陳彥，張艷萍，李國(guó)棟，孫德水

(1.北京航空航天大學(xué) 物理科學(xué)與核能工程學(xué)院，北京 100191；2.山東信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

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基于二線制溫度/水位傳感器的太陽(yáng)能熱水器

陳彥1，張艷萍2，李國(guó)棟2，孫德水2

(1.北京航空航天大學(xué) 物理科學(xué)與核能工程學(xué)院，北京 100191；2.山東信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

給出了基于二線制的太陽(yáng)能熱水器的硬件電路結(jié)構(gòu)和控制方法。該系統(tǒng)以MA86L508單片機(jī)為核心，采用二線制方式將溫度/水位傳感器與CPU之間互連，通過(guò)對(duì)電容的一次充放電循環(huán)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和水位的一輪采集，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高了溫度/水位檢測(cè)效率、降低了成本。

MA86L508;太陽(yáng)能熱水器;二線制;電容充放電

引　言

圖1　三線制檢測(cè)電路

太陽(yáng)能熱水器與燃?xì)鉄崴?、電加熱熱水器相比具有無(wú)污染、節(jié)約能源、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是名副其實(shí)的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，被越來(lái)越多的消費(fèi)者所青睞。市面上常見(jiàn)的太陽(yáng)能熱水器一般采用三線制(如圖1所示)或四線制(如圖2所示)方式將溫度/水位傳感器連接到控制器上。圖1和圖2中虛線框內(nèi)為傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中Rt為溫度傳感器、Rw為水位傳感器。由圖可知，在四線制連接方式中，溫度和水位傳感器分別用兩根導(dǎo)線連接到控制器中；而在三線制連接方式中，則使溫度和水位傳感器的其中一端共用一根導(dǎo)線，以達(dá)到節(jié)約導(dǎo)線的目的，其外部接線端子分別為A、B、C、D。

圖2　四線制檢測(cè)電路

通常置于建筑物頂層或室外水箱中的傳感器與室內(nèi)控制器之間的距離一般超過(guò)10 m，因此每增加一根傳感器引線，就會(huì)增加成本約2元以上。對(duì)于大量應(yīng)用的太陽(yáng)能熱水器通過(guò)改進(jìn)檢測(cè)方法，將傳感器與控制器之間的連線盡量減少，無(wú)疑會(huì)帶來(lái)數(shù)以百萬(wàn)元的可觀經(jīng)濟(jì)效益。本文以MA86L508單片機(jī)為核心，通過(guò)改進(jìn)溫度/水位傳感器檢測(cè)方法，通過(guò)二線制連接方式將溫度/水位傳感器連接到室內(nèi)控制器中，在對(duì)電容的一次充放電循環(huán)中就可以采集溫度和水位值，既提高了檢測(cè)效率，又降低了成本，可以取得非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1　控制器硬件電路

太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)如圖3所示，主要由溫度/水位檢測(cè)、報(bào)警電路、漏電檢測(cè)、加熱電磁閥、水泵、LED顯示器等部分組成。

圖3　控制器系統(tǒng)框圖

1.1MA86L508單片機(jī)

控制器以笙泉科技有限公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型8051單片機(jī)MA86L508為核心，該單片機(jī)與傳統(tǒng)的8051單片機(jī)相比較，其最大的不同就是外部中斷源INT0和INT1既可以采用低電平或下降沿觸發(fā)方式，也可以采用高電平或上升沿方式觸發(fā)。此外，該單片機(jī)還集成了實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、蜂鳴器,內(nèi)置24 MHz與22.118 MHz兩種振蕩器，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不必?cái)U(kuò)展外部時(shí)鐘芯片、晶振等器件，對(duì)于蜂鳴器的控制也變得簡(jiǎn)單方便。

其低功耗省電模式提供了多達(dá)7種工作方式，即掉電模式、空閑模式、慢頻模式、副頻模式、RTC模式、Watch模式和Monitor模式，可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需要。

1.2溫度/水位檢測(cè)電路

二線制溫度/水位檢測(cè)電路如圖4所示，虛線框內(nèi)所標(biāo)識(shí)的就是改進(jìn)后的傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。溫度傳感器Rt和水位傳感器Rw分別與二極管D1、D2相連，圖中標(biāo)識(shí)的節(jié)點(diǎn)A、B就是改進(jìn)后的傳感器的兩個(gè)外部接線端子。利用二極管的單向?qū)щ娦跃涂梢杂羞x擇地實(shí)現(xiàn)對(duì)外部電容C1充電和放電分別經(jīng)過(guò)溫度傳感器Rt和水位傳感器Rw，從而使得對(duì)電容的一次充放電循環(huán)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和水位的采集。

圖4　溫度/水位檢測(cè)電路

(1) 電容充電回路

由圖4可知，當(dāng)P1.0置為高電平時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電容C1的充電過(guò)程，其充電路徑為：

