陳潤，趙玉榮　金建　嚴冬　馬敏

摘要：結(jié)合太陽能熱水器的具體應用，設計了基于互聯(lián)網(wǎng)的智能化控制器。系統(tǒng)采用ARM單片機，利用W5500以太網(wǎng)模塊獲取網(wǎng)絡天氣數(shù)據(jù)，單片機通過分析用戶設定需求和天氣數(shù)據(jù)及太陽能熱水器狀態(tài)，從而控制太陽能水箱達到用戶用水需求。

關鍵詞：STM32；W5500；以太網(wǎng)控制器

中圖分類號：TP312 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）31-0042-02

Design of Control System for Solar Water Heater Based on Network

CHEN Run， ZHAO Yu-rong， JIN Jian， YAN Dong， MA Ming

（School of Electronics and Communication Engineering， Anhui Xinhua University， Hefei 230088 ， China）

Abstract：Based on the specific application of solar water heater， intelligent controller Based on Internet is designed. The system adopts ARM single-chip microcomputer and USES the W5500 Ethernet module to obtain the network weather data. The single-chip microcomputer can control the solar water tank to meet the users' demand by analyzing the user's requirements and weather data and the state of the solar water heater.

Key words： STM32； W5500； Ethernet controller

由于太陽能熱水器的水溫會隨每天的天氣和和所處的季節(jié)變化而變化，因而太陽能熱水器需要輔助加熱裝置才能保證全天候使用到熱水。目前市場上大多數(shù)太陽能熱水器的控制系統(tǒng)安裝復雜、功能單一、控制不方便等問題，許多熱水器不能設定用戶對熱水需求，從而浪費電能。因此設計出一種能夠?qū)崿F(xiàn)控制器獲取當天的天氣情況與陽光照射情況結(jié)合用戶每天平均用水量，在用戶非用水時間段對熱水器水箱內(nèi)補充水量，同時能夠在每天用戶用水時間段的水溫PID控制，達到用戶設定的溫度。

1 控制器的主要功能

控制系統(tǒng)具有以下功能：

1） 水溫預置，當太陽能熱水器水溫高于預置溫度的時候，會自動向水箱里補充水位（水箱未滿的情況下）；當在用戶用水時間段檢測水溫過低的時候，將啟動電加熱至設定的溫度。

2） 智能水位，系統(tǒng)將會根據(jù)用戶的每日平均最高熱水需求量，在每日最后用水時間段厚，系統(tǒng)控制電磁閥向水箱補充該水量的水位。

3） 網(wǎng)絡服務，連接因特網(wǎng)，獲取氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)預測的天氣情況，設定相應的水箱水位（但不低于用戶平均最高用水量）；將水箱里水位和水位等數(shù)據(jù)發(fā)送到Y(jié)eelink服務器，用戶可以在外通過手機就可以觀察數(shù)據(jù)情況。

2 控制器硬件及其設計

本系統(tǒng)以單片機STM32F103C8T6為控制器，主要部件采用西子TMC水溫水位探頭和德力西電磁水閥。

2.1W5500以太網(wǎng)絡控制器

W5500是WIZnet推出的高性能以太網(wǎng)接口芯片系列之一，內(nèi)部集成全硬件TCP/IP協(xié)議棧+MAC+PHY。全硬件協(xié)議棧技術采用硬件邏輯門電路實現(xiàn)復雜的TCP/IP協(xié)議簇，其應用具有簡單快速、可靠性高、安全性好等顯著優(yōu)勢；內(nèi)部集成MAC和PHY工藝，使得單片機接入以太網(wǎng)方案的硬件設計更為簡捷和高效。

2.2 水溫水位檢測原理

太陽能熱水器的控制器通過“水位水溫傳感器”的電阻變化來檢測水位和水溫變化，從而自動控制進水、加熱等功能。

水位檢測原理：利用自來水能導電的性質(zhì)，輸出端有紅藍兩端，當達到不同的水位輸出端會呈現(xiàn)五種不同的阻值，通過放大電路放大信號之后由單片機AD轉(zhuǎn)換從而分辨出不同的水位。

水溫檢測原理：溫度傳感器電路將測量到的溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出到信號放大電路，與溫度值對應的電壓信號經(jīng)放大后輸出至A/D換電路。最后采集到的水溫水位把電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)根據(jù)顯示需要對數(shù)字量進行處理，再送溫度顯示系統(tǒng)進行顯示。

3 控制器軟件設計

根據(jù)對太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)的功能要求， 設計了如圖3所示的程序流程圖。

本系統(tǒng)基于μC/OS-II而設計，μC/OS-II是一種結(jié)構精簡而實用的實時操作系統(tǒng)由于其是開放性源碼，μC/OS-II系統(tǒng)具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點。首先系統(tǒng)初始化化后，對所有傳感器外設檢測復位并初始化，若檢測到某一傳感器無法正常工作，系統(tǒng)立即做出警告提示。

3.1 水位水溫檢測控制功能設計

本系統(tǒng)設置了5個檔水位即20%，40%，60%，80%，100%，模擬量接口的輸入電壓范圍0～3.3V，經(jīng)過濾波處理后，由單片機進行ADC電壓采集。實際采集到的ADC數(shù)據(jù)經(jīng)過換算得到實際電壓，即

[V=Vadc4096*3.3V ]

根據(jù)計算后得到的電壓值0.66V，1.32V，1.98V，2.64V，3.3V分別對應20%，40%，60%，80%，100%的水位。

溫度傳感器符合阻溫特性曲線，當單片機采集到ADC電壓值，先計算回路熱敏電阻的阻值，然后有溫度計算公式計算出當前溫度，其溫度計算公式如下

[T1=BT2T2*lnRtR+B]

其中[T2]=（273.15+25）Rt是熱電阻在[T1]溫度下的阻值，R是在[T2]常溫下的阻值，B是熱敏電阻的重要參數(shù)5800。

3.2W5500網(wǎng)絡通信功能設計

采用STM32微控制器和W5500芯片搭建的網(wǎng)絡系統(tǒng)，結(jié)構簡單、易于實現(xiàn)。發(fā)揮了STM32芯片內(nèi)核低成本低功耗的特性，同時W5500 內(nèi)嵌了TCP/IP 協(xié)議棧，連接過程是不需要單片機干預的，所以我們只需要設計Socket接口。這樣簡化了設計流程，對系統(tǒng)有很大的提升。在μC/OS系統(tǒng)中進行以太網(wǎng)的通信還必須先創(chuàng)建一個以太網(wǎng)任務并且把任務添加到μC/OS系統(tǒng)中的任務列表中來。

當Socket作為客戶機時，初始化端口需要設置運行模式（Sn_MR）和本機端口號（Sn_Port），然后端口命令寄存器打開（OPEN）端口，調(diào)用Socket_Connect（）程序連接服務器，并等待連接工作完成。端口交換數(shù)據(jù)需要通過Socket_send（）和Socket_recv（）實現(xiàn)數(shù)據(jù)包傳輸。接下來，只需要向服務器發(fā)送http數(shù)據(jù)包和處理返回數(shù)據(jù)包，就能完成狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳及天氣數(shù)據(jù)的獲取。

4 結(jié)束語

利用單片機與網(wǎng)絡的相結(jié)合，解決了目前太陽能熱水器用戶急待解決的智能化管理問題，減輕了使用者的現(xiàn)場操作精力，節(jié)約能源，具有很好的市場前景。同時，該控制器由于成本低廉，操作方便，容易為用戶接受，有較好的推廣和經(jīng)濟價值。

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