摘 要: 針對(duì)太陽(yáng)能熱水器的智能化控制和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能進(jìn)行了研究并提出設(shè)計(jì)方案,,給出了整機(jī)原理圖,完成了以STM32F103芯片為核心的測(cè)控電路及各接口電路的設(shè)計(jì),,選用ENC28J60以太網(wǎng)控制器定時(shí)上傳數(shù)據(jù),,為實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)功能做好準(zhǔn)備??刂破骶哂辛己玫娜藱C(jī)交互功能及初步智能化特征,。
關(guān)鍵詞: 太陽(yáng)能熱水器;智能控制,;網(wǎng)絡(luò)接口
隨著以微控制器為代表的嵌入式控制技術(shù)的充分應(yīng)用,,家用電器的功能越來(lái)越多[1],對(duì)它的智能控制要求也越來(lái)越高,。本控制器以STM32F103ZE為核心,,可以智能檢測(cè)當(dāng)前的水溫水位,判決加熱及上水,;數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口上傳,。
1 總體設(shè)計(jì)方案
根據(jù)本智能控制器的功能需求,可劃分為6大部分:主控模塊(STM32芯片),、測(cè)量電路(包括水位測(cè)量和水溫測(cè)量),、顯示電路,、用戶面板,、數(shù)據(jù)采樣與存儲(chǔ)電路以及基本控制模塊,實(shí)際電路模塊結(jié)構(gòu)以及各電路基本功能如圖1所示,。
控制器電路中以STM32芯片為系統(tǒng)核心,,負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)的處理;操作電路采用獨(dú)立式按鍵,,設(shè)定參數(shù)并選擇功能,;使用數(shù)字溫度傳感器采集實(shí)時(shí)水溫,傳感器采集表示水位的電壓信號(hào),;存儲(chǔ)電路用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)的程序代碼,、數(shù)據(jù)等;顯示電路用LED顯示電路狀態(tài),、LCD來(lái)實(shí)時(shí)顯示各種數(shù)據(jù),;基本控制電路直接用控制信號(hào)輸出到繼電器、控制觸點(diǎn)開閉來(lái)完成,;網(wǎng)絡(luò)接口電路用來(lái)上傳數(shù)據(jù),、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。
2 關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)
2.1 電路主控核心
意法半導(dǎo)體公司的微控制器產(chǎn)品STM32系列資源豐富,,有強(qiáng)大的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)支持,,并同時(shí)支持以太網(wǎng)接口,,在設(shè)計(jì)上提供了最大的便捷。最終選定的STM32F103ZE[2]增強(qiáng)型系列芯片使用高性能的ARM CortexTM-M3 32位RISC內(nèi)核,,電路最小系統(tǒng)只需最簡(jiǎn)單的復(fù)位操作和外部晶振即可搭建完成,,內(nèi)部的復(fù)位信號(hào)在NRST引腳上輸出,在每路電源引線處都并聯(lián)一個(gè)0.1 μF的電容用于消除電源的高頻干擾,。
2.2 水位檢測(cè)電路
電路采用了由UN2003集成電路和探針電極組成的水位檢測(cè)報(bào)警電路,,使用壽命長(zhǎng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,,電路結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
集成電路UN2003(IC6)是一個(gè)非門電路,其內(nèi)部是7通道達(dá)林頓矩陣電路,。水箱中的P1~P6電極探針?lè)謩e與IC6的輸入端相連(選擇了6個(gè)通道,,也可在電極與引腳間接入電阻)。IC6輸出端的發(fā)光二極管作為水位狀態(tài)指示,。水位每上升20%都可得到相應(yīng)指示,。STM32通過(guò)檢測(cè)IC6輸出電壓,判斷水位,、控制電磁閥工作,。
水箱水位低于下限時(shí),立即控制電磁閥開始注水,;此時(shí)水位上升,,信息送入控制芯片,將當(dāng)前水位與設(shè)定水位進(jìn)行比較判斷操作,,發(fā)光二極管相應(yīng)點(diǎn)亮顯示當(dāng)前水位狀態(tài),;一旦達(dá)到最高水位,判“溢出”,,立即控制電磁閥停止注水,。
2.3 水溫檢測(cè)電路
采用I2C總線型數(shù)字溫度傳感器芯片LM75來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量,測(cè)量范圍能夠達(dá)到-55 ℃~+125 ℃,,同時(shí)具備自校準(zhǔn)功能[3],。將LM75焊接在遠(yuǎn)離高壓電源又能良好傳導(dǎo)水箱內(nèi)水溫的獨(dú)立位置,芯片將測(cè)量的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存入內(nèi)部溫度寄存器,,獲得讀指令時(shí),,I2C兼容的2線串行接口輸出溫度信息到控制芯片。電路如圖3所示,。
