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。控制器具有良好的人機交互功能及初步智能化特征。
關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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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