基于STM32微处理器的热水器控制器的设计

赵淑萍 鹿传架

【摘 要】本文采用STM32单片机作为核心处理器，利用内部RTC万年历，为系统提供时间及日期，使用固态继电器进行电平等级转换，控制时间由单片机内部的定时器计数器提供，由数字式温度传感器DS18B20读取外部温度数据并传输到计算机内部。由液晶屏LCD1602显示温度、时间，联合控制开关输出想要的数据。可以实现人机交互、水位控制、温度控制、漏电保护及声音报警等功能，本系统工作可靠稳定、抗干扰能力强，大大提高了电热水器的安全性、智能化和数字化。

【关键词】STM32单片机；液晶屏LCD1602；温度传感器DS18B20

一、设计方案

（一）系统整体设计方案

图1 系统整体设计方案

（二）实现功能

设计的智能电热水器将要实现的功能：1、对温度精确控制；2、可靠的水位采集电路，实时采集水位供查询时进行显示，当水位过低时给出提示并停止加热，防止干烧；3、开机方式有立即开机和定时开机两种；4、自动检测热水器是否处于正常工作状态，并具有调温、恒温、防干烧、防超高温、防漏电等多项自检功能，使用户在使用过程中安全更有保障。

二、硬件设计

（一）人机交互电路设计

人机交互界面包括键盘与液晶显示两部分，通过键盘操作实现对电热水器的控制操作，从液晶显示界面了解热水器的工作参数与状态。其中，通过键盘进行的操作主要有设定水位和温度，液晶显示部分显示设定水位和温度值，以及当前的水位和温度值。

1、矩阵式键盘。为了方便智能热水器控制器功能的选择，我们采用矩阵式键盘，矩阵式键盘的工作原理：按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到+5V电源上。无按键按下时，行线处于高电平的状态，而当有按键按下时，行线电平与此行线相连的列线电平决定。

2、液晶显示。液晶显示器是一种采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。和CRT显示器相比，LCD的优点是很明显的。由于通过控制是否透光来控制亮和暗，当色彩不变时，液晶也保持不变，这样就无须考虑刷新率的问题。本系统显示部分用的是LCD液晶模块，采用一个16×2的字符型液晶显示模块。

LCD1602液晶模块采用HD44780控制器[1]，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，完全满足本系统设计的显示需求。

（二）温度采集电路设计

本系统设计所选取的温度传感器型号为DS18B20，该传感器由美国达拉斯公司研发设计，采集到的温度值以9位数字的形式进行显示[2]。DS 18B20为采用串口方式进行数据传输的单总线数字温度传感器，在其芯片内部集成了温度测量和A/D转换功能，具有单总线结构，能直接与微机相连，数字量直接输出；既可以用它组成单路测温电路，也可以用它组成多路测温电路。在硬件电路设计上，DS18B20与单片机的连接方式有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，DQ引脚与单片机的I/O口线相连；另一种是用寄生电源供电，此时Vcc、GND接地，DQ引脚与单片机I/O口连接。无论是内部寄生电源供电还是外部供电，I/O口线都要接5KΩ的上拉电阻，因为当传感器DS 18B20处于写存储器操作和温度A/D转换步骤时，在总线上必须有较强的上拉，上拉开启时间最大为l0us，这样操作可以有效地降低功耗。本系统采用外部3.3V供电的方式，其电路连接如图2所示。

图2 DS18B20温度采集电路

（三）水位检测电路

本系统中的水的深度是通过不同深度的水位与水底电极之间的电势差来判断的。具体检测原理如下：第一，单片机轮流向不同水位的电极输出高电平；第二，通过公共电极来实现对不同水位的电位转换，如果水位达到对应的电极，那么输出低电平，反之输出高电平；第三，循环检测电压值，每次得到4个串行数据，通过对该数据进行分析来实现对水位的判断，然后通过显示屏显示，从而完成对水位的检测过程。

（四）漏电检测及报警电路

为了保证热水器使用者的安全，漏电检测功能是控制器必须具备的功能[3]。检测电路，在正常情况下，漏电检测集成电路输出低电平；当出现漏电电流时，漏电信号可以经过集成电路M54123L放大输出并经三极管倒相后输出至CPU。CPU接收到漏电信号，则停止加热保温及键盘操作，结束程序并发出报警信号，电源指示灯闪烁警示，蜂鸣器连续呜响。

三、软件设计

（一）主程序流程图

该控制器的功能实现是通过键盘扫描和温度传感器以及水位传感器（探针式）循環扫描，把信息传递给单片机。通过单片机中已编的程序来控制外部加热装置和进、出水装置的。该控制器的所有功能只需要在键盘上操作就可以完成。

首先单片机一直在循环检测温度和水位以及在循环扫描键盘。循环检测温度和水位就是要适时地把当前的水温和水位反映出来。键盘扫描主要是便于适时的接受用户的操作信息，从而就可以达到我们控制和设置水温水位的目的。该控制电路的程序流程图如图3所示：

【参考文献】

[1]于志赣.LCD1602模块的应用[J].机电技术，2009 （3） ：5-8.

[2]高峰，孙成权，刘全根等.太阳能开发利用的现状及发展趋势[J].世界科技研究与发展，2001， 23 （4） ： 35-39.

[3]季晓芳，张春来.家用电热水器控制系统的实验研究[J].电子测试，2009 （10） ：77-80.