LM75通過(guò)I2C總線與STM32連接,,進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,在從屬狀態(tài)工作,。采集到的溫度數(shù)據(jù)直接以數(shù)字方式傳輸,,提高了系統(tǒng)的抗干擾性,。當(dāng)溫度上升到TOS寄存器設(shè)置的門限時(shí)(預(yù)設(shè)的水溫),觸發(fā)OS報(bào)警輸出,,可實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱水溫的控制,。
2.4 輔助加熱及上水控制電路
為保證加熱效率,投入兩路輔助電加熱,。當(dāng)檢測(cè)到的水溫低于設(shè)定溫度時(shí),,STM32輸出控制信號(hào)使光耦內(nèi)部發(fā)光二極管發(fā)光,觸發(fā)光敏三極管導(dǎo)通,,繼電器線圈得電使常開觸點(diǎn)吸合,,輔助加熱器電路接通、開始加熱,,并點(diǎn)亮相應(yīng)指示燈,。
上水電磁閥采用12 V直流單向電磁閥,其基本工作原理與輔助電加熱電路相同,,只是控制對(duì)象變?yōu)殡姶砰y的通斷電,。
2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路
STM32F103ZE采用FSMC(可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器)技術(shù),能與異步或同步存儲(chǔ)器及16位的PC存儲(chǔ)器卡接口,,能按需要進(jìn)行外部存儲(chǔ)器[4]擴(kuò)展,。
NAND Flash存儲(chǔ)器采用三星公司128 MB的K9F1-G08U芯片,儲(chǔ)存太陽(yáng)能熱水器的溫度,、水位等重要工作參數(shù),。NOR Flash采用AMD公司16 MB的AM29LV160D芯片,用來(lái)存放液晶屏字庫(kù)文件和系統(tǒng)表格,。采用IS61LV25616作為SRAM,,不需要刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù),,用于擴(kuò)展數(shù)據(jù)緩存,。
3 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)
目前圍繞以太網(wǎng)進(jìn)行的技術(shù)開發(fā)早已涉及各類企業(yè)和家庭網(wǎng)絡(luò)[5],把家電順利連接到互聯(lián)網(wǎng),、實(shí)現(xiàn)安全高效的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集是應(yīng)用的關(guān)鍵,。
本設(shè)計(jì)采用美國(guó)微芯科技公司(Microchip)的以太網(wǎng)控制器ENC28J60,性能安全可靠,,占用空間少[6],。電路如圖4所示,ENC28J60工作在3.3 V電壓之下,,與STM32的工作電壓匹配,,輸入輸出無(wú)需另加驅(qū)動(dòng)電路。選用STM32的PB13作串行時(shí)鐘SCK,,PB12作片選信號(hào)CS,,PB14作數(shù)據(jù)輸出,,PB15作數(shù)據(jù)輸入。通過(guò)對(duì)CS腳的使能與置位設(shè)定在讀寫操作和工作狀態(tài)間轉(zhuǎn)化,。
ENC28J60的SPI接口與STM32相連接,,而與網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的4個(gè)引腳連到網(wǎng)絡(luò)接口,選擇專用的帶有變壓器隔離的RJ45接口,,可省略變壓器,。STM32收到水溫水位數(shù)據(jù)后,按照協(xié)議進(jìn)行UDP和IP封裝,。再通過(guò)SPI寫指令把封裝好的數(shù)據(jù)包發(fā)送到ENC28J60的發(fā)送緩沖區(qū),,自動(dòng)生成前導(dǎo)符和幀首定界符,并添加一個(gè)包控制字節(jié),。
4 軟件設(shè)計(jì)
使用KeilμVision4 IDE開發(fā)平臺(tái),,可直接進(jìn)行完整的程序編譯、仿真調(diào)試和下載,。
主程序流程如圖5所示,,是一個(gè)循環(huán)主體,首先完成系統(tǒng)的上電初始化(時(shí)鐘,、I/O口,、定時(shí)器、中斷源以及全局變量),,之后進(jìn)行按鍵檢測(cè),,有按鍵就響應(yīng)按鍵要求,沒(méi)有按鍵就進(jìn)行一系列任務(wù)處理:完成對(duì)系統(tǒng)外圍接口電路的檢測(cè),、數(shù)據(jù)判斷與自動(dòng)控制以及數(shù)據(jù)的讀取保存和向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送等,,數(shù)據(jù)及電路狀態(tài)通過(guò)顯示電路告知用戶。
該控制器以STM32為核心,,能實(shí)時(shí)采集水溫,、水位信息并進(jìn)行顯示;將設(shè)定的水溫,、水位與當(dāng)前水溫,、水位進(jìn)行比較,自動(dòng)在太陽(yáng)能加熱與電加熱中轉(zhuǎn)換,,并按設(shè)定值自動(dòng)上水,;間隔固定時(shí)間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口向外傳送水溫、水位數(shù)據(jù),,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控,。
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