趙淑萍 鹿傳架

【摘 要】本文采用STM32單片機(jī)作為核心處理器，利用內(nèi)部RTC萬(wàn)年歷，為系統(tǒng)提供時(shí)間及日期，使用固態(tài)繼電器進(jìn)行電平等級(jí)轉(zhuǎn)換，控制時(shí)間由單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器計(jì)數(shù)器提供，由數(shù)字式溫度傳感器DS18B20讀取外部溫度數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)部。由液晶屏LCD1602顯示溫度、時(shí)間，聯(lián)合控制開(kāi)關(guān)輸出想要的數(shù)據(jù)?？梢詫?shí)現(xiàn)人機(jī)交互、水位控制、溫度控制、漏電保護(hù)及聲音報(bào)警等功能，本系統(tǒng)工作可靠穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，大大提高了電熱水器的安全性、智能化和數(shù)字化。

【關(guān)鍵詞】STM32單片機(jī)；液晶屏LCD1602；溫度傳感器DS18B20

一、設(shè)計(jì)方案

（一）系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

（二）實(shí)現(xiàn)功能

設(shè)計(jì)的智能電熱水器將要實(shí)現(xiàn)的功能：1、對(duì)溫度精確控制；2、可靠的水位采集電路，實(shí)時(shí)采集水位供查詢時(shí)進(jìn)行顯示，當(dāng)水位過(guò)低時(shí)給出提示并停止加熱，防止干燒；3、開(kāi)機(jī)方式有立即開(kāi)機(jī)和定時(shí)開(kāi)機(jī)兩種；4、自動(dòng)檢測(cè)熱水器是否處于正常工作狀態(tài)，并具有調(diào)溫、恒溫、防干燒、防超高溫、防漏電等多項(xiàng)自檢功能，使用戶在使用過(guò)程中安全更有保障。

二、硬件設(shè)計(jì)

（一）人機(jī)交互電路設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面包括鍵盤與液晶顯示兩部分，通過(guò)鍵盤操作實(shí)現(xiàn)對(duì)電熱水器的控制操作，從液晶顯示界面了解熱水器的工作參數(shù)與狀態(tài)。其中，通過(guò)鍵盤進(jìn)行的操作主要有設(shè)定水位和溫度，液晶顯示部分顯示設(shè)定水位和溫度值，以及當(dāng)前的水位和溫度值。

1、矩陣式鍵盤。為了方便智能熱水器控制器功能的選擇，我們采用矩陣式鍵盤，矩陣式鍵盤的工作原理：按鍵設(shè)置在行、列線交點(diǎn)上，行、列線分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端。行線通過(guò)上拉電阻接到+5V電源上。無(wú)按鍵按下時(shí)，行線處于高電平的狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線電平與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。

2、液晶顯示。液晶顯示器是一種采用了液晶控制透光度技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)色彩的顯示器。和CRT顯示器相比，LCD的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的。由于通過(guò)控制是否透光來(lái)控制亮和暗，當(dāng)色彩不變時(shí)，液晶也保持不變，這樣就無(wú)須考慮刷新率的問(wèn)題。本系統(tǒng)顯示部分用的是LCD液晶模塊，采用一個(gè)16×2的字符型液晶顯示模塊。

LCD1602液晶模塊采用HD44780控制器[1]，hd44780具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可以實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)，閃爍等功能，LM016L與單片機(jī)MCU通訊可采用8位或4位并行傳輸兩種方式，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的顯示需求。

（二）溫度采集電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所選取的溫度傳感器型號(hào)為DS18B20，該傳感器由美國(guó)達(dá)拉斯公司研發(fā)設(shè)計(jì)，采集到的溫度值以9位數(shù)字的形式進(jìn)行顯示[2]。DS 18B20為采用串口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯慰偩€數(shù)字溫度傳感器，在其芯片內(nèi)部集成了溫度測(cè)量和A/D轉(zhuǎn)換功能，具有單總線結(jié)構(gòu)，能直接與微機(jī)相連，數(shù)字量直接輸出；既可以用它組成單路測(cè)溫電路，也可以用它組成多路測(cè)溫電路。在硬件電路設(shè)計(jì)上，DS18B20與單片機(jī)的連接方式有兩種方法，一種是Vcc接外部電源，GND接地，DQ引腳與單片機(jī)的I/O口線相連；另一種是用寄生電源供電，此時(shí)Vcc、GND接地，DQ引腳與單片機(jī)I/O口連接。無(wú)論是內(nèi)部寄生電源供電還是外部供電，I/O口線都要接5KΩ的上拉電阻，因?yàn)楫?dāng)傳感器DS 18B20處于寫存儲(chǔ)器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換步驟時(shí)，在總線上必須有較強(qiáng)的上拉，上拉開(kāi)啟時(shí)間最大為l0us，這樣操作可以有效地降低功耗。本系統(tǒng)采用外部3.3V供電的方式，其電路連接如圖2所示。

圖2 DS18B20溫度采集電路

（三）水位檢測(cè)電路

本系統(tǒng)中的水的深度是通過(guò)不同深度的水位與水底電極之間的電勢(shì)差來(lái)判斷的。具體檢測(cè)原理如下：第一，單片機(jī)輪流向不同水位的電極輸出高電平；第二，通過(guò)公共電極來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同水位的電位轉(zhuǎn)換，如果水位達(dá)到對(duì)應(yīng)的電極，那么輸出低電平，反之輸出高電平；第三，循環(huán)檢測(cè)電壓值，每次得到4個(gè)串行數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的判斷，然后通過(guò)顯示屏顯示，從而完成對(duì)水位的檢測(cè)過(guò)程。

（四）漏電檢測(cè)及報(bào)警電路

為了保證熱水器使用者的安全，漏電檢測(cè)功能是控制器必須具備的功能[3]。檢測(cè)電路，在正常情況下，漏電檢測(cè)集成電路輸出低電平；當(dāng)出現(xiàn)漏電電流時(shí)，漏電信號(hào)可以經(jīng)過(guò)集成電路M54123L放大輸出并經(jīng)三極管倒相后輸出至CPU。CPU接收到漏電信號(hào)，則停止加熱保溫及鍵盤操作，結(jié)束程序并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，電源指示燈閃爍警示，蜂鳴器連續(xù)嗚響。

三、軟件設(shè)計(jì)

（一）主程序流程圖

該控制器的功能實(shí)現(xiàn)是通過(guò)鍵盤掃描和溫度傳感器以及水位傳感器（探針式）循環(huán)掃描，把信息傳遞給單片機(jī)。通過(guò)單片機(jī)中已編的程序來(lái)控制外部加熱裝置和進(jìn)、出水裝置的。該控制器的所有功能只需要在鍵盤上操作就可以完成。

首先單片機(jī)一直在循環(huán)檢測(cè)溫度和水位以及在循環(huán)掃描鍵盤。循環(huán)檢測(cè)溫度和水位就是要適時(shí)地把當(dāng)前的水溫和水位反映出來(lái)。鍵盤掃描主要是便于適時(shí)的接受用戶的操作信息，從而就可以達(dá)到我們控制和設(shè)置水溫水位的目的。該控制電路的程序流程圖如圖3所示：

【參考文獻(xiàn)】

[1]于志贛.LCD1602模塊的應(yīng)用[J].機(jī)電技術(shù)，2009 （3） ：5-8.

[2]高峰，孫成權(quán)，劉全根等.太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].世界科技研究與發(fā)展，2001， 23 （4） ： 35-39.

[3]季曉芳，張春來(lái).家用電熱水器控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].電子測(cè)試，2009 （10） ：77-80.