太陽能水溫水位控制器設計

牛小玲，王 軍，倉瑋燁

（中國礦業大學信電學院，江蘇徐州 221116）

太陽能水溫水位控制器設計

牛小玲，王 軍，倉瑋燁

（中國礦業大學信電學院，江蘇徐州 221116）

提出了由傳感器和單片機構成的水位水溫控制器的設計方法，設計了原理圖，給出了各器件參數的選擇和軟件設計流程。該項目內容涵蓋了電子技術、單片機技術、CPLD技術和EDA技術，非常適合作為電子技術綜合設計實驗選題。

水溫水位控制器；單片機；太陽能熱水器；創新型實驗

電子技術綜合設計［1］課程是一門綜合利用模擬電子技術、數字電子技術、單片機技術、CPLD技術和EDA技術等完成一項具有實際應用背景的電子技術應用型實驗課程，此課程的目的是使學生在單元電路設計、系統電路分析、整機聯調、計算機輔助設計和信息處理等方面的能力有一個大的提高。

多年來，我校的電子技術綜合設計課程采用的都是學生自主選題、教師引導、小組合作開發的教學模式來進行。實踐表明，這種模式增強了學生理論知識與實踐結合的能力，訓練了學生的小組組織能力和團隊分工合作精神，取得了良好的教學效果，但學生選題范圍窄，幾年來學生從網上選的都是多功能數字鐘、數字溫度計、交通燈控制系統、函數波形發生器等幾個題目，他們希望教師提供一些新型的選題以拓寬他們的設計思路。作者承擔了2012年校大學生實踐創新訓練項目——太陽能水溫水位控制器的設計，此設計涵蓋了電子技術、單片機技術、CPLD技術和EDA技術等知識，非常適合作為大學生電子技術綜合設計課程的設計選題項目。

1 太陽能水溫水位控制器的組成

太陽能水溫水位控制器的組成框圖如圖1所示，它以STC12C5204AD單片機為核心，外接時鐘電路、電源電路、水溫水位測量電路、數碼顯示電路、按鍵電路、輔助電加熱電路、聲光提示電路及漏電檢測電路等。

利用水溫水位一體化傳感器檢測水溫和水位，向單片機傳送數據，經過程序處理，輸出水溫水位顯示信號并加以顯示。當水位到達最低水位時，為了避免干燒，單片機將控制上水閥上水，用戶也可以通過按鍵進行手動上水，當水位到達用戶設定值時，單片機將啟動蜂鳴器提示用戶。秋冬季節或者陽光不足時，用戶可以手動啟動電加熱功能，或者設定啟用自動加熱功能，將水溫加熱到用戶設定的溫度。當檢測到實際水溫低于用戶設定溫度2℃以上時（為了防止頻繁啟動電加熱動作），自動啟動電加熱功 能，保持水溫的恒定。

圖1 水溫水位控制器組成框圖

2 水溫水位控制器硬件電路設計

2.1 STC12C5204AD單片機

本設計中選用宏晶科技生產的STC12C5204AD單片機［2］，它是一款高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，片上集成256字節RAM，有E2PROM功能，內部有23個雙向輸入/輸出（I/O）端口，6個外中斷口，4個16位可編程定時計數器和2個全雙向串口通信口，內部還集成了MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速8位A/D轉換，幾乎包含了數據采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱是一個片上系統，其管腳圖如圖2所示。

圖2 STC12C5204AD單片機引腳

2.2 水溫水位測量電路

本設計中使用的一體化的水溫水位傳感器［3］原理如圖3所示，信號處理電路見圖4。傳感器垂直安裝在水箱中，通過接口P2（見圖4）連接到控制板上，圖3中傳感器的紅、白（對應P2接口的1＃、2＃引腳）輸出水位信號。該傳感器將水位信號分成4檔，每個檔位上的等效電阻不同，這個等效電阻與圖4中的74HC04J反相驅動器U1E、U1F、R3、R4、R5和C1構成自激振蕩器［4］，經過反相驅動器U1D和濾波電容C2整形后接到單片機的P3.5引腳上，單片機通過測量P3.5引腳上方波信號的頻率就可以得到當前的水位位置。傳感器的藍、綠（對應P2接口的3＃、4＃引腳）輸出隨溫度變化而變化的電阻值，該電阻與R7對＋5V分壓，經過電容C3濾波后，連接到單片機的P1.0（ADC0通道）引腳上，通過測量該引腳上電壓的大小，再經過查表就可以知道此時的溫度。通常的做法是將熱敏電阻的阻值溫度曲線做成一張表格（一般是二維的表格，表格中的每個元素由阻值對應的ADC轉換值和對應的溫度組成）存放在單片機的ROM空間內，當測出的阻值對應的ADC值后，通過查表得到對應的溫度。電阻R1、R2和R6是雷擊保護用的壓敏電阻。

圖3 水溫水位傳感器原理圖

圖4 水溫水位傳感器信號處理電路

2.3 按鍵及數碼顯示電路

由于有3個數碼管用于顯示，即使使用動態掃描方式［5］顯示也至少要用到11根I/O口線，這樣單片機的I/O口線不夠用，就必須要對單片機的I/O口線進行擴展。為此本設計中采用了一個專用芯片TM1618A［6］來專門負責掃描顯示和按鍵檢測，顯示和按鍵部分的電路連接如圖5所示。

