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【摘要】本文提出由水温水位传感器、单片机、加热继电器和上水电磁阀构成的太阳能热水器控制器系统的软硬件设计方法。尤其重点阐述了水位水温一体化传感器的设计方法并和企业联合研制太阳能热水器的控制板并投入量产，经济社会效益明显。该系统实现了自动手动上水、自动手动加热和管道保温等控制功能，具有雷击、漏电和系统过热保护功能。
【关键词】太阳能热水器控制器;单片机;水温水位一体化传感器;继电器;电磁阀
0 引言
太阳能作为绿色能源尤其在太阳能热水器中的应用深得广大用户的好评。但与之配套的太陽能热水器的控制器存在诸多的问题尤其在水温水位一体化传感器工艺的设计、防雷击、漏电和过热保护上影响了其推广和使用。本文就以上太阳能热水器控制器存在的问题进行了研究，并提出了切实有效的解决方案。设计制作的太阳能热水器的控制板如图1所示。
图1 太阳能热水器控制板
1 太阳能热水器控制器的硬件组成
太阳能热水器控制器硬件系统组成框图如图2所示，它以新型单片机STC12C5A60S2为控制核心，外接功能按键电路、水位水温一体化传感器、漏电过热保护电路、电磁阀继电器电流驱动电路、报警蜂鸣器、LED数码管显示电路和系统电源电路等组成。
系统通过水位水温一体化传感器将水箱的水位和水温参数转化为单片机能够识别的电信号，经过软件算法处理实时将水位和水温显示在LED数码管上，系统首次上电后水箱内的水位不足20%时为了避免干晒和干烧，系统会启动蜂鸣器报警同时启
动上水电磁阀进行自动上水，但水位达到100%时自动停止上水，期间用户也可以通过按键进行手动上水;阴雨天气或者阳光不足时可以手动启动电辅加热，当水箱的水温加热到用户的设定温度时系统自动切断电辅加热也可手动随时停止加热;秋冬天气太阳能的上水管极易冻裂系统可以手动启动管道保温功能，最大限度的提高太阳能热水器的使用效率。
图2 太阳能热水器控制器硬件系统组成框图
2系统各功能硬件电路设计
2.1水温水位传感器结构原理
水温水位一体化传感器结构原理如图3所示
图3 水温水位一体化传感器
此水位水温传感器包括1个10K热敏电阻、4个色环电阻、橡胶外套和4段不锈钢弹簧组成。传感器内的热敏电阻和控制器内的5K电阻组成一个串联电路，根据串联分压原理，通过A/D转换单片机即可将水箱内的温度信息进行采样并实时显示和控制。其中热敏电阻的两端包裹有高温导线，此高温导线贯穿于传感器的顶端和末端，最大限度的保证采集温度的准确性。传感器内的的4个色环电阻和4个不锈钢弹簧管之间串联焊接，然后用橡胶包裹固定。其中不锈钢弹簧主要起到增加水位传感器的长度的作用，4个色环电阻将水位分成4个档位，由于包裹在每个档位处的橡胶是导电的，而档位以处的橡胶是绝缘的，不同的水位即可等效为不同的电阻，通过震荡电路即可产生不同的频率，从而实现了水位的检测。
2.2水温水位传感器测试原理
图3中的4个档位不锈钢弹簧对应的水位等效电阻1、2脚接口与图4中的1、2接口相连，等效电阻RF、R1、R2、R3、U1A、U1B和C1构成非对称式多谐震荡器[1]，经过反向驱动器U1C和滤波电容C2整形后接到单片机的P1_0，单片机通过测量P1_0引脚的方波频率即可得到水位的位置。
图4 水温水位传感器信号调理电路
电路的震荡周期由式（1）给出：
T=2.2RFC，= （1）
式中的RF为等效电阻，根据4档水位对应的不同
等效电阻得到不同的信号频率如表1所示：
表1 水位/频率值变换表
