中心議題：

• 太陽能工程熱水器控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

解決方案：

• 以AVR Meg a 32 單片機為檢測控制核心

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(yuǎn)。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 Meg a 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。控制器可以根據(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。

 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) 。

系統(tǒng)原理圖

圖1  系統(tǒng)原理圖

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 Meg a 32 處理器包含有32 KB 片內(nèi)可編程FLA SH 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。
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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(rèn)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。

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。

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(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(zhǔn)偏差B 即可。

溫度轉(zhuǎn)換的C 語言實現(xiàn)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(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) 。
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DS1302 工作功耗很低, 保持?jǐn)?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。

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74H C164 和3 個數(shù)碼組成。每個數(shù)碼管接有8 個1 k  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。

數(shù)碼管靜態(tài)顯示

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)。

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。