STC12C5A60S2单片机的太阳能智能控制系统设计与制作
一、引 言 1
（一）课题背景 1
二、设计方案分析 2
（一）太阳能热水器的基本原理 3
（二）太阳能热水器控制器的测量方案 4
1液位测量方案 4
2 水温测量方案 7
三、系统硬件电路设计 10
（一）单片机系统 23
1单片机选型 23
2单片机晶振电路和复位电路 25
（二）水位测量电路 10
（三）水位控制电路 10
（四）水温测量电路 11
（五）时钟模块 16
（六）液晶显示和键盘模块 18
1液晶显示模块 18
2 键盘模块 20
（七） 直流电源设计 21
1变压器 21
2整流电路 22
3滤波电路 22
4稳压电路 22
四、软件设计 27
（一）系统主程序设计 28
（二）用户交互单元设计 29
（三）数据采集单元设计 30
五、系统调试 33
（一）水位水温控制调试 33
（二）实物展示 36
六、展望 38
七、结束语 39
参 考 文 献 40
致 谢 41
附 录A 42
一、引 言
课题背景
当今社会能源是一大问题，人们生活需求不断扩张，所以节能是最重要的行动。想到节能那首要想到的就是太阳能，太阳能是当今讨论研究的重要话题，生活中现在不断的出现用太阳能来代替传统的其他能源方式，例如太阳能电灯，太阳能小车，太阳能交通 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
指示灯，太阳能热水器等等。而与生活最贴近的当然是太阳能热水器，有了太阳能热水器的研究人们的生活更加便捷。
本文设计了主要以单片机 STC12C5A60S2单片机为中央处理，自己设计压力液位传感器来测量水位，测量水温用 DS18B20温度传感器，DS1302时钟芯片作为时间控制。设计键盘输入，12864作为显示。以往的设计测量水温和水位会有很大的误差，而本文的设计减少了很多误差精确度和使用率也大大提高。
二、设计方案分析
（一）太阳能热水器制热原理
太阳能是由真空集热管，储水箱组成，通过太阳辐射对真空集热管加热把太阳能转化为热能，集热管受太阳光照射的那一面温度高，集热管不受阳光照射面温度低，从而集热管内的水便产生温差反应，根据水的热水上浮冷水下沉的原理，可以使水产生微循环，从而实现对水箱中冷水进行加热的目的。
图1 太阳能热水器原理图
图2太阳能控制器系统框图
（二）太阳能智能热水器测量方案
设计一个成本低、可靠性高、测量精度高、安装调试方便的水位、水温测量系统是该设计的关键，所以我们对液位测量的方案的设计很重要，在测量的方法上面需要考虑成本可靠性，测量精度都要有所改善。
1、液位测量方案
传统的工业液位传感器包括静压液位计、液位变送器、液位传感器、水位传感器，它是一种测量液位的压力式传感器。投入式静压液位变送器（液位计）是根据所测液体静压和该液体的高度成一定的比例的原理，它采用国外先进的是隔离型扩散硅敏感元件或者是陶瓷电容压力敏感元件，将静压转换为电压或电流信号，然后再经过温度补偿和一定的线性修正，讲非标准的转化成标准的电信号（一般为4—20 mA／1—5 V DC）[5]。
这种设计稳定性好并且具有反向保护和限流保护的电路，当安装时正负极被接反不会损坏变送器，但是价格太高，家用太阳能使用这样的设计不太经济，所以本文采用改装自制气体压力传感器为液位传感器，
自制气体压力传感器主要的用到的元件是一种对气体压强敏感的薄膜，薄膜连接了一个柔性的电阻器。当水位升高时压力传感器发生形变使电阻值发生变化，当电阻器的电阻值发生变化时，经过A/D转换把分压元件0-5 V的电压信号传送给数据采集器，数据会被单片机分析出结果然后处理执行。
通过以上分析自制的压力传感器来测量水位，将管道密封与气体压力传感器相连，管道另一端连接到水箱的底部，水和传感器之间通过密封的空气，当水位升高时，密封的气体压力增大，最后装置在顶部将压力信号转换成电信号，让后续电路处理，通过系统软件计算水位与气体压力之间的关系，测得水位的事实高度。
图7 自制液位传感器示意图
2、 水温的测量
l 测温模块设计方案
集成测温选用DS18B20传感器，DS18B20是一线式数字温度传感器，它具有3个引脚的To－92小体积封装；DS18B20 传感器测量范围为－55 ℃～＋125 ℃[3]，测量温度的精确度可达0.0625 ℃，此款传感器测量的准确度也是达到常用的要求，但是DS18B20传感器不可以放在水里所以需要选择合适的位置。
综上所述：限位开关式测量水位准确度不高，所以选择自制液位传感器测量方案。老式的NTC测温需要温度补偿电路，而且线性度较低，而且NTC热电阻阻值随温度变化不是严格的线性，增加了数据处理难度。所以在温度测量方案中该设计选择DSA18B20集成温度传感器测量方案。
三、硬件电路设计
（一）单片机系统
单片机亦称单片微电脑或单片微型计算机，它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机[18]。
