基于单片机和传感器的太阳能热水器自动控制系统

湖北省随州市第一高级中学 周雪林

1.引言

能源危机是当前人类社会发展面临的一个主要问题，因而全社会都应大力提倡节能环保。太阳能热水器是普通家庭中常见的一种热水供应设备，节能方便安全，本设计是利用STC12C5A60S2单片机作为控制芯片，结合传感器、继电器、电磁阀、小型液晶显示屏等实现对传统太阳能热水器的升级改进，使其具有一定程度的智能化。

2.系统整体架构

整个系统由两大部分构成。底层系统是由霍尔传感器、温度传感器DS18B20构成的神经网络；顶层系统由STC12C5A 60S2单片机、继电器—电磁阀系统、继电器—加热电阻系统、时钟芯片DS1302、1602液晶显示屏、2*2键盘组成，构成了总系统的执行机构和人机交互系统。图1所示是系统的总体硬件框图：

图1 系统的总体硬件框图

3.系统功能与硬件设计

3.1 工作原理

由单片机和传感器实现的太阳能热水器自动控制系统是以STC-12C5A 60S2芯片为核心,由2*2矩阵键盘、1602液晶显示、DS18B20温度传感器、DS1302时钟芯片和继电器—电磁阀、继电器—加热电阻等组成。系统的工作原理如下：（1）发生水位变化时,带动浮子内的磁铁，通过霍尔传感器侦测磁铁的位置，从而得知水位的高低，同时通过发光二极管和液晶屏显示液位高度，并根据设定的要求，当低于设定水位时单片机控制继电器，由继电器接通电磁阀电源，进行加水；当达到设定的最高水位时，继电器控制电磁阀停止加水。（2）由温度传感器测得实时温度，当水温低于设定温度时，由继电器接通电阻丝电源，进行加热；当温度高于设定温度时，停止加热。（3）由DS1302时钟芯片进行计时；（4）由1602液晶屏实时显示时间、温度和水位；（5）由键盘进行参数设定。

3.2 主控模块设计方案

本系统的单片机采用STC12C5A60S2芯片。其中,P0口用于1602液晶屏的数据传送；P1口用于单片机与各种外围器件的通讯；P2口用于检测霍尔传感器信号、控制电磁阀动作和指示灯显示；P3口连接一个键盘。

3.3 键盘显示模块设计方案

本系统采用2*2矩阵键盘，占用单片机P3口的4个端口。2*2矩阵键盘主要作用是设置温度和时间。键盘及程序的设计任务主要有：按键检测及判断键值。有按键按下则进行消抖，并根据键值驱动执行机构开启加热功能（停止加热）以及设定时间。

单片机通过对液晶的E、RS、RW等引脚按时序图进行读写操作，使其显示当前水位，时间、温度。

3.4 时钟模块和温度模块设计方案

时钟芯片采用DS1302，它通过串口与单片机通讯，通讯只需要三根线：CE，数据线（I/O）和串行时钟（SCLK)。实时时钟/日历提供关于年、月和日的信息。对于不到31天的月份，每月将自动调整，并具有闰年修正功能。芯片具有AM/PM指示器，时钟能够以12小时制或24小时制工作。在设计电路时，为了提高抗干扰能力，在设计电路时分别给CE、I/O、SCLK接了10K的上拉电阻。

温度模块采用DS18B20温度传感器。超小的体积，超低的硬件开销，抗干扰能力强，测温精度高。

DS18B20芯片通过的单总线协议依赖于单线端口进行通信。当所有设备通过三态端口或漏极开路端口连接到总线时，控制线应该连接弱上拉电阻。对于DS18B20的电路连接，除了上面描述的传统外部电源的电路连接图之外，DS18B20还可以工作在“寄生功率模式”中。下图显示了在“寄生电源模式”下工作的DS18B20的电路连接图。这使得DS18B20能够在寄生功率模式下工作。它可以收集多个位置的实时温度信息而无需额外的电源。

实际应用中，因上拉较弱，起控制、输入输出的三个端口，容易产生信号串扰，因而与单片机P1口间应接上拉电阻，以便增强信号稳定性；为保证时钟的可靠性，使用了纽扣电池作为备用电源，输出电压为3V，从而保证了系统掉电状态下能够继续工作。

在设计电路时，让DS18B20与DS1302一点共地。

3.5 继电器—电磁阀模块与继电器—加热模块设计方案

本系统选用的继电器，额定工作电压125VAC/28VDC，工作电流10A，控制电压5VDC。用它作为电磁阀和发热电阻的控制元件。

继电器是一种利用电磁原理控制的开关，它具有输入回路和输出回路，常用于自动控制电路中。在继电器的低压控制端与继电器的接触端之间没有电气连接，是通过电磁吸引和机械方式实现接触控制，从而实现低压直流控制高压（DC/AC）的功能。

由于继电器的低压控制端的电流相对于单片机I/O口的电流较大，需要使用三极管驱动继电器吸合。

继电器的电磁铁具有电感，在断电时可能会产生较大的反向电压，损坏三极管，所以在继电器的控制端使用二极管来进行放电。

3.6 水位监测单元硬件设计

本设计方案采用浮子、磁铁结合A 3144E型霍尔传感器来监测水位的方法。当水位达到相应位置是，霍尔元件检测到磁信号，有控制信号使相应的发光二极管发光，指示水位高低，同时在液晶屏上显示水位值。应用霍尔效应，并采用半导体集成技术制造磁敏电路，这便是霍尔开关集成电路。它工作时的输入变量是磁感应强度，输出的则是一个数字电压信号。

3.7 其他外围电路的设计

电源尖峰脉冲会引发噪声干扰，高频信号线间也会产生耦合干扰，为解决这些问题，在电源入口处及芯片顶端或底端，接入去耦电容，用于提高系统的稳定性。

图2 主程序流程图

4.系统软件设计

4.1 系统软件设计思想

本方案在主程序中采用轮询的方式依次循环执行各模块程序，本方案要实现的功能，采用这种方式实现，完全可以满足要求；对于由霍尔传感器和按键给出的信号，也可以考虑采用中断的方式进行处理，在中断服务程序中执行相应的指令。

在芯片的驱动程序设计中，要特别注意时序问题，严格按照芯片手册的要求来设计程序，同时在延时问题上，也要注意与所选单片机型号和晶振相对应。还要注意变量的数据类型。

在软件设计中，上电时完成对单片机、传感器和1602液晶屏的初始化；然后单片机扫描键盘，可以通过键盘输入完成参数的设定；单片机循环采样各传感器，将采集到的数据通过1602液晶屏显示出来；然后依次根据所采集的数据，判断是否驱动继电器—电磁阀模块进行加水（停止加水）或驱动继电器—加热模块进行加热（停止加热）。

4.2 系统主程序流程图

系统主程序流程图如图2所示。

5.结束语

本方案设计一种太阳能热水器控制系统，能够使传统的系统具备一定的智能性。本系统通过调试，实际运行，证明传感器工作灵敏，系统运行稳定，人机交互性好，基本实现了设计目标，有较好的应用前景。

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