图3中的10K负温度系数的热敏电阻与图4中5K电阻R4串联分压后经C3滤波后接到单片机的P1_1（ADC0通道）引脚，通过测量该引脚的水温电压对应的ADC值，再通过查表即可获取水箱内水温值。
单片机P1_1处的电压（2）
式2中的R1为10K热敏电阻的水温阻值。通常将热敏电阻的阻值和水温做成一张表格如表2所示，表格中的每个元素由水温对应的ADC值和水温组成存放在单片机的ROM内，当检测的水温对应的电压AD转换后，通过查表得到对应的水温。电阻R5、R6、R7为压敏电阻【2】。避免水温水位传感器因遭受雷击影响电路控制系统的整体寿命。
表2 水温/电压ADC变换表
2.3上水电磁阀、电辅加热和管道保温继电器驱动电路设计
图5 上水、电加热和水管保温驱动电路
电加热、管道保温继电器和上水电磁阀的驱动电路如图5所示，STC12C5A60S2单片机对于继电器、电磁阀这种大的负载很难驱动，故采用ULN2001A驱动芯片控制电磁阀的线圈通断电。ULN2001A内部集成3路达林顿电流放大电路，只需用单片机的P1_6和P1_7脚在ULN2001A的输入管脚1、2、3输入TTL高电平（5V左右），输出脚8、7、6即可输出最大500MA的控制电流足以驱动电加热和管道保温继电器线圈的工作。单片机的P1_5脚输出高电平通过三极管Q1的饱和导通，即可控制12V的上水电磁阀工作，反之即可关闭上水电磁阀。由于电磁阀线圈关断瞬间产生反向电动势，故采用IN4007二极管吸收反向电流从而保护三极管Q1的使用寿命。图5中的B1、BZ1和BZ3为压敏电阻，保护上水电磁阀、电加热和管道保温继电器线圈遭受雷击的损坏。 2.4系统漏电、过热保护电路设计
图6 漏电检测、过热保护电路
系统保护电路如图6所示，将电感线圈套装在220V的交流电源上，然后将线圈的2根引出线接在J4插座上，二极管D11、D12并接在线圈的两端。电源一当漏电，流过漏电线圈的电流不平衡，线圈将产生感应电压和电流，通过D11、D12构成续流回路，以免互感线圈二次侧开路，产生较高的危险电压[3]。单片机管脚P1_4检测经C11、C12、R10滤波后的漏电电压，一旦漏电发生即可关断继电器，切断电源保护系统和人员的安全。当系统内的温度超出75℃时，单片机P1_3腳检测热敏电阻3470分得的电压变化，从而切断系统电源，起到系统过热保护的作用。
2.5系统电源电路设计
图7 系统电源电路
系统电源电路如图7所示，太阳能控制器系统需要的直流电源有+12V，+5V两种电源，使用变压器将交流220V转化为交流12后，接到接口J1上，经过D1、D2、D3、D4全波整流后，得到12V直流电，经7805稳压后得到5V直流电，电容C1、C2、C3、C4为滤波作用，滤除电源中的高频和低频分量保证系统电源的稳定可靠。
2.6按键、蜂鸣器及LED显示接口电路设计
太阳能热水器控制器系统采用模式选择、加热、保温和上水4个独立按键实现系统的外部输入功能，按键去抖动包括软件和硬件方法，本系统采用软件算法实现按键去抖处理既可靠又降低了系统的硬件成本。LED显示采用的8*8点阵原理（共阳）共64只发光二极管实现水位、水温、时间和特殊功能的显示，LED显示尤其注意驱动电流保证每只发光二极管的工作电流在5～10ms，从而保证显示的亮度。本系统蜂鸣器采用的是脉冲驱动的无源蜂鸣器，一当开机或用户用水的过程中水位低于20%，便触发蜂鸣器，实现声光报警自动上水功能。以上3项子功能电路简单，原理图略。
3 系统软件设计
