基于STC5A16AD的太陽能控制器的設(shè)計(jì)

侯金榮

德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)部，山東 德州 253034

0 引言

在太陽能熱利用技術(shù)中，太陽能熱水器是技術(shù)上比較成熟、造價(jià)比較低廉的產(chǎn)品，同時(shí)給人們提供不耗能源、保護(hù)環(huán)境、絕對安全的熱水而受到人們的歡迎。隨著太陽能熱水器的迅速推廣，廣大消費(fèi)者對太陽能熱水器特別是太陽能熱水器控制器的要求越來越高?？删幊炭刂破鱌LC、單片機(jī)等的出現(xiàn)大大提高了現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)化程度，改善了產(chǎn)品的工作性能。本設(shè)計(jì)是基于STC5A16AD的對熱水器水溫水位控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化改進(jìn)。

1 本案設(shè)計(jì)特點(diǎn)

太陽能熱水器是由集熱系統(tǒng)、儲水箱、管路和水位水溫控制儀4部分組成。除水位水溫控制儀外，這3部分的功能和結(jié)構(gòu)基本上大同小異。

本案設(shè)計(jì)特點(diǎn)是整機(jī)力求最低功耗的電路工作方式。

1）電源變換電路，這部分通過直流DC/DC轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對整機(jī)供電。本案選用lm2575開關(guān)電源變換電路，具有低功耗和可關(guān)斷特點(diǎn)；2）水位、水溫傳感器測量電路，這部分用于采集水位量、水溫值并傳送給單片機(jī)，是水位水溫控制儀的關(guān)鍵部分；3）液晶顯示及按鍵輸入電路，這部分用于系統(tǒng)和人的信息交互，有對太陽能各項(xiàng)參數(shù)的直觀顯示，也有人對系統(tǒng)的控制。本案選用內(nèi)置HP7565P點(diǎn)陣控制，能顯示128X64點(diǎn)陣圖形模塊；4）各種驅(qū)動(dòng)電路，這部分有自保持電磁閥電路，0.5s斷續(xù)蜂鳴器，兩路光耦隔離輸出；5）時(shí)鐘電路，本案采用專用時(shí)鐘電路DS1302，給系統(tǒng)提供時(shí)間顯示和參考時(shí)間。內(nèi)置31RAM可存儲單片機(jī)的參數(shù)設(shè)定值。

2 整機(jī)低功耗的實(shí)現(xiàn)方法

1）采用系統(tǒng)的本質(zhì)低功耗設(shè)計(jì)，它包括從總體設(shè)計(jì)中對低功耗器件選擇、電路設(shè)計(jì)中防異常功耗以及提高電源轉(zhuǎn)換效率措施降低功耗。

2）系統(tǒng)的功耗管理設(shè)計(jì)，指系統(tǒng)在正常供電狀況下，通過系統(tǒng)軟件、硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)最小功耗運(yùn)行的方法。

3）系統(tǒng)供電管理設(shè)計(jì)，指對處于無謂等待的電路器件及電路采取關(guān)斷電源方法來減少功耗。

3 降低功耗工作方式的設(shè)計(jì)方案

3.1 各單元電路功耗設(shè)計(jì)

1）單片機(jī)電路功耗設(shè)計(jì) ：單片機(jī)選用深圳宏晶產(chǎn)STC5A16AD型新型單片機(jī)，晶振選用11.0592MHz，正常工作模式下典型消耗電流為2～7mA，通過CLK_DIV寄存器可對時(shí)鐘進(jìn)行分頻，當(dāng)按系統(tǒng)時(shí)鐘/64 運(yùn)行時(shí)，實(shí)測消耗電流為1.1mA。本案采用高速、中速和低速的工作模式，當(dāng)與人進(jìn)行交互時(shí)，按高速模式運(yùn)行；平常均按中速運(yùn)行；電池電量生遇到50%時(shí)，無論與人交互還是檢測均按低速運(yùn)行；2）顯示電路功耗設(shè)計(jì)：液晶顯示模塊選用COG模塊，不開啟LED背光時(shí)，消耗電流為0.5mA，開啟LED背光時(shí)消耗電流為30mA。平常工作時(shí)不開啟LED背光，但有按鍵動(dòng)作時(shí)，開啟LED背光；若8s鐘過后沒有按鍵輸入，則自動(dòng)關(guān)閉背光，降低電流消耗。另外，當(dāng)電池電量剩余到40%時(shí)，LED背光不再開啟，一直等待到電池充電超過40%時(shí)再開啟LED背光；3）時(shí)鐘芯片功耗設(shè)計(jì)：時(shí)鐘芯片選用低功耗運(yùn)行的PCF8563，該芯片在正常工作時(shí)消耗電流小于0.5mA；4）水溫水位檢測電路：本案為降低功耗專門采用6反相器74HC04進(jìn)行控制，每秒鐘采樣一次，每次采樣時(shí)間為20ms且消耗電流4mA，其余時(shí)間均處于關(guān)斷狀態(tài)，消耗電流為10mA；5）驅(qū)動(dòng)電路電流設(shè)計(jì)：電加熱電路設(shè)計(jì)采用根據(jù)程序設(shè)定輸出控制信號，具體采用光耦TLP521驅(qū)動(dòng)市電板控制電阻絲進(jìn)行電加熱，為此啟動(dòng)電加熱時(shí)消耗電流為2.5mA。啟動(dòng)蜂鳴器時(shí)消耗電流為5mA。

