太阳能水温水位控制器设计

牛小玲，王 军，仓玮烨

（中国矿业大学信电学院，江苏徐州 221116）

太阳能水温水位控制器设计

牛小玲，王 军，仓玮烨

（中国矿业大学信电学院，江苏徐州 221116）

提出了由传感器和单片机构成的水位水温控制器的设计方法，设计了原理图，给出了各器件参数的选择和软件设计流程。该项目内容涵盖了电子技术、单片机技术、CPLD技术和EDA技术，非常适合作为电子技术综合设计实验选题。

水温水位控制器；单片机；太阳能热水器；创新型实验

电子技术综合设计［1］课程是一门综合利用模拟电子技术、数字电子技术、单片机技术、CPLD技术和EDA技术等完成一项具有实际应用背景的电子技术应用型实验课程，此课程的目的是使学生在单元电路设计、系统电路分析、整机联调、计算机辅助设计和信息处理等方面的能力有一个大的提高。

多年来，我校的电子技术综合设计课程采用的都是学生自主选题、教师引导、小组合作开发的教学模式来进行。实践表明，这种模式增强了学生理论知识与实践结合的能力，训练了学生的小组组织能力和团队分工合作精神，取得了良好的教学效果，但学生选题范围窄，几年来学生从网上选的都是多功能数字钟、数字温度计、交通灯控制系统、函数波形发生器等几个题目，他们希望教师提供一些新型的选题以拓宽他们的设计思路。作者承担了2012年校大学生实践创新训练项目——太阳能水温水位控制器的设计，此设计涵盖了电子技术、单片机技术、CPLD技术和EDA技术等知识，非常适合作为大学生电子技术综合设计课程的设计选题项目。

1 太阳能水温水位控制器的组成

太阳能水温水位控制器的组成框图如图1所示，它以STC12C5204AD单片机为核心，外接时钟电路、电源电路、水温水位测量电路、数码显示电路、按键电路、辅助电加热电路、声光提示电路及漏电检测电路等。

利用水温水位一体化传感器检测水温和水位，向单片机传送数据，经过程序处理，输出水温水位显示信号并加以显示。当水位到达最低水位时，为了避免干烧，单片机将控制上水阀上水，用户也可以通过按键进行手动上水，当水位到达用户设定值时，单片机将启动蜂鸣器提示用户。秋冬季节或者阳光不足时，用户可以手动启动电加热功能，或者设定启用自动加热功能，将水温加热到用户设定的温度。当检测到实际水温低于用户设定温度2℃以上时（为了防止频繁启动电加热动作），自动启动电加热功 能，保持水温的恒定。

图1 水温水位控制器组成框图

2 水温水位控制器硬件电路设计

2.1 STC12C5204AD单片机

本设计中选用宏晶科技生产的STC12C5204AD单片机［2］，它是一款高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，片上集成256字节RAM，有E2PROM功能，内部有23个双向输入/输出（I/O）端口，6个外中断口，4个16位可编程定时计数器和2个全双向串口通信口，内部还集成了MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速8位A/D转换，几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称是一个片上系统，其管脚图如图2所示。

图2 STC12C5204AD单片机引脚

2.2 水温水位测量电路

本设计中使用的一体化的水温水位传感器［3］原理如图3所示，信号处理电路见图4。传感器垂直安装在水箱中，通过接口P2（见图4）连接到控制板上，图3中传感器的红、白（对应P2接口的1＃、2＃引脚）输出水位信号。该传感器将水位信号分成4档，每个档位上的等效电阻不同，这个等效电阻与图4中的74HC04J反相驱动器U1E、U1F、R3、R4、R5和C1构成自激振荡器［4］，经过反相驱动器U1D和滤波电容C2整形后接到单片机的P3.5引脚上，单片机通过测量P3.5引脚上方波信号的频率就可以得到当前的水位位置。传感器的蓝、绿（对应P2接口的3＃、4＃引脚）输出随温度变化而变化的电阻值，该电阻与R7对＋5V分压，经过电容C3滤波后，连接到单片机的P1.0（ADC0通道）引脚上，通过测量该引脚上电压的大小，再经过查表就可以知道此时的温度。通常的做法是将热敏电阻的阻值温度曲线做成一张表格（一般是二维的表格，表格中的每个元素由阻值对应的ADC转换值和对应的温度组成）存放在单片机的ROM空间内，当测出的阻值对应的ADC值后，通过查表得到对应的温度。电阻R1、R2和R6是雷击保护用的压敏电阻。

图3 水温水位传感器原理图

图4 水温水位传感器信号处理电路

2.3 按键及数码显示电路

由于有3个数码管用于显示，即使使用动态扫描方式［5］显示也至少要用到11根I/O口线，这样单片机的I/O口线不够用，就必须要对单片机的I/O口线进行扩展。为此本设计中采用了一个专用芯片TM1618A［6］来专门负责扫描显示和按键检测，显示和按键部分的电路连接如图5所示。

