【常州大学怀德学院本科毕业论文】太阳能热水器控制器设计
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学生的技术与实现
摘要
针对传统太阳能热水器缺乏智能控制、无法远程监控等问题，本设计构建了一款基于STM32的太阳能热水器智能控制器的系统性的设计。系统以STM32F103C8T6为主控芯片，通过DS18B20与水位传感器实现水温、水位采集，利用继电器与驱动模块完成加热与补水控制，并借助WiFi模块实现数据远程传输。软件采用模块化设计，完成了数据采集、自动控制、按键调节及显示通信等功能。经实物制作与功能测试，系统运行稳定，可实现自动加热、自动补水与远程监测，达到了预期设计目标，具有良好的实用价值。
关键词：太阳能热水器；智能化；传感器；STM32F103C8T6
1引言
1.1 课题的开发背景及研究意义
在当前全球能源紧缺与环境保护要求日趋严峻的背景下，太阳能凭借其清洁、可再生的特性，已成为家庭生活热水供给的重要能源选项。然而，当前普遍应用的太阳能热水设备，大多仍采用较为初级的控制方式，智能化水平有限，水温与水位调节不够精确，且缺乏有效的远程监测与管理功能，这些问题不仅影响了用户使用的便捷性，也可能导致不必要的能源损耗。因此，开发一种具备高可靠性、可自动化运行并支持远程监控的太阳能热水器智能控制系统，对提升用能效率、推动节能减排具有显著的实际意义与推广应用价值。
1.2 太阳能热水器控制器的研究现状
国外对太阳能热水器的研究开展较早，已构建起较为成熟的技术体系与产业基础，在提升集热性能、增强储热能力、优化机械结构及推动智能调控等方面持续迭代。例如，Alzahrani A H 等（2025）将相变储能材料应用于换热单元的设计优化，显著改善了系统内部的传热均匀性与热保有率，从而提高了整体能效，为发展高效节能型太阳能热水系统提供了有益思路。同年，Tiwari A 等人（2025）尝试将太阳能集热系统与加湿‑除湿海水淡化装置相结合，突破了传统太阳能设备单一供热的功能范畴，拓展了其在多能联用场景下的应用潜力，也为能源的阶梯化利用提供了参考范例。总体来看，国际上的研究在系统集成度、智能控制策略等方面更为先进，代表了该领域的主要发展方向。
2 系统设计
2.1 系统整体设计思路
本研究预计设计的太阳能热水器控制器，采用STM32单片机，连接传感器和显示屏，可实时监测水温水位，自动控制的功能。本研究将采用一种参数化机器学习自适应采样策略，使监测设备能够依据环境数据的变化趋势动态调整其采集频率。
2.2 硬件设计思路
宏观来看，本课题所研究的系统，它的的硬件核心是STM32F103C8T6单片机，并且为其配置了专用的复位电路，以确保基础运行的绝对稳定。这为整套太阳能热水器控制器的可靠工作，打下了最关键的硬件基础。
2.2.1 主控芯片选择
方案一：STM32F103C8T6单片机，该芯片采用ARM Cortex‑M3内核，运算速度快、片内资源丰富，集成多路ADC、定时器及串口通信接口，支持复杂逻辑控制与多外设同时驱动，能够稳定承载水温水位采集、显示驱动、继电器控制与WiFi通信等任务，性能充足、扩展性强。
2.2.2 传感器模块方案选择
由于本设计需完成水温、水位两项检测，分别进行方案对比
（1）水温检测
方案一：DS18B20数字温度传感器，采用单总线通信，接线简洁、抗干扰能力强，测温范围与精度完全满足热水器使用要求，直接输出数字信号，无需外接AD转换电路，硬件结构简化、可靠性高。
方案二：LM35模拟温度传感器
输出模拟电压信号，需搭配ADC电路使用，布线复杂、易受干扰，调试难度大，不适合热水器长期稳定监测场景。
（2）水位检测
方案一
方案二
2.2.3 显示模块方案选择
方案一：LCD1602字符液晶，仅支持字符显示，依赖背光照明，显示内容单一，界面信息有限，人机交互体验一般。
方案二：0.96寸OLED显示屏，自发光无需背光，对比度高、显示清晰、功耗低，采用I2C接口节省IO资源，可同时显示水温、水位、工作模式等多项信息，界面直观、交互友好。
为提升显示效果与用户体验，本设计选用OLED显示屏
2.2.4驱动模块方案选择
方案一
方案二
2.2.5 按键方案选择
2.2.6 通信模块方案选择
3.1硬件整体设计框图
本系统的硬件设计主要由单片机、DS18B20水温模块、OLED显示屏、水位等组成，组成一个完整的系统。选用STM32F103C8T6作为主控芯片，其工作频率设定为12MHz。该微控制器具备较强的运算性能与处理能力，可满足系统在实时性与运行稳定性方面的要求[3]。
3.2 模块电路设计
3.2.1单片机及其电路设计