1.单片机选型
STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、抗干扰的新一代单片机，代码指令完全兼容传统8051，但速度要比普通8051单片机快12倍。它内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM波电路，8路高速10位A/D转换（250 K/S，即25万次每秒）电路。
液位采集模块中用到A/D，STC12C5A60S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换在P1口，有八路10位高速A/D转换器，速度可达25万次每秒。STC12C5A60S2单片机ADC由多路选择开关、比较器、逐次比较寄存器、转换结果寄存器构成,逐次比较型A/D由一个比较器和D/A器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位（MSB0）开始，顺序地对每一输入电压与内置的D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值，逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点[18]。单片机系统如图25所示。
图25 单片机引脚图
2.单片机晶振电路和复位电路
图13 单片机控制水位继电器原理图
继电器驱动电路的工作原理是，当继电器线圈通电后，线圈中的铁芯产生强大的电磁力，吸动衔铁带动簧片，使触点1、2断开，1、3接通。当线圈断电后，弹簧使簧片复位，使触点1、2接通，1、3断开。1、2间接控制电路端口（1、2称为常闭触点）或触点1、3间（称为常开触点），继电器就可以达到控制电路的目的。三个引脚的中间引脚是公共引脚，另外两个引脚是线圈，即接驱动端。另外2个脚那边分别是常开和常闭触点。当继电器吸合LED指示灯形成回路，从而发光指示用户正在上水。继电器启动吸合动作需要较大的电流，而保持吸合动作只需要较小的电流即可，所以采用一个47 uf的C23电容储能来提供继电器吸合的能量。继电器保持吸合时采用一个47欧姆的R4电阻进行限流，从而降低整体的功耗。因为继电器吸合和断开时会产生较大的浪涌电流，会对系统的其他电路产生不利影响，所以采用D10作为为保护电路，用来吸收由于继电器开闭产生的浪涌电流[10]。
（一）课题背景 1
二、设计方案分析 2
（一）太阳能热水器的基本原理 3
（二）太阳能热水器控制器的测量方案 4
1液位测量方案 4
2 水温测量方案 7
三、系统硬件电路设计 10
（一）单片机系统 23
1单片机选型 23
2单片机晶振电路和复位电路 25
（二）水位测量电路 10
（三）水位控制电路 10
（四）水温测量电路 11
（五）时钟模块 16
（六）液晶显示和键盘模块 18
1液晶显示模块 18
2 键盘模块 20
（七） 直流电源设计 21
1变压器 21
2整流电路 22
3滤波电路 22
4稳压电路 22
四、软件设计 27
（一）系统主程序设计 28
（二）用户交互单元设计 29
（三）数据采集单元设计 30
五、系统调试 33
（一）水位水温控制调试 33
（二）实物展示 36
六、展望 38
七、结束语 39
参 考 文 献 40
致 谢 41
附 录A 42
一、引 言
课题背景
当今社会能源是一大问题，人们生活需求不断扩张，所以节能是最重要的行动。想到节能那首要想到的就是太阳能，太阳能是当今讨论研究的重要话题，生活中现在不断的出现用太阳能来代替传统的其他能源方式，例如太阳能电灯，太阳能小车，太阳能交通 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
指示灯，太阳能热水器等等。而与生活最贴近的当然是太阳能热水器，有了太阳能热水器的研究人们的生活更加便捷。
本文设计了主要以单片机 STC12C5A60S2单片机为中央处理，自己设计压力液位传感器来测量水位，测量水温用 DS18B20温度传感器，DS1302时钟芯片作为时间控制。设计键盘输入，12864作为显示。以往的设计测量水温和水位会有很大的误差，而本文的设计减少了很多误差精确度和使用率也大大提高。
二、设计方案分析
（一）太阳能热水器制热原理
太阳能是由真空集热管，储水箱组成，通过太阳辐射对真空集热管加热把太阳能转化为热能，集热管受太阳光照射的那一面温度高，集热管不受阳光照射面温度低，从而集热管内的水便产生温差反应，根据水的热水上浮冷水下沉的原理，可以使水产生微循环，从而实现对水箱中冷水进行加热的目的。
图1 太阳能热水器原理图
图2太阳能控制器系统框图
（二）太阳能智能热水器测量方案
设计一个成本低、可靠性高、测量精度高、安装调试方便的水位、水温测量系统是该设计的关键，所以我们对液位测量的方案的设计很重要，在测量的方法上面需要考虑成本可靠性，测量精度都要有所改善。
