摘要：設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，故障及相關報警提示等功能，利用E2PROM對設置的參數(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。
關鍵詞：工程熱水器；控制器；AVR；控制電路
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(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(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用領域控制水平，具有可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。
1 設計目標與實現(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(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(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(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(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(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(shù)在掉電后丟失，利用了E2PROM存儲各設定參數(shù)。
2 結(jié)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(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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