一种基于单片机的太阳能热水器控制器*

余 斌

(湖州师范学院 教务处，浙江 湖州 31300)

在实际的生产生活中，太阳能热水器应用非常广泛，它利用阳光加热，有利于环保，而不像其他常规能源那样会造成大气污染;它常置于建筑物的楼顶，通过控制器控制热水的使用，安全方便;另外，中国人口众多，常规能源相对不足，而太阳能资源十分丰富。因此太阳能热水器在中国具有广阔的市场前景［1－2］。

控制器是太阳能热水器的核心，在热水器使用中起到关键作用，它主要有水温水位的控制与显示:水流通断控制、报警等功能。STC12C5A32AD是宏晶公司推出的一款完全兼容8051的单片机。本文设计的基于STC12C5A32AD的太阳能热水器控制器结构简单、功能完善，并较好的解决目前太阳能热水器控制器存在的一些问题［3］。

1 控制器的总体结构

图1为系统的硬件总体框图。控制核心采用STC12C5A32AD单片机为主控芯片，用水位和温度传感器来采集水位水温信息，通过编程实现其他各个模块的控制功能。用按键设置最高水位和最高水温以及其他被控参数，通过液晶显示屏显示水位水温值。通过驱动电路外接电加热管和电磁阀，用于电加热和上水功能。另外，通过单片机监控实现高温报警和低水位报警等功能。

2 主要硬件电路设计

2.1 水位传感器及其测量电路

水位传感器采用电极式，其原理是通过传感器筒体内不同长度的不锈钢电极棒与水箱内水的接触和脱离，发出不同水位的信号。当传感器接触的水位不同时，传感器的等效电阻就不同，通过测量传感器两端等效电阻，即可测出水位。传感器等效电阻可通过放大电路转换成电压值输出，便于单片机自动测量，测量电路如图2所示。图中LM358是一个双运放，主要用来组成放大电路，将水位传感器的等效电阻转换成电压输出并送至单片机P1.0。因为STC12C5A32AD单片机内自带AD功能，而P1.0为单片机模拟信号输入引脚，所以输入的模拟电压信号在单片机里转换成数字信号，通过软件编程，最终在显示屏上显示当前的水位值。

2.2 温度传感器

DS18B20是DALLAS公司生产的单总线式数字温度传感器，可以直接将温度转换成9位二进制数字的串行信号给单片机，测量的温度范围为－55℃ ～+125℃，可编程9～12位A/D转换精度，可达到0.0625℃的测温分辨率，用户可以定义非易失性温度报警设置［4］。

2.3 电磁阀、泵及电加热管驱动电路

电磁阀、泵及电加热管驱动电路主要由光电耦合器P521－4，功率驱动芯片ULN2003以及继电器三部分组成，共同完成对电磁阀和泵的驱动。本设计主要用了两个独立的继电器，分别实现自动上水和电加热管加热。继电器开关K1打开，电磁阀、泵打开，自动上水;继电器开关K2打开，电磁阀打开，外接电加热管开始工作。如图3所示为电磁阀、泵、电加热管驱动电路。当单片机P1.4或P1.5为低电平时，P521－4光电藕合导通，A1、A2为高电平，经功率驱动芯片ULN2003后J1、J2输出低电平，则继电器K1，K2动作。反之，当单片机P1.4或P1.5为高电平时，P521－4光电藕合不导通，R23和R24为下拉电阻，使得A1、A2为低电平，经功率驱动芯片ULN2003后J1、J2输出高电平，则继电器K1，K2不动作。这样可完成对电磁阀、泵、电加热管等大功率器件的控制。

2.4 按键电路与显示电路

如图4所示为系统按键电路。本设计采用五个独立按键;KEY1为加功能按键，KEY2为减功能按键，KEY3为功能键，KEY4为确定按键;KEY5为强制进水按键。具体操作过程为:按功能键一次，进设置界面，通过加减键可以进入水位或水温控制界面，在水位或水温设置界面下，通过确定键和加减键可以设置水位水温的上下限。需要说明的是，进入设置界面后功能键相当于返回键。强制进水键启动时实现手动上水功能，确定键按下进行手动加热［5］。

应用LCD12864液晶显示器实现简单的菜单功能，作为前面所说水位、按键等功能的显示［6］。

2.5 声光报警电路

系统具有报警功能，主要由蜂鸣器和发光二极管组成，有三个发光二极管作为报警灯，报警灯LED1接单片机的P2.5脚，LED2接单片机的P2.6脚，LED3接单片机的P2.7脚，蜂鸣器电路中FM接单片机的P1.2脚。如图4所示，通过与单片机的软件编程实现报警功能。当FM为低电平时，8550导通，蜂鸣器发出报警声，当LED1，LED2或LED3为低电平时，对应发光二极管亮。LED1灯亮，蜂鸣器响，做高温报警作用，LED2灯亮，蜂鸣器响，做高水位报警作用，LED3灯亮，蜂鸣器响，起低水位报警作用［7］。

3 系统软件设计

系统总体程序流程图如图5所示，开始之后，对系统进行初始化，DS18B20开始工作，读取温度值并显示，以及进行相应的处理，比如当温度低于下限值时进行电加热，温度高于上限值时停止辅助加热并进行报警等。接下来水位传感器采集水位信号，显示水位值并进行相应的处理，水位的处理包括当水位值低于补水水位时进行自动上水，到达上限水位时停止上水并报警等。最后是按键扫描和处理，扫描是否有按键按下，判断分别是哪些按键按下并进行相应的动作。

4 结语

本设计主要介绍了基于STC12C5A32AD的太阳能热水器控制器。通过软硬件设计及系统调试，基本能现实预期功能。该系统具有节能，安全，绿色等优点，其创新之处在于克服了传统太阳能热水器的季节性和间歇性，利用外加热装置很好地解决了这一缺点，具有一定的实用价值。

［1］吴贵辉.我国太阳能热水器产业发展前景、现状及远期目标［J］.可再生能源，2003(06).

［2］刘贞先，徐 健，傅 军.中国太阳能热水器市场环境分析［J］.节能与环保，2007(12).

［3］徐 玮，沈建良.单片机快速入门［M］.北京航空航天大学出版社，2008:206－278.

［4］曾健平，谢海情，周永峰.智能太阳能热水器水温水位控制系统［J］.计量技术，2006(12):13－16.

［5］鲍文胜.基于单片机的太阳能热水器控制系统研究［J］.青岛理工大学学报，2007(05):79－80.

［6］周 鹏.基于STC89C52单片机的多功能数字测温仪设计［J］.电子世界，2012(13):25－27.

［7］陈 杰，黄 鸿.传感器与检测技术［M］.北京:高等教育出版社，2002:125.