P1.0→R1→傳感器接線端子A→D1→溫度傳感器Rt→傳感器接線端子B→C1→信號(hào)地

充電時(shí)間τ=(R1+Rt+RD1)×C1，其中RD1為二極管D1的正向等效電阻，式中只有Rt隨溫度而改變，因此通過(guò)記錄充電時(shí)間就可以判斷出溫度的變化值。

(2) 電容放電回路

與電容充電過(guò)程類似，當(dāng)P1.0置為低電平時(shí)，電容C1將進(jìn)入放電狀態(tài)，其放電路徑為：

C1→傳感器接線端子B→Rw→D2→傳感器接線端子A→R1→P1.0

放電時(shí)間τ=(R1+Rw+RD2)×C1，其中RD2為二極管D2的正向等效電阻，式中只有Rw隨水位而改變，因此通過(guò)記錄放電時(shí)間就可以檢測(cè)出水位的變化值。

通過(guò)上述分析可知，在二線制檢測(cè)電路中利用了二極管的單向?qū)щ娦詠?lái)控制電容充放電的路徑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和水位的檢測(cè)。在該電路中，INT1為中斷輸入引腳，僅用于檢測(cè)電容充電或放電是否完成，不參與充放電的控制。

2　控制器軟件設(shè)計(jì)

軟件可分為溫度/水位采集、顯示、報(bào)警、上水/加熱輸出控制、鍵盤(pán)處理、漏電檢測(cè)與保護(hù)、故障診斷等幾部分。

MA86L508單片機(jī)的外部中斷源與傳統(tǒng)51系列單片機(jī)相比，增加了高電平或上升沿觸發(fā)方式，如表1所列，因此使用起來(lái)更加方便靈活。

表1　INT1中斷觸發(fā)方式控制

2.1溫度檢測(cè)

圖5　溫度/水位檢測(cè)流程

溫度/水位檢測(cè)流程如圖5所示。在一次充放電的循環(huán)中，首先設(shè)置 INT1H位(AUXR0.1)和IT1(TCON.2)位為1，使外部中斷源1可以由上升沿觸發(fā)中斷，并通過(guò)IE1開(kāi)啟外部中斷1；然后再通過(guò)TR1置1，使定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)；最后使P1.0設(shè)置為高電平，開(kāi)始通過(guò)溫度采集回路對(duì)電容C1充電。隨著電容充電過(guò)程的延續(xù)，在INT1引腳就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由0到1的上升沿跳變，該上升沿跳變使程序進(jìn)入中斷處理程序，在中斷處理程序中立即停止定時(shí)器1的充電計(jì)時(shí)，并將TH1、TL1寄存器中記錄的時(shí)間通過(guò)查表法轉(zhuǎn)換為溫度值。

2.2水位檢測(cè)

溫度采集結(jié)束后，程序就可以進(jìn)入水位檢測(cè)流程，本系統(tǒng)中水位檢測(cè)是在電容放電階段實(shí)現(xiàn)的，首先設(shè)置 INT1H位(AUXR0.1)為0、IT1(TCON.2)為1，使外部中斷1可以由下降沿觸發(fā)中斷，并通過(guò)IE1開(kāi)啟外部中斷1；然后再通過(guò)TR1置1，使定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)；最后使P1.0設(shè)置為低電平，電容C1開(kāi)始通過(guò)水位采集回路進(jìn)行放電。隨著電容放電過(guò)程的延續(xù)，在INT1引腳就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由1到0的下降沿跳變，該跳變使程序立即進(jìn)入中斷處理程序，在中斷處理程序中停止定時(shí)器1的計(jì)時(shí)，并將TH1、TL1寄存器中記錄的時(shí)間通過(guò)查表法轉(zhuǎn)換為水位值。

由檢測(cè)流程可知，通過(guò)對(duì)電容C1的一次充放電循環(huán)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和水位的檢測(cè)，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為了確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在程序中通過(guò)IP0H和IP0L寄存器將INT1設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)中斷，一旦INT1進(jìn)入中斷，就會(huì)立即停止定時(shí)器1的計(jì)時(shí)，這樣就可以保證所測(cè)得的數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)槠渌瘮?shù)的執(zhí)行而影響其準(zhǔn)確性。

2.3查表法

通過(guò)定時(shí)器1將電容C1充電過(guò)程中記錄的時(shí)間值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)溫度值的程序流程如圖6所示，首先判斷定時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度是否在合理區(qū)間，一旦由于傳感器短路或斷路，使得定時(shí)時(shí)間超出合理區(qū)間，則轉(zhuǎn)入異常處理程序，并在LED數(shù)碼管上顯示提示信息；如果定時(shí)時(shí)間在合理區(qū)間，將當(dāng)前定時(shí)時(shí)間與table表中存放的設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果確定對(duì)應(yīng)的溫度值。table表中的數(shù)據(jù)已通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得并固化到CPU的Flash存儲(chǔ)區(qū)。