图5 显示与按键部分电路图

TM1618A是一种带键盘扫描接口的LED（发光二极管显示器）驱动控制专用电路，内部集成有MCU数字接口、数据锁存器、LED高压驱动、键盘扫描等电路。本产品性能优良，质量可靠。TM1618A通过3根口线与单片机连接，D0O为数据输入，接单片机的P2.0引脚；CLK为时钟输入，接P2.1引脚；STB为片选输入，接P2.2引脚。需要注意的是这3根口线都要外接上拉电阻。

2.4 辅助电加热控制电路及漏电检测电路

电加热及漏电检测电路［7］如图6所示。单片机发出电加热命令后（P1.5＝1），继电器吸合，电热丝开始加热。如果加热过程中发生漏电，流过漏电检测线圈的电流不平衡（流入电流和流出电流不相等），则漏电检测线圈输出约2V的交流信号，该信号经过二极管D1整流后使三极管Q1导通，三极管Q1集电极输出低电平，将单片机P3.2引脚拉低，引发单片机发生外部中断，单片机立即处理该事件，断开电加热继电器并使蜂鸣器鸣响，报警提示发生漏电故障，断电后蜂鸣器才停止鸣响，待漏电故障排除后系统才可以重新正常工作。

图6 电加热及漏电检测电路

2.5 ＋5V和＋15V电源隔离电路

为了保证单片机可靠工作，采用光电耦合器［8－9］将＋5V和＋15V电源系统相互隔离，具体电路如图7所示。

图7 ＋5V与＋15V电源隔离电路

2.6 电源电路

系统供电电源为直流＋15V/2A和＋5V/1A两种，可以直接购买市场上成品电源，也可以用220 V/15V和220V/6V工频变压器降压后整流滤波后提供。需要注意的是＋15V电压要求有足够的带负载能力（能提供最大2A电流输出）。这部分电路较简单，电路图略。

3 系统软件设计

该水温水位控制器软件采用C语言［10］进行编程，整个编程过程全部以模块化设计。系统定时器，每10 ms中断1次，检测1次按键并记录键值，供主程序使用，主程序循环中，根据按键的不同完成不同的操作。主程序流程图如图8所示。

图8 主程序流程图

4 结束语

设计课题进行时，首先给学生布置设计任务书（任务书包括：题目，主要技术指标和要求，给定条件及原始数据，使用的主要器件及所用到的仪器设备），由学生进行课题分析、方案论证、原理图设计、Protenus仿真［11］、PCB板制作［12］，最后进行实物组装、焊接和调试，实验完成后提交一份完整的设计报告和实物样品，并做出PPT进行验收答辩。2012年，作者将此实验项目作为电子技术综合设计课程的一个选题给出，在作者所带的班级中，有5组学生选择了此课题，在为期2周的课程设计中，有4组学生完成了基本设计要求，学生普遍认为受益匪浅。

（References）

［1］袁小平 .电子技术综合设计教程［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［2］姚永平.STC12C5201AD系列单片机器件手册［EB/OL］.［2013－05－07］.http：//www.STCMCU.com.

［3］王国华，程化喜，杜大伟，等.一种新型太阳能水温水位传感器［J］.全面腐蚀控制，2012（4）：31－33.

［4］曹国清.数字电路与逻辑设计［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1998.

［5］付慧生.复杂可编程逻辑器件的设计［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2005.

［6］TITAN.LED驱动控制专用电路TM1618A［EB/OL］.［2013－05－07］.http：//www.titanmec.com.

［7］方益明，蔺陆军，李剑，等.农村太阳能热水器水温水位控制系统［J］.农机化研究，2012（2）：207－210.

［8］所罗门.TLP521－4中文资料［EB/OL］.［2013－05－08］.http：//wenku.baidu.com/view/e97ldledaeaad1f346933fa0.html.

［9］毛楠，孙瑛.电子电路抗干扰实用技术［M］.北京：国防工业出版社，1996.

［10］马忠梅.单片机的C语言程序设计［M］.北京：航空航天大学出版社，2007.

［11］周润景.基于PROTENUS的电路及单片机设计与仿真［M］.2版.北京：航空航天大学出版社，2010.

［12］宁铎，马令坤，郝鹏飞.电子工艺实训教程［M］.西安：电子科大出版社，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

中国矿业大学大学生实践创新训练项目（X1029012097）

牛小玲（1976－），女，硕士，江苏徐州，讲师，研究方向为检测技术与智能控制.

E－mail：niuxiaoling76＠163.com