圖5 顯示與按鍵部分電路圖

TM1618A是一種帶鍵盤掃描接口的LED（發光二極管顯示器）驅動控制專用電路，內部集成有MCU數字接口、數據鎖存器、LED高壓驅動、鍵盤掃描等電路。本產品性能優良，質量可靠。TM1618A通過3根口線與單片機連接，D0O為數據輸入，接單片機的P2.0引腳；CLK為時鐘輸入，接P2.1引腳；STB為片選輸入，接P2.2引腳。需要注意的是這3根口線都要外接上拉電阻。

2.4 輔助電加熱控制電路及漏電檢測電路

電加熱及漏電檢測電路［7］如圖6所示。單片機發出電加熱命令后（P1.5＝1），繼電器吸合，電熱絲開始加熱。如果加熱過程中發生漏電，流過漏電檢測線圈的電流不平衡（流入電流和流出電流不相等），則漏電檢測線圈輸出約2V的交流信號，該信號經過二極管D1整流后使三極管Q1導通，三極管Q1集電極輸出低電平，將單片機P3.2引腳拉低，引發單片機發生外部中斷，單片機立即處理該事件，斷開電加熱繼電器并使蜂鳴器鳴響，報警提示發生漏電故障，斷電后蜂鳴器才停止鳴響，待漏電故障排除后系統才可以重新正常工作。

圖6 電加熱及漏電檢測電路

2.5 ＋5V和＋15V電源隔離電路

為了保證單片機可靠工作，采用光電耦合器［8－9］將＋5V和＋15V電源系統相互隔離，具體電路如圖7所示。

圖7 ＋5V與＋15V電源隔離電路

2.6 電源電路

系統供電電源為直流＋15V/2A和＋5V/1A兩種，可以直接購買市場上成品電源，也可以用220 V/15V和220V/6V工頻變壓器降壓后整流濾波后提供。需要注意的是＋15V電壓要求有足夠的帶負載能力（能提供最大2A電流輸出）。這部分電路較簡單，電路圖略。

3 系統軟件設計

該水溫水位控制器軟件采用C語言［10］進行編程，整個編程過程全部以模塊化設計。系統定時器，每10 ms中斷1次，檢測1次按鍵并記錄鍵值，供主程序使用，主程序循環中，根據按鍵的不同完成不同的操作。主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

4 結束語

設計課題進行時，首先給學生布置設計任務書（任務書包括：題目，主要技術指標和要求，給定條件及原始數據，使用的主要器件及所用到的儀器設備），由學生進行課題分析、方案論證、原理圖設計、Protenus仿真［11］、PCB板制作［12］，最后進行實物組裝、焊接和調試，實驗完成后提交一份完整的設計報告和實物樣品，并做出PPT進行驗收答辯。2012年，作者將此實驗項目作為電子技術綜合設計課程的一個選題給出，在作者所帶的班級中，有5組學生選擇了此課題，在為期2周的課程設計中，有4組學生完成了基本設計要求，學生普遍認為受益匪淺。

（References）

［1］袁小平 .電子技術綜合設計教程［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［2］姚永平.STC12C5201AD系列單片機器件手冊［EB/OL］.［2013－05－07］.http：//www.STCMCU.com.

［3］王國華，程化喜，杜大偉，等.一種新型太陽能水溫水位傳感器［J］.全面腐蝕控制，2012（4）：31－33.

［4］曹國清.數字電路與邏輯設計［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1998.

［5］付慧生.復雜可編程邏輯器件的設計［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2005.

［6］TITAN.LED驅動控制專用電路TM1618A［EB/OL］.［2013－05－07］.http：//www.titanmec.com.

［7］方益明，藺陸軍，李劍，等.農村太陽能熱水器水溫水位控制系統［J］.農機化研究，2012（2）：207－210.

［8］所羅門.TLP521－4中文資料［EB/OL］.［2013－05－08］.http：//wenku.baidu.com/view/e97ldledaeaad1f346933fa0.html.

［9］毛楠，孫瑛.電子電路抗干擾實用技術［M］.北京：國防工業出版社，1996.

［10］馬忠梅.單片機的C語言程序設計［M］.北京：航空航天大學出版社，2007.

［11］周潤景.基于PROTENUS的電路及單片機設計與仿真［M］.2版.北京：航空航天大學出版社，2010.

［12］寧鐸，馬令坤，郝鵬飛.電子工藝實訓教程［M］.西安：電子科大出版社，2010.

Design of water temperature and water level controller by using solar energy

Niu Xiaoling，Wang Jun，Cang Weiye
（School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining Technology，Xuzhou 221116，China）

The design method of the water temperature and water level controller of the solar energy system composed of water temperature and water level integration sensor and single chip microcomputer is put forward，the schematic circuit is proposed，and the software design process and the device parameters selection are described.The project which covers the electronic technology，computer technology，CPLD and EDA technology is very suitable for an experiment topic by using the comprehensive design of electronic technology.

water temperature and water level conroller；micro－controller；solar water heater；innovative experiment

TP273；G484

A

1002－4956（2014）1－0074－05

2013－05－13

中國礦業大學大學生實踐創新訓練項目（X1029012097）

牛小玲（1976－），女，碩士，江蘇徐州，講師，研究方向為檢測技術與智能控制.

E－mail：niuxiaoling76＠163.com