湖北省隨州市第一高級(jí)中學(xué) 周雪林

1.引言

能源危機(jī)是當(dāng)前人類社會(huì)發(fā)展面臨的一個(gè)主要問題，因而全社會(huì)都應(yīng)大力提倡節(jié)能環(huán)保。太陽(yáng)能熱水器是普通家庭中常見的一種熱水供應(yīng)設(shè)備，節(jié)能方便安全，本設(shè)計(jì)是利用STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制芯片，結(jié)合傳感器、繼電器、電磁閥、小型液晶顯示屏等實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水器的升級(jí)改進(jìn)，使其具有一定程度的智能化。

2.系統(tǒng)整體架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由兩大部分構(gòu)成。底層系統(tǒng)是由霍爾傳感器、溫度傳感器DS18B20構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；頂層系統(tǒng)由STC12C5A 60S2單片機(jī)、繼電器—電磁閥系統(tǒng)、繼電器—加熱電阻系統(tǒng)、時(shí)鐘芯片DS1302、1602液晶顯示屏、2*2鍵盤組成，構(gòu)成了總系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和人機(jī)交互系統(tǒng)。圖1所示是系統(tǒng)的總體硬件框圖：

圖1 系統(tǒng)的總體硬件框圖

3.系統(tǒng)功能與硬件設(shè)計(jì)

3.1 工作原理

由單片機(jī)和傳感器實(shí)現(xiàn)的太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)是以STC-12C5A 60S2芯片為核心,由2*2矩陣鍵盤、1602液晶顯示、DS18B20溫度傳感器、DS1302時(shí)鐘芯片和繼電器—電磁閥、繼電器—加熱電阻等組成。系統(tǒng)的工作原理如下：（1）發(fā)生水位變化時(shí),帶動(dòng)浮子內(nèi)的磁鐵，通過霍爾傳感器偵測(cè)磁鐵的位置，從而得知水位的高低，同時(shí)通過發(fā)光二極管和液晶屏顯示液位高度，并根據(jù)設(shè)定的要求，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定水位時(shí)單片機(jī)控制繼電器，由繼電器接通電磁閥電源，進(jìn)行加水；當(dāng)達(dá)到設(shè)定的最高水位時(shí)，繼電器控制電磁閥停止加水。（2）由溫度傳感器測(cè)得實(shí)時(shí)溫度，當(dāng)水溫低于設(shè)定溫度時(shí)，由繼電器接通電阻絲電源，進(jìn)行加熱；當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，停止加熱。（3）由DS1302時(shí)鐘芯片進(jìn)行計(jì)時(shí)；（4）由1602液晶屏實(shí)時(shí)顯示時(shí)間、溫度和水位；（5）由鍵盤進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。

3.2 主控模塊設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的單片機(jī)采用STC12C5A60S2芯片。其中,P0口用于1602液晶屏的數(shù)據(jù)傳送；P1口用于單片機(jī)與各種外圍器件的通訊；P2口用于檢測(cè)霍爾傳感器信號(hào)、控制電磁閥動(dòng)作和指示燈顯示；P3口連接一個(gè)鍵盤。

3.3 鍵盤顯示模塊設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用2*2矩陣鍵盤，占用單片機(jī)P3口的4個(gè)端口。2*2矩陣鍵盤主要作用是設(shè)置溫度和時(shí)間。鍵盤及程序的設(shè)計(jì)任務(wù)主要有：按鍵檢測(cè)及判斷鍵值。有按鍵按下則進(jìn)行消抖，并根據(jù)鍵值驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開啟加熱功能（停止加熱）以及設(shè)定時(shí)間。

單片機(jī)通過對(duì)液晶的E、RS、RW等引腳按時(shí)序圖進(jìn)行讀寫操作，使其顯示當(dāng)前水位，時(shí)間、溫度。

3.4 時(shí)鐘模塊和溫度模塊設(shè)計(jì)方案

時(shí)鐘芯片采用DS1302，它通過串口與單片機(jī)通訊，通訊只需要三根線：CE，數(shù)據(jù)線（I/O）和串行時(shí)鐘（SCLK)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷提供關(guān)于年、月和日的信息。對(duì)于不到31天的月份，每月將自動(dòng)調(diào)整，并具有閏年修正功能。芯片具有AM/PM指示器，時(shí)鐘能夠以12小時(shí)制或24小時(shí)制工作。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，為了提高抗干擾能力，在設(shè)計(jì)電路時(shí)分別給CE、I/O、SCLK接了10K的上拉電阻。

溫度模塊采用DS18B20溫度傳感器。超小的體積，超低的硬件開銷，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)溫精度高。