圖6　查表法將充電時(shí)間轉(zhuǎn)換為溫度值

將電容C1放電時(shí)間轉(zhuǎn)換為水位值的原理與此類似，但是在太陽(yáng)能熱水器的實(shí)際應(yīng)用中，由于水位值一般只分為無(wú)水、1檔、2檔、3檔、4檔(滿水)共5級(jí)，因此除了用查表法之外，也可以將各檔水位對(duì)應(yīng)的放電時(shí)間值用選擇語(yǔ)句if/else或switch語(yǔ)句寫(xiě)到函數(shù)中。

2.4LED顯示

為了降低成本，系統(tǒng)采用僅有20個(gè)引腳的MA86L508，其I/O端口數(shù)量有限，因此，將溫度、水位及工作狀態(tài)指示燈的顯示控制通過(guò)P3.0和P3.1引腳通過(guò)一片75HC164芯片控制，且由于T0、T1都用于內(nèi)部定時(shí)使用，因此75HC164不能通過(guò)串口的工作模式0來(lái)控制。在程序設(shè)計(jì)中采用軟件模擬方式產(chǎn)生74HC164所需的脈沖信號(hào)，將要顯示的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為串行數(shù)據(jù)位發(fā)送到74HC164芯片，再由74HC164發(fā)送到LED數(shù)碼管，利用視覺(jué)暫留方法使系統(tǒng)獲得所需要的顯示效果。74HC164的控制函數(shù)如下所示：

sbit DIO=P3^0;

sbit CLK=P3^1;

void WriteTo164(unsigned charch){

unsigned char i;

unsigned char bdata dat;

dat=ch;

CLK=0;

for(i=0;i<8;i++){

if((dat>>i)&0x01) DIO=1;

else DIO=0;

CLK=1;

CLK=0;

}

CLK=0;

}

為了提高控制器的智能化程度、實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、增強(qiáng)系統(tǒng)使用的安全性，系統(tǒng)還具有自動(dòng)保溫、自動(dòng)上水、定時(shí)加熱、漏電保護(hù)、待機(jī)休眠等功能，可以滿足多種應(yīng)用需要。

結(jié)　語(yǔ)

為了簡(jiǎn)化太陽(yáng)能熱水器的溫度/水位采集過(guò)程，減少傳感器與控制器之間的連線數(shù)量，本文通過(guò)采取以下措施對(duì)傳統(tǒng)的太陽(yáng)能控制器進(jìn)行了改進(jìn)：

① 采用了增強(qiáng)型51單片機(jī)芯片MA86L508，其外部中斷源可以用上升沿或下降沿信號(hào)觸發(fā)，因此在對(duì)電容充放電的一次循環(huán)中就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度/水位采集。

② 利用二極管的單向?qū)щ娦钥刂齐娙莸某潆姾头烹?分別選擇溫度檢測(cè)支路和水位檢測(cè)支路。

③ 將外部中斷和內(nèi)部定時(shí)器相結(jié)合，由定時(shí)器記錄充電和放電時(shí)間，并采用查表法將時(shí)間轉(zhuǎn)換為溫度/水位值，既保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,又簡(jiǎn)化了處理邏輯。

通過(guò)上述措施，實(shí)現(xiàn)了溫度/水位的二線制控制，減少了控制器與傳感器之間的連線，降低了成本,簡(jiǎn)化了控制邏輯,提高了采集溫度/水位的效率。

[1] 笙泉科技有限公司.MA86E/L508說(shuō)明書(shū),2013.

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72未經(jīng)優(yōu)化的LBP算法紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)與本文方法的資源占用情況。

表1　資源占用情況對(duì)比

表1表明，未經(jīng)優(yōu)化前，算法無(wú)法在單片EP2S60F672 FPGA上運(yùn)行，依次采用本文設(shè)計(jì)的3種方法優(yōu)化后，資源占用逐步降低，證明本文方法有效。

結(jié)　語(yǔ)

本文在分析了LBP弱小目標(biāo)檢測(cè)算法的基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論了一種基于FPGA的紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。試驗(yàn)表明，該方法在占用較少資源的情況下，實(shí)現(xiàn)了LBP算法的實(shí)時(shí)處理。

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蔣怡亮、翟尚禮(工程師)，從事圖像處理和FPGA開(kāi)發(fā)工作；孫寧(高級(jí)工程師)，從事圖像處理算法研究工作。

(責(zé)任編輯：楊迪娜收稿日期：2015-10-24)

Solar Energy Water Heater Based on Dual-wires Temperature/Water Level Sensor

Chen Yan1,Zhang Yanping2,Li Guodong2,Sun Deshui2

(1.School of Physics and Nuclear Energy Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China;2.Shandong College of Information Technology)

The hardware circuits and control method of the solar energy water heater based on the dual-wires are designed.The system takes the MA86L508 as the core,it makes device to connect the sensors of temperature and water level to MA86L508 using the dual-wires.The CPU can realize the collection of the temperature and water level value by a charging and discharging cycle of the capacitor at the same time.It has the characteristics such as simple structure,high efficient and low cost.

MA86L508;solar energy water heater;dual-wires;capacitor charging and discharging

TP212

A

(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-11-01)