基于STC5A16AD的太阳能控制器的设计

侯金荣

德州职业技术学院基础部，山东 德州 253034

0 引言

在太阳能热利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人们提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。随着太阳能热水器的迅速推广，广大消费者对太阳能热水器特别是太阳能热水器控制器的要求越来越高。可编程控制器PLC、单片机等的出现大大提高了现代工业的自动化程度，改善了产品的工作性能。本设计是基于STC5A16AD的对热水器水温水位控制系统进行智能化改进。

1 本案设计特点

太阳能热水器是由集热系统、储水箱、管路和水位水温控制仪4部分组成。除水位水温控制仪外，这3部分的功能和结构基本上大同小异。

本案设计特点是整机力求最低功耗的电路工作方式。

1）电源变换电路，这部分通过直流DC/DC转换实现对整机供电。本案选用lm2575开关电源变换电路，具有低功耗和可关断特点；2）水位、水温传感器测量电路，这部分用于采集水位量、水温值并传送给单片机，是水位水温控制仪的关键部分；3）液晶显示及按键输入电路，这部分用于系统和人的信息交互，有对太阳能各项参数的直观显示，也有人对系统的控制。本案选用内置HP7565P点阵控制，能显示128X64点阵图形模块；4）各种驱动电路，这部分有自保持电磁阀电路，0.5s断续蜂鸣器，两路光耦隔离输出；5）时钟电路，本案采用专用时钟电路DS1302，给系统提供时间显示和参考时间。内置31RAM可存储单片机的参数设定值。

2 整机低功耗的实现方法

1）采用系统的本质低功耗设计，它包括从总体设计中对低功耗器件选择、电路设计中防异常功耗以及提高电源转换效率措施降低功耗。

2）系统的功耗管理设计，指系统在正常供电状况下，通过系统软件、硬件结合实现最小功耗运行的方法。

3）系统供电管理设计，指对处于无谓等待的电路器件及电路采取关断电源方法来减少功耗。

3 降低功耗工作方式的设计方案

3.1 各单元电路功耗设计

1）单片机电路功耗设计 ：单片机选用深圳宏晶产STC5A16AD型新型单片机，晶振选用11.0592MHz，正常工作模式下典型消耗电流为2～7mA，通过CLK_DIV寄存器可对时钟进行分频，当按系统时钟/64 运行时，实测消耗电流为1.1mA。本案采用高速、中速和低速的工作模式，当与人进行交互时，按高速模式运行；平常均按中速运行；电池电量生遇到50%时，无论与人交互还是检测均按低速运行；2）显示电路功耗设计：液晶显示模块选用COG模块，不开启LED背光时，消耗电流为0.5mA，开启LED背光时消耗电流为30mA。平常工作时不开启LED背光，但有按键动作时，开启LED背光；若8s钟过后没有按键输入，则自动关闭背光，降低电流消耗。另外，当电池电量剩余到40%时，LED背光不再开启，一直等待到电池充电超过40%时再开启LED背光；3）时钟芯片功耗设计：时钟芯片选用低功耗运行的PCF8563，该芯片在正常工作时消耗电流小于0.5mA；4）水温水位检测电路：本案为降低功耗专门采用6反相器74HC04进行控制，每秒钟采样一次，每次采样时间为20ms且消耗电流4mA，其余时间均处于关断状态，消耗电流为10mA；5）驱动电路电流设计：电加热电路设计采用根据程序设定输出控制信号，具体采用光耦TLP521驱动市电板控制电阻丝进行电加热，为此启动电加热时消耗电流为2.5mA。启动蜂鸣器时消耗电流为5mA。

3.2 电磁阀选用

市场上所售的水位水温测量仪基本采用通用的电磁阀。通用的电磁阀没有极性要求，给电磁阀加12V电源，电磁阀吸动，上水开关接通，向储水箱内加水。当上水达到设定值后，电磁阀断电，停止向水箱内上水。这种电磁阀功耗比较大，上水和防水的时间加起来差不多超过2个多小时，按普通电磁阀功耗进行计算，大概需要30VA时。为此，在本方案设计中借鉴暖气供暖中热力表的设计原理，采用自保持电磁阀。

4 本方案水位水温电路的设计

本案设计只使用两根线即可测量水温和水位。可进行8个点水位测量，最大可扩展到测量12点水位。测量水温采用二极管测量法，实测精度超过热敏电阻测量精度。

测量温度：控制1端输出低电平，水位测量端呈现高阻状态，控制2端和控制3端输出低电平，此时D1和D2二极管导通，延时5毫秒，从温度测量端测量电压，再通过缓冲放大器和差分放大器，输出与温度成比例的电压信号，由单片机读取并显示。采用检波二极管做温度传感器，主要是因为硅管PN结具有较好的线性，当正向电流一定时，温度每升高1度，其正向电压下降约2mA，并且可以工作在-50℃□150℃的范围内。实测其线性度和灵敏度均比热敏电阻高一个数量级。

测量水位：由于温度测量端接运算放大器的同相端，此端对外呈现高阻状态，为测量水位，将控制1端置高电平，控制3端置高电平，控制2端置低电平。此时，二极管D1和D2截止，通过水面从R1到R8进行并联，与水位相对应电阻值如下：高电平、4M、3M、2M、1.5M、1M、830K、660K，8个电阻值也即8个水位点。无需进行线性放大器放大，直接由单片机AD口采样并直接显示。

测量一次水位和水温需要10ms，每秒钟测量一次，其余时间将控制1端、控制2端置高电平，控制3端置低电平，彻底将水温水位传感器关断，避免由于水电离作用腐蚀水位测量点。能有效延长水位传感器使用寿命。

通过近半年测试，水位传感器的测点未发现有任何腐蚀的迹象，已达到预期设计效果。

5 软件控制流程

软件编制分为初始化部分和主循环检测部分。

初始化过程主要完成初始状态字（FLAGDATA）、初始数据的设定。从单片机上电开始→液晶显示片初始化（设定格式、开机动画、标志）→时钟芯片 PCF8563初始化（开启时钟振荡器＼读实时时钟）→设置整机运行参数→检测水温值并显示→检测水位值并显示→转主循环

主循分为检测和执行部分。主循环过程→检测按键输入→检测水温水位→读时钟芯片→检测太阳能电池板以及锂电池电压→继续执行主循环个子程序。