基于STC单片机的太阳能热水器智能节水控制系统设计

0引言

太阳能热水器在北方家庭中应用非常普遍，但是普通的家庭太阳能热水器在节约电能的同时也存在一些缺点。因为一般的太阳能热水器基本放置在楼房的屋顶，从楼顶到出水龙头这一段距离较长，管道中存了大量水，北方的冬季空气比较寒冷，管道中的水温普遍较低。当人们用热水时，通常要将管道中的水排掉，出水龙头距离楼房顶部距离越远，需要排掉的冷水就越多，这部分水在普通家庭中通常会浪费掉。

针对这一问题，我们设计出了冬季太阳能节水、蓄水控制系统，具有参数可以人工调节、到达合适温度自动声光报警、水充分利用等特点。安全可靠、成本低廉、节水效果显著。非常适合普通家庭的太阳能热水器，改造成本很低，具有很高的推广价值。

1系统整体

组成本系统主要有单片机控制模块、温度测量模块、电磁阀控制模块、按键模块、储水箱、抽水泵等组成。当人们需要热水时，按下启动按键，单片机监测管道中水的温度，当水温不超过设定温度时，打开冷水电磁阀，冷水先通过电磁阀流到一水箱中存储起来。当温度超过设定温度时，关闭冷水电磁阀，并同时发出声光报警，提醒人们现在可以利用热水进行洗漱。存储在水箱中的冷水可以利用水泵重新送到太阳能热水器中，也可以用来进行冲洗厕所等用途。系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

2系统主要电路组成

本系统以STC15F2K60S2芯片为控制核心，由温湿度传感器SHT10、电磁阀、水温传感器DS18B20和语音提示电路、数码管显示电路、按键电路等部分组成。系统电路组成框图如图2所示。

图2 系统电路组成框图

2.1主控制器

采用STC15F2K60S2单片机作为主控制芯片，这是一种低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，片内大容量2048字节SRAM，内部集成高可复位电路并可彻底省掉外部昂贵的复位电路，具有8K在系统可编程FLASH存储器，32个可设置四种模式的外部双向I/O口，运行速度快、价格便宜、性价比高。主控制器电路原理图如图3所示。

图3 主控制器原理图

2.2水温检测电路

水温检测采用常用的DS18B20数字温度传感器，外面带有防水不锈钢护套。DS18B20是一种单总线传感器，其输出为数字量，可以直接利用单片机将代表温度的数字量读到单片机中进行处理，不需要额外增加AD转换器。其封装形式为TO-92，体积比较小。为方便测量水温，将DS18B20放入防水不锈钢套中，并用胶加以密封，便于我们测量水温。DS1B 20可以设置为12位的转换精度，测量温度的分辨率可以达到0.0625℃，测量精度为±0.5℃，满足家庭测量水温需要。DS18B20应用原理图如图4所示。

图4 DS18B20应用原理图

2.3数码管显示电路

数码管显示采用0.5英寸共阳极数码管，显示直观，方便家庭中老年人查看。数码管驱动采用了串入并出74HC595芯片驱动，动态扫描，节省了宝贵的I/O资源。74LS595的驱动能力大，可以直接驱动数码管的显示。数码管显示电路原理图如图5所示。

图5 数码管显示电路原理图

2.4电磁阀及抽水泵控制电路

当单片机电磁阀（或抽水泵）控制引脚输出低电平时，三极管导通，继电器动作，电磁阀（或抽水泵）打开；反之，三极管截止，继电器不动作，电磁阀（或抽水泵）关闭。电磁阀（或抽水泵）控制电路原理图如图6所示。

图6 电磁阀或抽水泵控制电路

2.5语音提示

电路系统利用语音芯片ISD1820实现语音提示功能。美国ISD公司推出一种单片8～20s单段语音录放电路ISD1820，它采用CMOS技术，内含振荡器、话筒前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、扬声器驱动及FLASH阵列。其可以进行10s左右的语音录放高质量自然的语音还原、外围元件少、电路连接简单、控制方便、成本低，可以通过单片机控制操作。当系统检测到管道中水温超过设定温度时，在单片机的控制下，语音提示电路发出声音提醒。语音提示电路原理图如图7所示。

图7 语音提示电路原理图

2.6按键电路

按键采用了独立式按键，主要有水温/环境温度切换按键、启动/停止键、温度上升键、温度下降键、水泵抽水键。按键功能直接，配合数码管显示，操作方便、直观。对家庭中老年人来讲，十分方便。按键电路原理图如图8所示。

图8 按键电路原理图

3控制系统软件设计

在软件设计中充分利用了IAP15F2K60S2单片机的优势，根据DS18B20、SHT10传感器的特点，以及按键扫描、数码管动态显示的要求，利用时间触发机制进行软件设计。利用STC的单片机定时计数器0产生系统滴答时钟，然后产生不同的时间片，系统在不同的时间片执行不同的任务。系统分时调度程序框架如图9所示。

图9 系统分时调度程序框架