其創新之處在于克服了傳統太陽能熱水器的季節性和間歇性，利用外加熱裝置很好地解決了這一缺點，具有一定的實用價值。

［1］吳貴輝.我國太陽能熱水器產業發展前景、現狀及遠期目標［J］.可再生能源，2003(06).

［2］劉貞先，徐 健，傅 軍.中國太陽能熱水器市場環境分析［J］.節能與環保，2007(12).

［3］徐 瑋，沈建良.單片機快速入門［M］.北京航空航天大學出版社，2008:206－278.

［4］曾健平，謝海情，周永峰.智能太陽能熱水器水溫水位控制系統［J］.計量技術，2006(12):13－16.

［5］鮑文勝.基于單片機的太陽能熱水器控制系統研究［J］.青島理工大學學報，2007(05):79－80.

［6］周 鵬.基于STC89C52單片機的多功能數字測溫儀設計［J］.電子世界，2012(13):25－27.

［7］陳 杰，黃 鴻.傳感器與檢測技術［M］.北京:高等教育出版社，2002:125.