STM32F103C8T6是意法半导体（STMicroelectronics）推出的一款基于ARM Cortex-M3架构的32位MCU。
3.2.2OLED显示屏及其电路设计
显示模块选用0.96寸I2C接口OLED显示屏，分辨率为128×64，具有功耗低、显示清晰、响应速度快等特点，可实时显示温度、水位等系统运行信息，为用户提供直观的人机交互界面。
3.2.3继电器及其电路设计
本设计采用SRD-12VDC-SL-C型1路继电器模块，模块自带驱动与保护电路，能够在单片机控制下可靠吸合与断开，实现对外部负载的通断控制，满足系统自动控制需求。
3.2.4水位传感器及其电路设计
本设计中水位检测采用专用PCB式水位传感器模块，通过板载平行导电电极检测液位变化，电极接触水面后，导通状态随水位高度改变，输出对应模拟电压信号。
4软件设计
4.1软件设计任务描述
本次设计是以太阳能热水器控制器为设计对象，基于需求分析与硬件架构开展软件整体规划，采用模块化设计方法，明确系统运行逻辑与功能实现路径。软件设计以实现水温水位监测、自动补水、自动加热、手动控制及安全保护为目标，合理划分功能模块，确定模块间调用关系与数据交互规则，建立稳定可靠的控制机制与异常处理策略，为后续程序开发、系统调试与功能验证提供完整的技术方案。
4.2软件设计平台简介
4.2.1 EDA简介
嘉立创EDA是由国内团队自主研发的一站式板级EDA设计工具，拥有完全自主知识产权，是国产电子设计软件的代表性产品之一。
5系统制作与测试
5.1系统制作
本次太阳能热水器控制器的硬件开发，主要采用STM32单片机、OLED显示屏、水位模块。软件系统实现采用C语言，结合Keil环境进行开发。单片机作为核心控制单元，OLED显示屏进行信息显示[9]。以标准化PCB为核心载体完成实物落地。
5.1.1制作工具介绍
本次系统制作过程中，为确保焊接质量与调试效率，选用了多种通用电子制作与测试工具。主要涉及电烙铁、焊锡丝、吸锡器、数字万用表、杜邦线及USB转TTL模块等。
5.1.2 元器件准备及功能描述
本系统的元器件选型围绕太阳能热水器的控制需求，以稳定、适配、低成本为核心原则，经过多轮对比筛选确定最终方案
•主控单元
•传感采集模块
•人机交互模块
•执行与辅助单元
5.1.3制作过程及结果图片展示
在制作开始前，根据系统整体功能完成原理图设计，确定各模块之间的连接方式与信号流向。
整体实物图
5.2系统实物测试
5.2.1 按键功能测试
参 考 文 献
- Algabroun H ,Håkansson L .Parametric Machine Learning-Based Adaptive Sampling Algorithm for Efficient IoT Data Collection in Environmental Monitoring[J].Journal of Network and Systems Management,2024,33(1):5-5.
- 徐振峰,霍冬冬,邵芸艳,等.基于NB-IoT的大田农业环境远程监测系统设计[J].西昌学院学报,2024,38(02):41-48.DOI:10.16104/j.issn.1673-1891.2024.02.006.
- 王圣超.基于物联网的猪舍环境多目标自寻优控制方法研究[D].东北农业大学,2023.DOI:10.27010/d.cnki.gdbnu.2023.000298.
- Dong M ,Yu H ,Sun Z , et al.Research on agricultural environmental monitoring Internet of Things based on edge computing and deep learning[J].Journal of Intelligent Systems,2024,33(1):
- Szczurek A ,Gonstał D ,Maciejewska M .A Multisensor Device Intended as an IoT Element for Indoor Environment Monitoring[J].Sensors,2024,24(5):
- Yu C ,Tong H ,Huang D , et al.Model for Inverting the Leaf Area Index of Green Plums by Integrating IoT Environmental Monitoring Data and Leaf Relative Content of Chlorophyll Values[J].Agriculture,2024,14(11):2076-2076.