摘  要： 針對太陽能熱水器的智能化控制和網絡監控功能進行了研究并提出設計方案，給出了整機原理圖，完成了以STM32F103芯片為核心的測控電路及各接口電路的設計，選用ENC28J60以太網控制器定時上傳數據，為實現局域網功能做好準備?？刂破骶哂辛己玫娜藱C交互功能及初步智能化特征。
關鍵詞： 太陽能熱水器；智能控制；網絡接口

    隨著以微控制器為代表的嵌入式控制技術的充分應用，家用電器的功能越來越多[1]，對它的智能控制要求也越來越高。本控制器以STM32F103ZE為核心，可以智能檢測當前的水溫水位，判決加熱及上水；數據通過網絡接口上傳。
1 總體設計方案
    根據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）、測量電路（包括水位測量和水溫測量）、顯示電路、用戶面板、數據采樣與存儲電路以及基本控制模塊，實際電路模塊結構以及各電路基本功能如圖1所示。

    控制器電路中以STM32芯片為系統核心，負責各種數據的處理；操作電路采用獨立式按鍵，設定參數并選擇功能；使用數字溫度傳感器采集實時水溫，傳感器采集表示水位的電壓信號；存儲電路用來存儲系統的程序代碼、數據等；顯示電路用LED顯示電路狀態、LCD來實時顯示各種數據；基本控制電路直接用控制信號輸出到繼電器、控制觸點開閉來完成；網絡接口電路用來上傳數據、實現系統的遠程網絡監控。
2 關鍵硬件設計
2.1 電路主控核心
    意法半導體公司的微控制器產品STM32系列資源豐富，有強大的嵌入式實時操作系統支持，并同時支持以太網接口，在設計上提供了最大的便捷。最終選定的STM32F103ZE[2]增強型系列芯片使用高性能的ARM CortexTM-M3 32位RISC內核，電路最小系統只需最簡單的復位操作和外部晶振即可搭建完成，內部的復位信號在NRST引腳上輸出，在每路電源引線處都并聯一個0.1 μF的電容用于消除電源的高頻干擾。
2.2 水位檢測電路
    電路采用了由UN2003集成電路和探針電極組成的水位檢測報警電路，使用壽命長，結構簡單，電路結構如圖2所示。

    集成電路UN2003（IC6）是一個非門電路，其內部是7通道達林頓矩陣電路。水箱中的P1～P6電極探針分別與IC6的輸入端相連（選擇了6個通道，也可在電極與引腳間接入電阻）。IC6輸出端的發光二極管作為水位狀態指示。水位每上升20%都可得到相應指示。STM32通過檢測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，立即控制電磁閥開始注水；此時水位上升，信息送入控制芯片，將當前水位與設定水位進行比較判斷操作，發光二極管相應點亮顯示當前水位狀態；一旦達到最高水位，判“溢出”，立即控制電磁閥停止注水。
2.3 水溫檢測電路
    采用I2C總線型數字溫度傳感器芯片LM75來進行溫度測量，測量范圍能夠達到-55 ℃～+125 ℃，同時具備自校準功能[3]。將LM75焊接在遠離高壓電源又能良好傳導水箱內水溫的獨立位置，芯片將測量的溫度轉換為數字信號存入內部溫度寄存器，獲得讀指令時，I2C兼容的2線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I2C總線與STM32連接，進行數據傳輸，在從屬狀態工作。采集到的溫度數據直接以數字方式傳輸，提高了系統的抗干擾性。當溫度上升到TOS寄存器設置的門限時（預設的水溫），觸發OS報警輸出，可實現對水箱水溫的控制。
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。當檢測到的水溫低于設定溫度時，STM32輸出控制信號使光耦內部發光二極管發光，觸發光敏三極管導通，繼電器線圈得電使常開觸點吸合，輔助加熱器電路接通、開始加熱，并點亮相應指示燈。
    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，只是控制對象變為電磁閥的通斷電。
2.5 數據存儲電路
    STM32F103ZE采用FSMC（可變靜態存儲控制器）技術，能與異步或同步存儲器及16位的PC存儲器卡接口，能按需要進行外部存儲器[4]擴展。
    NAND Flash存儲器采用三星公司128 MB的K9F1-G08U芯片，儲存太陽能熱水器的溫度、水位等重要工作參數。NOR Flash采用AMD公司16 MB的AM29LV160D芯片，用來存放液晶屏字庫文件和系統表格。采用IS61LV25616作為SRAM，不需要刷新電路即能保存它內部存儲的數據，用于擴展數據緩存。
3 網絡接口設計
    目前圍繞以太網進行的技術開發早已涉及各類企業和家庭網絡[5]，把家電順利連接到互聯網、實現安全高效的遠程數據采集是應用的關鍵。
    本設計采用美國微芯科技公司（Microchip）的以太網控制器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，輸入輸出無需另加驅動電路。選用STM32的PB13作串行時鐘SCK，PB12作片選信號CS，PB14作數據輸出，PB15作數據輸入。通過對CS腳的使能與置位設定在讀寫操作和工作狀態間轉化。

    ENC28J60的SPI接口與STM32相連接，而與網絡有關的4個引腳連到網絡接口，選擇專用的帶有變壓器隔離的RJ45接口，可省略變壓器。STM32收到水溫水位數據后，按照協議進行UDP和IP封裝。再通過SPI寫指令把封裝好的數據包發送到ENC28J60的發送緩沖區，自動生成前導符和幀首定界符，并添加一個包控制字節。
4 軟件設計
    使用KeilμVision4 IDE開發平臺，可直接進行完整的程序編譯、仿真調試和下載。
    主程序流程如圖5所示，是一個循環主體，首先完成系統的上電初始化（時鐘、I/O口、定時器、中斷源以及全局變量），之后進行按鍵檢測，有按鍵就響應按鍵要求，沒有按鍵就進行一系列任務處理：完成對系統外圍接口電路的檢測、數據判斷與自動控制以及數據的讀取保存和向網絡發送等，數據及電路狀態通過顯示電路告知用戶。

    該控制器以STM32為核心，能實時采集水溫、水位信息并進行顯示；將設定的水溫、水位與當前水溫、水位進行比較，自動在太陽能加熱與電加熱中轉換，并按設定值自動上水；間隔固定時間通過網絡接口向外傳送水溫、水位數據，實現系統的網絡監控。
參考文獻
[1] 趙葵銀，唐勇奇.用網絡接口芯片PS2000實現智能化家電與Internet連接[J].電子技術應用，2001，27(5)：75-77.
[2] 劉隆吉.便攜式動態心電監護系統研究[D].山東：山東科技大學，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機制的NOR Flash存儲器擴展技術[J].單片機與嵌入式系統應用，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.