摘 要： 針對(duì)太陽(yáng)能熱水器的智能化控制和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能進(jìn)行了研究并提出設(shè)計(jì)方案，給出了整機(jī)原理圖，完成了以STM32F103芯片為核心的測(cè)控電路及各接口電路的設(shè)計(jì)，選用ENC28J60以太網(wǎng)控制器定時(shí)上傳數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)功能做好準(zhǔn)備。控制器具有良好的人機(jī)交互功能及初步智能化特征。
關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)能熱水器；智能控制；網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用，家用電器的功能越來(lái)越多[1]，對(duì)它的智能控制要求也越來(lái)越高。本控制器以STM32F103ZE為核心，可以智能檢測(cè)當(dāng)前的水溫水位，判決加熱及上水；數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口上傳。
1 總體設(shè)計(jì)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(cè)量電路（包括水位測(cè)量和水溫測(cè)量）、顯示電路、用戶(hù)面板、數(shù)據(jù)采樣與存儲(chǔ)電路以及基本控制模塊，實(shí)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(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)的處理；操作電路采用獨(dú)立式按鍵，設(shè)定參數(shù)并選擇功能；使用數(shù)字溫度傳感器采集實(shí)時(shí)水溫，傳感器采集表示水位的電壓信號(hào)；存儲(chǔ)電路用來(lái)存儲(chǔ)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(lái)實(shí)時(shí)顯示各種數(shù)據(jù)；基本控制電路直接用控制信號(hào)輸出到繼電器、控制觸點(diǎn)開(kāi)閉來(lái)完成；網(wǎng)絡(luò)接口電路用來(lái)上傳數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。
2 關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)
2.1 電路主控核心
意法半導(dǎo)體公司的微控制器產(chǎn)品STM32系列資源豐富，有強(qiáng)大的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)支持，并同時(shí)支持以太網(wǎng)接口，在設(shè)計(jì)上提供了最大的便捷。最終選定的STM32F103ZE[2]增強(qiáng)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(jiǎn)單的復(fù)位操作和外部晶振即可搭建完成，內(nèi)部的復(fù)位信號(hào)在NRST引腳上輸出，在每路電源引線(xiàn)處都并聯(lián)一個(gè)0.1 μF的電容用于消除電源的高頻干擾。
2.2 水位檢測(cè)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(cè)報(bào)警電路，使用壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
集成電路UN2003（IC6）是一個(gè)非門(mén)電路，其內(nèi)部是7通道達(dá)林頓矩陣電路。水箱中的P1～P6電極探針?lè)謩e與IC6的輸入端相連（選擇了6個(gè)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(yīng)指示。STM32通過(guò)檢測(cè)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(shí)，立即控制電磁閥開(kāi)始注水；此時(shí)水位上升，信息送入控制芯片，將當(dāng)前水位與設(shè)定水位進(jìn)行比較判斷操作，發(fā)光二極管相應(yīng)點(diǎn)亮顯示當(dāng)前水位狀態(tài)；一旦達(dá)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(cè)電路
采用I2C總線(xiàn)型數(shù)字溫度傳感器芯片LM75來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量，測(cè)量范圍能夠達(dá)到-55 ℃～+125 ℃，同時(shí)具備自校準(zhǔn)功能[3]。將LM75焊接在遠(yuǎn)離高壓電源又能良好傳導(dǎo)水箱內(nèi)水溫的獨(dú)立位置，芯片將測(cè)量的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存入內(nèi)部溫度寄存器，獲得讀指令時(shí)，I2C兼容的2線(xiàn)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(guò)I2C總線(xiàn)與STM32連接，進(jìn)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(dāng)溫度上升到TOS寄存器設(shè)置的門(mén)限時(shí)（預(yù)設(shè)的水溫），觸發(fā)OS報(bào)警輸出，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dāng)檢測(cè)到的水溫低于設(shè)定溫度時(shí)，STM32輸出控制信號(hào)使光耦內(nèi)部發(fā)光二極管發(fā)光，觸發(fā)光敏三極管導(dǎo)通，繼電器線(xiàn)圈得電使常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，輔助加熱器電路接通、開(kāi)始加熱，并點(diǎn)亮相應(yīng)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(duì)象變?yōu)殡姶砰y的通斷電。