太阳能热水器控制器系统采用基于C程序[4]的模块化结构编程，包括主程序、自动加热子程序、自动上水子程序、LED数码管动态扫描子程序和按键去抖动算法设计。
按键去抖动[5]采用定时器每2ms中断一次，每次中断读取4个按键的状态并存储起来;连续扫描8次后，看看这连续8次的状态是否一致，8次按键的时间大概是16ms，这16ms内如果按键的状态保持一致，那就确定现在按下的按键处于稳定状态，而非处于抖动阶段，从而实现按键的去抖动。按键从按下到弹起的状态检测过程如图8所示。系统主循环程序根据去抖动后的按键值，执行不同的操作，系统主程序流程图如图9所示。
图8 按键连续扫描判断
图9 主程序流程图
主程序在检测显示水温水位环节，采用数字滤波处理即连续读3次，取排序后的中间值为读取到的水温水位值，提高系统的抗干扰能力。
4 结束语
本次设计实现的太阳能热水器控制器系统主要的创新点有：1）采用自制的水温水位一体化传感器，检测效果稳定可靠，成本低廉;2）具有防雷、漏电和过热保护功能，性价比高较易被用户接受。该系统将以其安装操作方便、显示精度高、稳定可靠等优越性能目前已批量生产，为企业创造了可观的经济和社会效益。附PCB控制板如图10：
图10 太阳能热水器控制板PCB
参考文献：
[1]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2012.P332～P334.
[2]牛小玲.太阳能水温水位控制器设计.实验技术与管理，2014，31（1）：75-76.
[3]马敏.太阳能热水器控制器的设计，河南科学2003，21（2）：225
[4]徐意.单片机技术与应用[M].浙江：浙江大学出版社，2012.
[5]宋雪松.手把手教你学51单片机[M].北京：清华大学出版社，2014.
基金项目：本项目来自浙江省教育厅一般科研项目：新型太阳能热水器控制仪的应用研究，编号：Y201224827。
作者简介：
戴仔龙（1981-），男，江苏南京人，讲师，硕士研究生，主要从事智能仪器与智能控制方面的研究。
【关键词】太阳能热水器控制器;单片机;水温水位一体化传感器;继电器;电磁阀
0 引言
太阳能作为绿色能源尤其在太阳能热水器中的应用深得广大用户的好评。但与之配套的太陽能热水器的控制器存在诸多的问题尤其在水温水位一体化传感器工艺的设计、防雷击、漏电和过热保护上影响了其推广和使用。本文就以上太阳能热水器控制器存在的问题进行了研究，并提出了切实有效的解决方案。设计制作的太阳能热水器的控制板如图1所示。
图1 太阳能热水器控制板
1 太阳能热水器控制器的硬件组成
太阳能热水器控制器硬件系统组成框图如图2所示，它以新型单片机STC12C5A60S2为控制核心，外接功能按键电路、水位水温一体化传感器、漏电过热保护电路、电磁阀继电器电流驱动电路、报警蜂鸣器、LED数码管显示电路和系统电源电路等组成。
系统通过水位水温一体化传感器将水箱的水位和水温参数转化为单片机能够识别的电信号，经过软件算法处理实时将水位和水温显示在LED数码管上，系统首次上电后水箱内的水位不足20%时为了避免干晒和干烧，系统会启动蜂鸣器报警同时启
动上水电磁阀进行自动上水，但水位达到100%时自动停止上水，期间用户也可以通过按键进行手动上水;阴雨天气或者阳光不足时可以手动启动电辅加热，当水箱的水温加热到用户的设定温度时系统自动切断电辅加热也可手动随时停止加热;秋冬天气太阳能的上水管极易冻裂系统可以手动启动管道保温功能，最大限度的提高太阳能热水器的使用效率。
图2 太阳能热水器控制器硬件系统组成框图
