時間:2011-03-10 16:06:03來源:boulifairy
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。
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。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。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)。
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??梢詫⑦@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。
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,…,OFH,10H共16個。
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PT1OO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。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。
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。
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(SC-LK)。DS1302工作功耗很低,保持數(shù)據(jù)和時鐘信息時,功耗小于1mW。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。
1.2.4 數(shù)據(jù)顯示
該系統(tǒng)采用靜態(tài)顯示的方式,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。
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。
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