摘 要： 針對太陽能熱水器的智能化控制和網(wǎng)絡監(jiān)控功能進行了研究并提出設計方案,，給出了整機原理圖，完成了以STM32F103芯片為核心的測控電路及各接口電路的設計,，選用ENC28J60以太網(wǎng)控制器定時上傳數(shù)據(jù),，為實現(xiàn)局域網(wǎng)功能做好準備?？刂破骶哂辛己玫娜藱C交互功能及初步智能化特征,。
關鍵詞： 太陽能熱水器；智能控制,；網(wǎng)絡接口
隨著以微控制器為代表的嵌入式控制技術(shù)的充分應用,，家用電器的功能越來越多[1]，對它的智能控制要求也越來越高。本控制器以STM32F103ZE為核心,，可以智能檢測當前的水溫水位,，判決加熱及上水；數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡接口上傳,。
1 總體設計方案
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）、測量電路（包括水位測量和水溫測量）,、顯示電路,、用戶面板、數(shù)據(jù)采樣與存儲電路以及基本控制模塊,，實際電路模塊結(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，負責各種數(shù)據(jù)的處理,；操作電路采用獨立式按鍵,，設定參數(shù)并選擇功能,；使用數(shù)字溫度傳感器采集實時水溫,，傳感器采集表示水位的電壓信號；存儲電路用來存儲系統(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來實時顯示各種數(shù)據(jù),；基本控制電路直接用控制信號輸出到繼電器,、控制觸點開閉來完成；網(wǎng)絡接口電路用來上傳數(shù)據(jù),、實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程網(wǎng)絡監(jiān)控,。
2 關鍵硬件設計
2.1 電路主控核心
意法半導體公司的微控制器產(chǎn)品STM32系列資源豐富，有強大的嵌入式實時操作系統(tǒng)支持,，并同時支持以太網(wǎng)接口,，在設計上提供了最大的便捷。最終選定的STM32F103ZE[2]增強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)只需最簡單的復位操作和外部晶振即可搭建完成,，內(nèi)部的復位信號在NRST引腳上輸出，在每路電源引線處都并聯(lián)一個0.1 μF的電容用于消除電源的高頻干擾,。
2.2 水位檢測電路
電路采用了由UN2003集成電路和探針電極組成的水位檢測報警電路,，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單,，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
集成電路UN2003（IC6）是一個非門電路，其內(nèi)部是7通道達林頓矩陣電路。水箱中的P1～P6電極探針分別與IC6的輸入端相連（選擇了6個通道,，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%都可得到相應指示,。STM32通過檢測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,，立即控制電磁閥開始注水；此時水位上升,，信息送入控制芯片,，將當前水位與設定水位進行比較判斷操作，發(fā)光二極管相應點亮顯示當前水位狀態(tài),；一旦達到最高水位,，判“溢出”，立即控制電磁閥停止注水,。
2.3 水溫檢測電路
采用I2C總線型數(shù)字溫度傳感器芯片LM75來進行溫度測量,，測量范圍能夠達到-55 ℃～+125 ℃，同時具備自校準功能[3],。將LM75焊接在遠離高壓電源又能良好傳導水箱內(nèi)水溫的獨立位置,，芯片將測量的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存入內(nèi)部溫度寄存器，獲得讀指令時,，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I2C總線與STM32連接,，進行數(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,。當溫度上升到TOS寄存器設置的門限時（預設的水溫），觸發(fā)OS報警輸出,，可實現(xiàn)對水箱水溫的控制,。
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,。當檢測到的水溫低于設定溫度時,，STM32輸出控制信號使光耦內(nèi)部發(fā)光二極管發(fā)光，觸發(fā)光敏三極管導通,，繼電器線圈得電使常開觸點吸合,，輔助加熱器電路接通,、開始加熱，并點亮相應指示燈,。
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，只是控制對象變?yōu)殡姶砰y的通斷電,。
2.5 數(shù)據(jù)存儲電路
STM32F103ZE采用FSMC（可變靜態(tài)存儲控制器）技術(shù),，能與異步或同步存儲器及16位的PC存儲器卡接口，能按需要進行外部存儲器[4]擴展,。
NAND Flash存儲器采用三星公司128 MB的K9F1-G08U芯片,，儲存太陽能熱水器的溫度、水位等重要工作參數(shù),。NOR Flash采用AMD公司16 MB的AM29LV160D芯片,，用來存放液晶屏字庫文件和系統(tǒng)表格。采用IS61LV25616作為SRAM,，不需要刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù),，用于擴展數(shù)據(jù)緩存。
3 網(wǎng)絡接口設計
目前圍繞以太網(wǎng)進行的技術(shù)開發(fā)早已涉及各類企業(yè)和家庭網(wǎng)絡[5],，把家電順利連接到互聯(lián)網(wǎng),、實現(xiàn)安全高效的遠程數(shù)據(jù)采集是應用的關鍵。
本設計采用美國微芯科技公司（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,，輸入輸出無需另加驅(qū)動電路,。選用STM32的PB13作串行時鐘SCK，PB12作片選信號CS,，PB14作數(shù)據(jù)輸出,，PB15作數(shù)據(jù)輸入。通過對CS腳的使能與置位設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)絡有關的4個引腳連到網(wǎng)絡接口，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)議進行UDP和IP封裝,。再通過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),，自動生成前導符和幀首定界符,，并添加一個包控制字節(jié)。
4 軟件設計
使用KeilμVision4 IDE開發(fā)平臺,，可直接進行完整的程序編譯,、仿真調(diào)試和下載。
主程序流程如圖5所示,，是一個循環(huán)主體,，首先完成系統(tǒng)的上電初始化（時鐘、I/O口,、定時器,、中斷源以及全局變量），之后進行按鍵檢測,，有按鍵就響應按鍵要求,，沒有按鍵就進行一系列任務處理：完成對系統(tǒng)外圍接口電路的檢測、數(shù)據(jù)判斷與自動控制以及數(shù)據(jù)的讀取保存和向網(wǎng)絡發(fā)送等,，數(shù)據(jù)及電路狀態(tài)通過顯示電路告知用戶,。
該控制器以STM32為核心，能實時采集水溫,、水位信息并進行顯示,；將設定的水溫、水位與當前水溫,、水位進行比較,，自動在太陽能加熱與電加熱中轉(zhuǎn)換，并按設定值自動上水,；間隔固定時間通過網(wǎng)絡接口向外傳送水溫,、水位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡監(jiān)控,。
參考文獻
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