3.2 電磁閥選用

市場上所售的水位水溫測量儀基本采用通用的電磁閥。通用的電磁閥沒有極性要求，給電磁閥加12V電源，電磁閥吸動(dòng)，上水開關(guān)接通，向儲水箱內(nèi)加水。當(dāng)上水達(dá)到設(shè)定值后，電磁閥斷電，停止向水箱內(nèi)上水。這種電磁閥功耗比較大，上水和防水的時(shí)間加起來差不多超過2個(gè)多小時(shí)，按普通電磁閥功耗進(jìn)行計(jì)算，大概需要30VA時(shí)。為此，在本方案設(shè)計(jì)中借鑒暖氣供暖中熱力表的設(shè)計(jì)原理，采用自保持電磁閥。

4 本方案水位水溫電路的設(shè)計(jì)

本案設(shè)計(jì)只使用兩根線即可測量水溫和水位。可進(jìn)行8個(gè)點(diǎn)水位測量，最大可擴(kuò)展到測量12點(diǎn)水位。測量水溫采用二極管測量法，實(shí)測精度超過熱敏電阻測量精度。

測量溫度：控制1端輸出低電平，水位測量端呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，控制2端和控制3端輸出低電平，此時(shí)D1和D2二極管導(dǎo)通，延時(shí)5毫秒，從溫度測量端測量電壓，再通過緩沖放大器和差分放大器，輸出與溫度成比例的電壓信號，由單片機(jī)讀取并顯示。采用檢波二極管做溫度傳感器，主要是因?yàn)楣韫躊N結(jié)具有較好的線性，當(dāng)正向電流一定時(shí)，溫度每升高1度，其正向電壓下降約2mA，并且可以工作在-50℃□150℃的范圍內(nèi)。實(shí)測其線性度和靈敏度均比熱敏電阻高一個(gè)數(shù)量級。

測量水位：由于溫度測量端接運(yùn)算放大器的同相端，此端對外呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，為測量水位，將控制1端置高電平，控制3端置高電平，控制2端置低電平。此時(shí)，二極管D1和D2截止，通過水面從R1到R8進(jìn)行并聯(lián)，與水位相對應(yīng)電阻值如下：高電平、4M、3M、2M、1.5M、1M、830K、660K，8個(gè)電阻值也即8個(gè)水位點(diǎn)。無需進(jìn)行線性放大器放大，直接由單片機(jī)AD口采樣并直接顯示。

測量一次水位和水溫需要10ms，每秒鐘測量一次，其余時(shí)間將控制1端、控制2端置高電平，控制3端置低電平，徹底將水溫水位傳感器關(guān)斷，避免由于水電離作用腐蝕水位測量點(diǎn)。能有效延長水位傳感器使用壽命。

通過近半年測試，水位傳感器的測點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)有任何腐蝕的跡象，已達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

5 軟件控制流程

軟件編制分為初始化部分和主循環(huán)檢測部分。

初始化過程主要完成初始狀態(tài)字（FLAGDATA）、初始數(shù)據(jù)的設(shè)定。從單片機(jī)上電開始→液晶顯示片初始化（設(shè)定格式、開機(jī)動(dòng)畫、標(biāo)志）→時(shí)鐘芯片 PCF8563初始化（開啟時(shí)鐘振蕩器＼讀實(shí)時(shí)時(shí)鐘）→設(shè)置整機(jī)運(yùn)行參數(shù)→檢測水溫值并顯示→檢測水位值并顯示→轉(zhuǎn)主循環(huán)

主循分為檢測和執(zhí)行部分。主循環(huán)過程→檢測按鍵輸入→檢測水溫水位→讀時(shí)鐘芯片→檢測太陽能電池板以及鋰電池電壓→繼續(xù)執(zhí)行主循環(huán)個(gè)子程序。