摘 要:設(shè)計了一套全自動太陽能工程熱水器控制器。該系統(tǒng)利用低功耗高性能的RISC單片機AVR作為控制電路的核心實時監(jiān)測水溫及水位，可實現(xiàn)溫度、水位檢測管理，故障及相關(guān)報警提示等功能，利用E2PROM對設(shè)置的參數(shù)保存，具有斷電記憶功能，斷電后，參數(shù)無須重新設(shè)置。該款全自動太陽能熱水器控制器具有使用方便、穩(wěn)定性高、節(jié)能等特點，實用性高。關(guān)鍵詞:工程熱水器; 控制器; AVR; 控制電路

中圖分類號:TN919-34文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)21-0178-03

Design and Implementation of Controller for Solar Engineering Water-heater

OU Dan1， LI Kai2

(1.Institute of Mechanical and Electrical Engineering， Xuzhou Institute of Technology， Xuzhou 221008， China;

2.Beijing Micoe Solar Energy Technology Company Limited， Lianyungang 222000， China)

Abstract: A set of full-automatic solar water heater controller was designed. The system uses low consumption and high-performance RISC AVR MCU as the core of control circuit to carry out real-time monitoring of temperature and water level. It can implement the functions such as detection and management of the temperature and water level as well as fault prompting and related alarm functions. EEPROM is adopted in this system to store the set-up parameters and make it to have the power off memory function. The parameters need not be reset when power failure happens. This set of full automatic solar water-heater controller， which is of high availability， is easy to use， energy-saving and stable.Keywords: engineering water-heater; controller; AVR; control circuit

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，各種熱水器的使用已相當(dāng)普及，與之相配套的控制儀也相繼問世。然而，目前市場上的各種熱水器控制電路還與理想要求相差甚遠[1]。消費者需要真正的“全自動”控制，以實現(xiàn)使用的最簡單化，就像家用電視機、電冰箱一樣，接通電源、設(shè)定完畢就不用再操心了[2]。鑒于國內(nèi)太陽能熱水器市場不斷擴大，而與其相配套的控制器卻急需改進的情況，研制了這套太陽能熱水器控制器。本文設(shè)計的太陽能熱水器是以AVR Mega 32單片機為檢測控制核心，不僅實現(xiàn)了溫度、水位兩種參數(shù)的實時顯示功能，而且具有溫度設(shè)定與控制功能?？刂破骺梢愿鶕?jù)天氣情況利用輔助加熱裝置使蓄水箱內(nèi)的水溫達到預(yù)先設(shè)定的溫度，從而達到24小時供應(yīng)熱水的目的。實際應(yīng)用結(jié)果表明，該控制器和以往的顯示儀相比具有性價比高、溫度控制與顯示精度高、使用方便和性能穩(wěn)定等優(yōu)點，提高了我國太陽能應(yīng)用領(lǐng)域控制水平，具有可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 設(shè)計目標(biāo)與實現(xiàn)方案描述

1.1 系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)原理圖如圖1所示。其中:W為水位傳感器(壓力式)，包含T2;T1為集熱器頂部溫度傳感器;T2為水箱溫度傳感器，與水位W一體;T3為防凍循環(huán)溫度傳感器(安裝于集熱循環(huán)管路最低溫度點);T4為用水管道溫度傳感器(安裝于用水循環(huán)管路最低溫度點);T5為管道電伴熱溫控傳感器(一般安裝于自來水上水管道，位置可根據(jù)實際情況而定);P1為集熱管路循環(huán)泵，亦作為防凍循環(huán)泵;P2為用水管路循環(huán)泵(亦可用電磁閥+自動增壓泵形式);E1為上水電磁閥(自來水直接進水箱補水);E2為頂水電磁閥(自來水進集熱器，頂水入水箱);EH1為電加熱器;EH2為電伴熱帶(選用)[3]。

1.2 主要功能及說明

在太陽能熱水工程控制系統(tǒng)中，需實現(xiàn):LED顯示，溫差循環(huán)，定溫出水，定溫上水，自動上水，定時上水，低水位上水，自動加熱，定時加熱，電加熱防干燒，防凍電加熱，防凍循環(huán)，定時間段-定溫管路循環(huán)，高溫保護，警戒水位保護，防炸管，斷電參數(shù)與運行狀態(tài)記憶，出廠參數(shù)復(fù)位，故障及相關(guān)報警提示，安全防護，管道防凍電伴熱，用水管道防凍，水燈顯示方式，鍵盤鎖，緊急斷電，開機自檢等眾多功能。可以將這些功能分為以下6類:鍵盤輸入、A/D轉(zhuǎn)換、實時時鐘、數(shù)據(jù)顯示、E2PROM的使用和故障報警。該系統(tǒng)利用低功耗高性能的RISC 單片機AVR 作為控制電路的核心，AVR 微處理器是Atmel公司的8 位嵌入式RISC處理器，具有高性能、高保密性、低功耗等優(yōu)點。程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器為可獨立訪問的哈佛結(jié)構(gòu)，代碼執(zhí)行效率高。系統(tǒng)采用的AVR Mega 32 處理器包含有32 KB片內(nèi)可編程FLASH程序存儲器;1 KB的E2PROM和2 KB的RAM;同時片內(nèi)集成了看門狗;8路10位ADC;3路可編程PWM輸出;具有在線系統(tǒng)編程功能，片內(nèi)資源豐富，集成度高，使用方便。AVR Mega 32可以很方便地實現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置，A/D轉(zhuǎn)換，E2PROM的數(shù)據(jù)存儲，工作狀態(tài)的指示等[4]。

