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, 以實現使用的最簡單化, 就像家用電視機、電冰箱一樣, 接通電源、設定完畢就不用再操心了。鑒于國內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。本文設計的太陽能熱水器是以AVR Meg a 32 單片機為檢測控制核心,不僅實現了溫度、水位兩種參數的實時顯示功能, 而且具有溫度設定與控制功能?？刂破骺梢愿鶕鞖馇闆r利用輔助加熱裝置使蓄水箱內的水溫達到預先設定的溫度, 從而達到24 小時供應熱水的目的。實際應用結果表明, 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、使用方便和性能穩定等優點,提高了我國太陽能應用領域控制水平, 具有可觀的經濟效益和社會效益。
1 設計目標與實現方案描述
1. 1 系統原理圖
系統原理圖如圖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 為防凍循環溫度傳感器( 安裝于集熱循環管路最低溫度點) ； 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, 位置可根據實際情況而定) ； P1 為集熱管路循環泵, 亦作為防凍循環泵； P2 為用水管路循環泵( 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) 。
系統原理圖
圖1 系統原理圖。
1. 2 主要功能及說明
在太陽能熱水工程控制系統中, 需實現：LED 顯示, 溫差循環, 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, 定時間段定溫管路循環, 高溫保護, 警戒水位保護, 防炸管, 斷電參數與運行狀態記憶,出廠參數復位, 故障及相關報警提示, 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 轉換、實時時鐘、數據顯示、E2PROM的使用和故障報警。該系統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、低功耗等優點。程序存儲器和數據存儲器為可獨立訪問的哈佛結構, 代碼執行效率高。系統采用的AVR Meg a 32 處理器包含有32 KB 片內可編程FLA SH 程序存儲器； 1 KB 的E2PROM 和2 KB的RAM； 同時片內集成了看門狗； 8 路10 位ADC； 3 路可編程PWM 輸出； 具有在線系統編程功能, 片內資源豐富, 集成度高, 使用方便。AVR Mega 32 可以很方便地實現外部輸入參數的設置, A / D 轉換, E2PROM 的數據存儲, 工作狀態的指示等。
1. 2. 1 鍵盤輸入
鍵盤輸入部分可用4*4 按鍵組成0~ 9 數字鍵及確認鍵, 8 位數碼管組成顯示電路提示信息。單片機應用系統中, 鍵盤掃描只是單片機的工作內容之一。單片機在忙于各項工作任務時, 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, 才執行鍵盤掃描并執行按鍵功能程序。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。
1. 2. 2 A/ D 轉換
關于溫差循環, 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, 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功能就是對系統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 轉換。
檢測水溫現多采用PT100 傳感器, 電路圖如圖2所示。
Pt100 電路圖
圖2 Pt100 電路圖。
R2 , R 3 , 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定性, 電橋的輸入電壓通過TL431 穩至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電阻R3 , 通過調節R3 可以調整輸入到運放的差分電壓信號大小, 通常用于調整零點。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, 前一級放大倍數約為10 倍, 后一級約為3 倍。溫度在0 ~100 # 變化, 當溫度上升時, 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 轉換。
在對數值進行濾波操作之后, 還要將A/ D 值轉換為溫度, 只需要確定比例系數K 和基準偏差B 即可。
溫度轉換的C 語言實現過程為:
temper ature= ( 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,它內部集成了實時時鐘/ 日歷和31 B 靜態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, 每個月的天數和閏年天數可自動調整, 時鐘操作可通過AM/ PM 標志位決定采用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：復位( RST ) 、I/ O 數據線、串行時鐘( SCLK) 。
DS1302 工作功耗很低, 保持數據和時鐘信息時, 功耗小于1 mW。利用它很容易實現自動上水、自動加熱的控制和時間顯示。假設這里單片機設置報警為凌晨3 點整, 啟動電加熱, 當CPU 讀出DS1302 時間為3 點即可使對應的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 數據顯示
該系統采用靜態顯示的方式, 用3 個數碼管交替顯示水溫、時間、報警的信息, 在按鍵時, 也將用數碼管顯示。水位級別顯示則用LED 顯示。顯示電路由3 個移位寄存器74H C164 和3 個數碼組成。每個數碼管接有8 個1 k 電阻, 保護數碼管, 防止電流過大燒壞數碼管。具體的電路如圖3 所示。
數碼管靜態顯示
圖3 數碼管靜態顯示。
1. 2. 5 其他部分
本系統除復位鍵、手動上水和手動加熱允許鍵外,其余的按鍵為選擇設定項目( 溫度顯示或定時顯示) , 每按一下choose 鍵, 設定功能變換1 次。按1 次 + 鍵,設定值對應加1。按1 次 - 鍵, 設定值對應減1。為了防止設定的參數在掉電后丟失, 利用了E2PROM 存儲各設定參數。
2 結 語
本文設計的太陽能工程熱水器控制器, 硬件設計簡單, 功能強大。經試驗證明系統穩定, 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, 亦可以根據用戶需求, 添加更多附加功能。