DS18B20芯片通過的單總線協(xié)議依賴于單線端口進(jìn)行通信。當(dāng)所有設(shè)備通過三態(tài)端口或漏極開路端口連接到總線時(shí)，控制線應(yīng)該連接弱上拉電阻。對(duì)于DS18B20的電路連接，除了上面描述的傳統(tǒng)外部電源的電路連接圖之外，DS18B20還可以工作在“寄生功率模式”中。下圖顯示了在“寄生電源模式”下工作的DS18B20的電路連接圖。這使得DS18B20能夠在寄生功率模式下工作。它可以收集多個(gè)位置的實(shí)時(shí)溫度信息而無(wú)需額外的電源。

實(shí)際應(yīng)用中，因上拉較弱，起控制、輸入輸出的三個(gè)端口，容易產(chǎn)生信號(hào)串?dāng)_，因而與單片機(jī)P1口間應(yīng)接上拉電阻，以便增強(qiáng)信號(hào)穩(wěn)定性；為保證時(shí)鐘的可靠性，使用了紐扣電池作為備用電源，輸出電壓為3V，從而保證了系統(tǒng)掉電狀態(tài)下能夠繼續(xù)工作。

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，讓DS18B20與DS1302一點(diǎn)共地。

3.5 繼電器—電磁閥模塊與繼電器—加熱模塊設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)選用的繼電器，額定工作電壓125VAC/28VDC，工作電流10A，控制電壓5VDC。用它作為電磁閥和發(fā)熱電阻的控制元件。

繼電器是一種利用電磁原理控制的開關(guān)，它具有輸入回路和輸出回路，常用于自動(dòng)控制電路中。在繼電器的低壓控制端與繼電器的接觸端之間沒有電氣連接，是通過電磁吸引和機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)接觸控制，從而實(shí)現(xiàn)低壓直流控制高壓（DC/AC）的功能。

由于繼電器的低壓控制端的電流相對(duì)于單片機(jī)I/O口的電流較大，需要使用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器吸合。

繼電器的電磁鐵具有電感，在斷電時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生較大的反向電壓，損壞三極管，所以在繼電器的控制端使用二極管來(lái)進(jìn)行放電。

3.6 水位監(jiān)測(cè)單元硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案采用浮子、磁鐵結(jié)合A 3144E型霍爾傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)水位的方法。當(dāng)水位達(dá)到相應(yīng)位置是，霍爾元件檢測(cè)到磁信號(hào)，有控制信號(hào)使相應(yīng)的發(fā)光二極管發(fā)光，指示水位高低，同時(shí)在液晶屏上顯示水位值。應(yīng)用霍爾效應(yīng)，并采用半導(dǎo)體集成技術(shù)制造磁敏電路，這便是霍爾開關(guān)集成電路。它工作時(shí)的輸入變量是磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出的則是一個(gè)數(shù)字電壓信號(hào)。

3.7 其他外圍電路的設(shè)計(jì)

電源尖峰脈沖會(huì)引發(fā)噪聲干擾，高頻信號(hào)線間也會(huì)產(chǎn)生耦合干擾，為解決這些問題，在電源入口處及芯片頂端或底端，接入去耦電容，用于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖2 主程序流程圖

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想

本方案在主程序中采用輪詢的方式依次循環(huán)執(zhí)行各模塊程序，本方案要實(shí)現(xiàn)的功能，采用這種方式實(shí)現(xiàn)，完全可以滿足要求；對(duì)于由霍爾傳感器和按鍵給出的信號(hào)，也可以考慮采用中斷的方式進(jìn)行處理，在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行相應(yīng)的指令。

在芯片的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中，要特別注意時(shí)序問題，嚴(yán)格按照芯片手冊(cè)的要求來(lái)設(shè)計(jì)程序，同時(shí)在延時(shí)問題上，也要注意與所選單片機(jī)型號(hào)和晶振相對(duì)應(yīng)。還要注意變量的數(shù)據(jù)類型。

在軟件設(shè)計(jì)中，上電時(shí)完成對(duì)單片機(jī)、傳感器和1602液晶屏的初始化；然后單片機(jī)掃描鍵盤，可以通過鍵盤輸入完成參數(shù)的設(shè)定；單片機(jī)循環(huán)采樣各傳感器，將采集到的數(shù)據(jù)通過1602液晶屏顯示出來(lái)；然后依次根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)，判斷是否驅(qū)動(dòng)繼電器—電磁閥模塊進(jìn)行加水（停止加水）或驅(qū)動(dòng)繼電器—加熱模塊進(jìn)行加熱（停止加熱）。

4.2 系統(tǒng)主程序流程圖

系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示。

5.結(jié)束語(yǔ)

本方案設(shè)計(jì)一種太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)，能夠使傳統(tǒng)的系統(tǒng)具備一定的智能性。本系統(tǒng)通過調(diào)試，實(shí)際運(yùn)行，證明傳感器工作靈敏，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，人機(jī)交互性好，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，有較好的應(yīng)用前景。

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