圖1 系統(tǒng)原理圖

1.2.1 鍵盤輸入

鍵盤輸入部分可用4×4按鍵組成0~9數(shù)字鍵及確認鍵，8位數(shù)碼管組成顯示電路提示信息。單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是單片機的工作內(nèi)容之一。單片機在忙于各項工作任務(wù)時，如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式，而鍵盤的工作方式取決于CPU的忙、閑情況而定。其原則為既要保證能及時響應(yīng)按鍵操作，又不要浪費過多的CPU工作時間。通常，鍵盤的工作方式有3種，即編程掃描，定時掃描和中斷掃描。為進一步提高掃描鍵盤的工作效率，可以采用中斷掃描方式，只有在鍵盤有按鍵按下時，才執(zhí)行鍵盤掃描并執(zhí)行按鍵功能程序。而鍵盤的識別方法又可以分為3種:掃描法，線反轉(zhuǎn)法和編碼法。對于按鍵較少的獨立式鍵盤可采用編碼法，如4×4的鍵盤，鍵盤可以編碼為:01H，02H，…，0FH，10H共16個[5]。

1.2.2 A/D轉(zhuǎn)換

關(guān)于溫差循環(huán)，定溫出水，定溫上水，自動上水，低水位上水，自動加熱，電加熱防干燒，防凍電加熱，防凍循環(huán)，高溫保護，警戒水位保護，防炸管，安全防護，管道防凍電伴熱，用水管道防凍等大多數(shù)功能就是對系統(tǒng)多處進行水溫水位檢測，也就是將傳感器的模擬量通過AVR Mega 32 自帶的8 路10 位ADC進行A/D轉(zhuǎn)換。

檢測水溫現(xiàn)多采用PT100傳感器，電路圖如圖2所示。

R2，R3，R4和Pt100組成傳感器測量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號的穩(wěn)定性，電橋的輸入電壓通過TL431穩(wěn)至2.5 V。從電橋獲取的差分信號通過兩級運放放大后輸入單片機。電橋的一個橋臂采用可調(diào)電阻R3，通過調(diào)節(jié)R3可以調(diào)整輸入到運放的差分電壓信號大小，通常用于調(diào)整零點[6-7]。放大電路采用LM358集成運算放大器，為了防止單級放大倍數(shù)過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級放大，如圖3所示，前一級放大倍數(shù)約為10倍，后一級約為3倍。溫度在0~100 ℃變化，當(dāng)溫度上升時，Pt100阻值變大，輸入放大電路的差分信號變大，放大電路的輸出電壓AV對應(yīng)升高。

圖2 Pt100電路圖

一般在使用Pt100的溫度采集方案中，都會對放大器LM358采集來的模擬信號AV進行溫度采樣，即進行A/D轉(zhuǎn)換[8]。

在對數(shù)值進行濾波操作之后，還要將A/D值轉(zhuǎn)換為溫度，只需要確定比例系數(shù)K和基準(zhǔn)偏差B即可。

溫度轉(zhuǎn)換的C語言實現(xiàn)過程為:

temperature=(adc_data*K)-B;//換算成溫度值

1.2.3 實時時鐘

采用DALLAS公司推出的涓流式充電時鐘芯片，它內(nèi)部集成了實時時鐘/日歷和31 B靜態(tài)RAM，可以通過串行接口與單片機進行通信。實時時鐘、日歷電路電路提供秒、分、時、星期、月、年的信息，每個月的天數(shù)和閏年天數(shù)可自動調(diào)整，時鐘操作可通過AM/PM標(biāo)志位決定采用24小時或12小時時間格式。DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式通信，僅需3根線:復(fù)位(RST)、I/O數(shù)據(jù)線、串行時鐘(SCLK)。DS1302工作功耗很低，保持數(shù)據(jù)和時鐘信息時，功耗小于1 mW。利用它很容易實現(xiàn)自動上水、自動加熱的控制和時間顯示。假設(shè)這里單片機設(shè)置報警為凌晨3點整，啟動電加熱，當(dāng)CPU 讀出DS1302時間為3點即可使對應(yīng)的I/O管腳輸出高電平，打開繼電器啟動加熱器，定時上水功能同理。同時在不顯示溫度和水位時，它還可作為精確的電子鐘進行時間顯示[9]。

1.2.4 數(shù)據(jù)顯示

該系統(tǒng)采用靜態(tài)顯示的方式[10]，用3 個數(shù)碼管交替顯示水溫、時間、報警的信息，在按鍵時，也將用數(shù)碼管顯示。水位級別顯示則用LED顯示。顯示電路由3個移位寄存器74HC164和3個數(shù)碼組成。每個數(shù)碼管接有8個1 kΩ電阻，保護數(shù)碼管，防止電流過大燒壞數(shù)碼管。具體的電路如圖3所示。

圖3 數(shù)碼管靜態(tài)顯示

1.2.5 其他部分

本系統(tǒng)除復(fù)位鍵、手動上水和手動加熱允許鍵外，其余的按鍵為選擇設(shè)定項目(溫度顯示或定時顯示)，每按一下choose鍵，設(shè)定功能變換1次。按1次“+”鍵，設(shè)定值對應(yīng)加1。按1次“-”鍵，設(shè)定值對應(yīng)減1。為了防止設(shè)定的參數(shù)在掉電后丟失，利用了E2PROM存儲各設(shè)定參數(shù)。

2 結(jié) 語

本文設(shè)計的太陽能工程熱水器控制器，硬件設(shè)計簡單，功能強大。經(jīng)試驗證明系統(tǒng)穩(wěn)定，操作方便，值得推廣。本文給出的電路是一種最基本最簡單的電路，其目的是給出一種單片機的控制模式，亦可以根據(jù)用戶需求，添加更多附加功能。

參考文獻

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