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

4结束语

在调查家庭太阳能热水器用户应用需求和现在存在浪费水这个问题的基础上，设计了一种基于单片机控制的节水控制系统。本系统能够实现冷水流向控制、管道温度的实时显示、环境温湿度检测、语音提示等功能，具有良好的人机界面。通过本系统在家庭中的试运行，表明其较好地解决了家庭太阳能热水器冬季水浪费的困扰，经济实用，足以满足用户的节水需求，给人们的日常生活提供了极大便利。