2系统各功能硬件电路设计
2.1水温水位传感器结构原理
水温水位一体化传感器结构原理如图3所示
图3 水温水位一体化传感器
此水位水温传感器包括1个10K热敏电阻、4个色环电阻、橡胶外套和4段不锈钢弹簧组成。传感器内的热敏电阻和控制器内的5K电阻组成一个串联电路，根据串联分压原理，通过A/D转换单片机即可将水箱内的温度信息进行采样并实时显示和控制。其中热敏电阻的两端包裹有高温导线，此高温导线贯穿于传感器的顶端和末端，最大限度的保证采集温度的准确性。传感器内的的4个色环电阻和4个不锈钢弹簧管之间串联焊接，然后用橡胶包裹固定。其中不锈钢弹簧主要起到增加水位传感器的长度的作用，4个色环电阻将水位分成4个档位，由于包裹在每个档位处的橡胶是导电的，而档位以处的橡胶是绝缘的，不同的水位即可等效为不同的电阻，通过震荡电路即可产生不同的频率，从而实现了水位的检测。
2.2水温水位传感器测试原理
图3中的4个档位不锈钢弹簧对应的水位等效电阻1、2脚接口与图4中的1、2接口相连，等效电阻RF、R1、R2、R3、U1A、U1B和C1构成非对称式多谐震荡器[1]，经过反向驱动器U1C和滤波电容C2整形后接到单片机的P1_0，单片机通过测量P1_0引脚的方波频率即可得到水位的位置。
图4 水温水位传感器信号调理电路
电路的震荡周期由式（1）给出：
T=2.2RFC，= （1）
式中的RF为等效电阻，根据4档水位对应的不同
等效电阻得到不同的信号频率如表1所示：
表1 水位/频率值变换表
图3中的10K负温度系数的热敏电阻与图4中5K电阻R4串联分压后经C3滤波后接到单片机的P1_1（ADC0通道）引脚，通过测量该引脚的水温电压对应的ADC值，再通过查表即可获取水箱内水温值。
单片机P1_1处的电压（2）
式2中的R1为10K热敏电阻的水温阻值。通常将热敏电阻的阻值和水温做成一张表格如表2所示，表格中的每个元素由水温对应的ADC值和水温组成存放在单片机的ROM内，当检测的水温对应的电压AD转换后，通过查表得到对应的水温。电阻R5、R6、R7为压敏电阻【2】。避免水温水位传感器因遭受雷击影响电路控制系统的整体寿命。
表2 水温/电压ADC变换表
2.3上水电磁阀、电辅加热和管道保温继电器驱动电路设计
图5 上水、电加热和水管保温驱动电路
电加热、管道保温继电器和上水电磁阀的驱动电路如图5所示，STC12C5A60S2单片机对于继电器、电磁阀这种大的负载很难驱动，故采用ULN2001A驱动芯片控制电磁阀的线圈通断电。ULN2001A内部集成3路达林顿电流放大电路，只需用单片机的P1_6和P1_7脚在ULN2001A的输入管脚1、2、3输入TTL高电平（5V左右），输出脚8、7、6即可输出最大500MA的控制电流足以驱动电加热和管道保温继电器线圈的工作。单片机的P1_5脚输出高电平通过三极管Q1的饱和导通，即可控制12V的上水电磁阀工作，反之即可关闭上水电磁阀。由于电磁阀线圈关断瞬间产生反向电动势，故采用IN4007二极管吸收反向电流从而保护三极管Q1的使用寿命。图5中的B1、BZ1和BZ3为压敏电阻，保护上水电磁阀、电加热和管道保温继电器线圈遭受雷击的损坏。 2.4系统漏电、过热保护电路设计
图6 漏电检测、过热保护电路