2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路
STM32F103ZE采用FSMC（可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器）技術(shù)，能與異步或同步存儲(chǔ)器及16位的PC存儲(chǔ)器卡接口，能按需要進(jìn)行外部存儲(chǔ)器[4]擴(kuò)展。
NAND Flash存儲(chǔ)器采用三星公司128 MB的K9F1-G08U芯片，儲(chǔ)存太陽(yáng)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(lái)存放液晶屏字庫(kù)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(chǔ)的數(shù)據(jù)，用于擴(kuò)展數(shù)據(jù)緩存。
3 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)
目前圍繞以太網(wǎng)進(jìn)行的技術(shù)開(kāi)發(fā)早已涉及各類(lèi)企業(yè)和家庭網(wǎng)絡(luò)[5]，把家電順利連接到互聯(lián)網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)安全高效的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集是應(yīng)用的關(guān)鍵。
本設(shè)計(jì)采用美國(guó)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(wú)需另加驅(qū)動(dòng)電路。選用STM32的PB13作串行時(shí)鐘SCK，PB12作片選信號(hào)CS，PB14作數(shù)據(jù)輸出，PB15作數(shù)據(jù)輸入。通過(guò)對(duì)CS腳的使能與置位設(shè)定在讀寫(xiě)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(luò)有關(guān)的4個(gè)引腳連到網(wǎng)絡(luò)接口，選擇專(zhuān)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(jìn)行UDP和IP封裝。再通過(guò)SPI寫(xiě)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(dòng)生成前導(dǎo)符和幀首定界符，并添加一個(gè)包控制字節(jié)。
4 軟件設(shè)計(jì)
使用KeilμVision4 IDE開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可直接進(jìn)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(gè)循環(huán)主體，首先完成系統(tǒng)的上電初始化（時(shí)鐘、I/O口、定時(shí)器、中斷源以及全局變量），之后進(jìn)行按鍵檢測(cè)，有按鍵就響應(yīng)按鍵要求，沒(méi)有按鍵就進(jìn)行一系列任務(wù)處理：完成對(duì)系統(tǒng)外圍接口電路的檢測(cè)、數(shù)據(jù)判斷與自動(dòng)控制以及數(shù)據(jù)的讀取保存和向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送等，數(shù)據(jù)及電路狀態(tài)通過(guò)顯示電路告知用戶(hù)。
該控制器以STM32為核心，能實(shí)時(shí)采集水溫、水位信息并進(jìn)行顯示；將設(shè)定的水溫、水位與當(dāng)前水溫、水位進(jìn)行比較，自動(dòng)在太陽(yáng)能加熱與電加熱中轉(zhuǎn)換，并按設(shè)定值自動(dòng)上水；間隔固定時(shí)間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口向外傳送水溫、水位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。
參考文獻(xiàn)
[1] 趙葵銀，唐勇奇.用網(wǎng)絡(luò)接口芯片PS2000實(shí)現(xiàn)智能化家電與Internet連接[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2001，27(5)：75-77.
[2] 劉隆吉.便攜式動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研究[D].山東：山東科技大學(xué)，2010.
[3] Maxim.LM75傳感器[EB/OL][2009-03-10].http：//china.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/6004.
[4] 潘輝.FSMC機(jī)制的NOR Flash存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009(10)：31-34.
[5] LIM H K，JEONG D K，KIM K T.A single-chip storage LSI for home networks[J].IEEE Communications Magazine，2005，43(5)：141-148.
[6] MURRAY C J.Ethernet chip aimed at embedded market[J]. Design News，2005，60(10)：44-50.