1、液位测量方案
传统的工业液位传感器包括静压液位计、液位变送器、液位传感器、水位传感器，它是一种测量液位的压力式传感器。投入式静压液位变送器（液位计）是根据所测液体静压和该液体的高度成一定的比例的原理，它采用国外先进的是隔离型扩散硅敏感元件或者是陶瓷电容压力敏感元件，将静压转换为电压或电流信号，然后再经过温度补偿和一定的线性修正，讲非标准的转化成标准的电信号（一般为4—20 mA／1—5 V DC）[5]。
这种设计稳定性好并且具有反向保护和限流保护的电路，当安装时正负极被接反不会损坏变送器，但是价格太高，家用太阳能使用这样的设计不太经济，所以本文采用改装自制气体压力传感器为液位传感器，
自制气体压力传感器主要的用到的元件是一种对气体压强敏感的薄膜，薄膜连接了一个柔性的电阻器。当水位升高时压力传感器发生形变使电阻值发生变化，当电阻器的电阻值发生变化时，经过A/D转换把分压元件0-5 V的电压信号传送给数据采集器，数据会被单片机分析出结果然后处理执行。
通过以上分析自制的压力传感器来测量水位，将管道密封与气体压力传感器相连，管道另一端连接到水箱的底部，水和传感器之间通过密封的空气，当水位升高时，密封的气体压力增大，最后装置在顶部将压力信号转换成电信号，让后续电路处理，通过系统软件计算水位与气体压力之间的关系，测得水位的事实高度。
图7 自制液位传感器示意图
2、 水温的测量
l 测温模块设计方案
集成测温选用DS18B20传感器，DS18B20是一线式数字温度传感器，它具有3个引脚的To－92小体积封装；DS18B20 传感器测量范围为－55 ℃～＋125 ℃[3]，测量温度的精确度可达0.0625 ℃，此款传感器测量的准确度也是达到常用的要求，但是DS18B20传感器不可以放在水里所以需要选择合适的位置。
综上所述：限位开关式测量水位准确度不高，所以选择自制液位传感器测量方案。老式的NTC测温需要温度补偿电路，而且线性度较低，而且NTC热电阻阻值随温度变化不是严格的线性，增加了数据处理难度。所以在温度测量方案中该设计选择DSA18B20集成温度传感器测量方案。
三、硬件电路设计
（一）单片机系统
单片机亦称单片微电脑或单片微型计算机，它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机[18]。
1.单片机选型
STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、抗干扰的新一代单片机，代码指令完全兼容传统8051，但速度要比普通8051单片机快12倍。它内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM波电路，8路高速10位A/D转换（250 K/S，即25万次每秒）电路。
液位采集模块中用到A/D，STC12C5A60S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换在P1口，有八路10位高速A/D转换器，速度可达25万次每秒。STC12C5A60S2单片机ADC由多路选择开关、比较器、逐次比较寄存器、转换结果寄存器构成,逐次比较型A/D由一个比较器和D/A器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位（MSB0）开始，顺序地对每一输入电压与内置的D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值，逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点[18]。单片机系统如图25所示。
图25 单片机引脚图
2.单片机晶振电路和复位电路
图13 单片机控制水位继电器原理图
继电器驱动电路的工作原理是，当继电器线圈通电后，线圈中的铁芯产生强大的电磁力，吸动衔铁带动簧片，使触点1、2断开，1、3接通。当线圈断电后，弹簧使簧片复位，使触点1、2接通，1、3断开。1、2间接控制电路端口（1、2称为常闭触点）或触点1、3间（称为常开触点），继电器就可以达到控制电路的目的。三个引脚的中间引脚是公共引脚，另外两个引脚是线圈，即接驱动端。另外2个脚那边分别是常开和常闭触点。当继电器吸合LED指示灯形成回路，从而发光指示用户正在上水。继电器启动吸合动作需要较大的电流，而保持吸合动作只需要较小的电流即可，所以采用一个47 uf的C23电容储能来提供继电器吸合的能量。继电器保持吸合时采用一个47欧姆的R4电阻进行限流，从而降低整体的功耗。因为继电器吸合和断开时会产生较大的浪涌电流，会对系统的其他电路产生不利影响，所以采用D10作为为保护电路，用来吸收由于继电器开闭产生的浪涌电流[10]。
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