系统保护电路如图6所示，将电感线圈套装在220V的交流电源上，然后将线圈的2根引出线接在J4插座上，二极管D11、D12并接在线圈的两端。电源一当漏电，流过漏电线圈的电流不平衡，线圈将产生感应电压和电流，通过D11、D12构成续流回路，以免互感线圈二次侧开路，产生较高的危险电压[3]。单片机管脚P1_4检测经C11、C12、R10滤波后的漏电电压，一旦漏电发生即可关断继电器，切断电源保护系统和人员的安全。当系统内的温度超出75℃时，单片机P1_3腳检测热敏电阻3470分得的电压变化，从而切断系统电源，起到系统过热保护的作用。
2.5系统电源电路设计
图7 系统电源电路
系统电源电路如图7所示，太阳能控制器系统需要的直流电源有+12V，+5V两种电源，使用变压器将交流220V转化为交流12后，接到接口J1上，经过D1、D2、D3、D4全波整流后，得到12V直流电，经7805稳压后得到5V直流电，电容C1、C2、C3、C4为滤波作用，滤除电源中的高频和低频分量保证系统电源的稳定可靠。
2.6按键、蜂鸣器及LED显示接口电路设计
太阳能热水器控制器系统采用模式选择、加热、保温和上水4个独立按键实现系统的外部输入功能，按键去抖动包括软件和硬件方法，本系统采用软件算法实现按键去抖处理既可靠又降低了系统的硬件成本。LED显示采用的8*8点阵原理（共阳）共64只发光二极管实现水位、水温、时间和特殊功能的显示，LED显示尤其注意驱动电流保证每只发光二极管的工作电流在5～10ms，从而保证显示的亮度。本系统蜂鸣器采用的是脉冲驱动的无源蜂鸣器，一当开机或用户用水的过程中水位低于20%，便触发蜂鸣器，实现声光报警自动上水功能。以上3项子功能电路简单，原理图略。
3 系统软件设计
太阳能热水器控制器系统采用基于C程序[4]的模块化结构编程，包括主程序、自动加热子程序、自动上水子程序、LED数码管动态扫描子程序和按键去抖动算法设计。
按键去抖动[5]采用定时器每2ms中断一次，每次中断读取4个按键的状态并存储起来;连续扫描8次后，看看这连续8次的状态是否一致，8次按键的时间大概是16ms，这16ms内如果按键的状态保持一致，那就确定现在按下的按键处于稳定状态，而非处于抖动阶段，从而实现按键的去抖动。按键从按下到弹起的状态检测过程如图8所示。系统主循环程序根据去抖动后的按键值，执行不同的操作，系统主程序流程图如图9所示。
图8 按键连续扫描判断
图9 主程序流程图
主程序在检测显示水温水位环节，采用数字滤波处理即连续读3次，取排序后的中间值为读取到的水温水位值，提高系统的抗干扰能力。
4 结束语
本次设计实现的太阳能热水器控制器系统主要的创新点有：1）采用自制的水温水位一体化传感器，检测效果稳定可靠，成本低廉;2）具有防雷、漏电和过热保护功能，性价比高较易被用户接受。该系统将以其安装操作方便、显示精度高、稳定可靠等优越性能目前已批量生产，为企业创造了可观的经济和社会效益。附PCB控制板如图10：
图10 太阳能热水器控制板PCB
参考文献：
[1]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2012.P332～P334.
[2]牛小玲.太阳能水温水位控制器设计.实验技术与管理，2014，31（1）：75-76.
[3]马敏.太阳能热水器控制器的设计，河南科学2003，21（2）：225
[4]徐意.单片机技术与应用[M].浙江：浙江大学出版社，2012.
[5]宋雪松.手把手教你学51单片机[M].北京：清华大学出版社，2014.
基金项目：本项目来自浙江省教育厅一般科研项目：新型太阳能热水器控制仪的应用研究，编号：Y201224827。
作者简介：
戴仔龙（1981-），男，江苏南京人，讲师，硕士研究生，主要从事智能仪器与智能控制方面的研究。