節(jié)能型供熱溫度控制器設(shè)計(jì)

摘要 大型公共建筑高能耗已成為建筑節(jié)能發(fā)展的瓶頸，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能型的供熱溫度控制，文中采用了基于89C51單片機(jī)和CAN總線的設(shè)計(jì)方法，給出了供熱溫度控制器的總體設(shè)計(jì)方案，以及主要電路原理圖的引腳連接，并根據(jù)功能要求和實(shí)際電路設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟件，給出了主要程序的流程圖。最終對(duì)單片杌進(jìn)行了軟硬件聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)功能。
關(guān)鍵詞 供熱溫度控制器；單片機(jī)；CAN總線；電路原理圖；系統(tǒng)軟件

    建設(shè)部要求城鎮(zhèn)新建公共建筑和居民建筑，凡使用集中供熱設(shè)施的，均需設(shè)計(jì)、安裝具有分戶計(jì)量及室溫調(diào)控功能的供暖系統(tǒng)。節(jié)能型供熱溫度控制器是利用自動(dòng)控制技術(shù)，將節(jié)能措施與熱計(jì)量功能融為一體，從以人為本的角度提出的一種新型節(jié)能理念和方法，使集中供暖用戶既可通過(guò)控制器設(shè)定、調(diào)整并與配套設(shè)備共同完成對(duì)室內(nèi)溫度的自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制，又可隨時(shí)了解室內(nèi)溫度、熱消耗量，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計(jì)
    一個(gè)完整的大型公建節(jié)能型供熱溫度控制器由兩部分組成：溫度測(cè)控系統(tǒng)和通信模塊系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)溫度測(cè)控的硬件包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、溫度傳感器、信號(hào)放大器、A／D轉(zhuǎn)換器及D／A轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器、顯示驅(qū)動(dòng)芯片和數(shù)碼管等。系統(tǒng)通信模塊的硬件包括CAN控制器和CAN收發(fā)器。

1．1 溫度控制的工作原理
    在溫度測(cè)控系統(tǒng)中，穩(wěn)壓器完成對(duì)單片機(jī)的供電，數(shù)碼管完成溫度的顯示。系統(tǒng)的被測(cè)參數(shù)是溫度，被測(cè)溫度首先由傳感器測(cè)量后得到mV信號(hào)，再經(jīng)放大器放大后變?yōu)?～5 V電壓信號(hào)，送入A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，將模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)供給單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。一方面，與所設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)預(yù)定的PID算法計(jì)算出相應(yīng)的控制量，用控制量控制電氣閥的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)溫度控制；另一方面，將實(shí)時(shí)測(cè)量得到的溫度送至數(shù)碼管顯示，同時(shí)用戶也可通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)設(shè)定理想溫度。
1．2 CAN通信模塊的工作原理
    當(dāng)CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其以報(bào)文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)而言，無(wú)論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，均對(duì)其進(jìn)行接收。每組報(bào)文開(kāi)頭有11位字符作為標(biāo)識(shí)符，其規(guī)定了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，這種格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識(shí)符是唯一的，不可能有兩個(gè)站發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的報(bào)文。當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線讀取時(shí)，這種配置尤為重要。當(dāng)一個(gè)站要向其他站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該站的CPU要將發(fā)送的數(shù)據(jù)和自身的標(biāo)識(shí)符傳送給本站的CAN控制器，并處于準(zhǔn)備狀態(tài)；當(dāng)收到總線分配時(shí)，轉(zhuǎn)為發(fā)送報(bào)文狀態(tài)。CAN控制器將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報(bào)文格式發(fā)出，此時(shí)網(wǎng)上的其他站點(diǎn)處于接收狀態(tài)。每個(gè)處于接收狀態(tài)的站對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否接收這些報(bào)文。通常每個(gè)CAN模塊都是南不同的功能單元構(gòu)成。CAN控制器與物理總線間需要一個(gè)接口CAN接收發(fā)送器，CAN接收發(fā)送器將來(lái)自CAN控制器的邏輯電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為總線上的物理電平。再將總線上的物理電平轉(zhuǎn)換為CAN控制器能接收的邏輯電平信號(hào)。CAN接收發(fā)送器的上一層是CAN控制器，該控制器執(zhí)行完整的CAN協(xié)議，包括信息緩沖和接收濾波。

2 各部分模塊設(shè)計(jì)
2．1 主要芯片選擇
    系統(tǒng)單片機(jī)采用8位AT89C51，因控制器所需的單片機(jī)，無(wú)需在語(yǔ)音、圖像進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理，且對(duì)速度要求較低，無(wú)需高位單片機(jī)。溫度傳感器該產(chǎn)品采用美國(guó)Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。選用此類溫度傳感器可省去信號(hào)放大部分及A／D轉(zhuǎn)換器，使得該溫度控制器結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單、清晰。穩(wěn)壓器采用三端LM7805供給單片機(jī)電源。LM7805為正穩(wěn)壓電路，TO-220封裝，可提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。D／A轉(zhuǎn)換器選擇DAC0832。其是8分辨率的D／A轉(zhuǎn)換集成芯片與微處理器完全兼容。顯示芯片采用PS7219，是一種新型的串行接口的8位數(shù)字靜態(tài)顯示芯片，可與任何單片機(jī)方便接口，并可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位LED。
2．2 單片機(jī)溫度采集電路
    溫控系統(tǒng)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)和測(cè)溫傳感器。單片機(jī)最小系統(tǒng)中，復(fù)位電路采用12 MHz晶振，復(fù)位電路由復(fù)位按鈕控制，同時(shí)提供單片機(jī)AT89C51、CAN控制器SJA1000和顯示接口器件PS7219的復(fù)位信號(hào)。單片機(jī)溫度采集電路如圖2所示，從RST引出線，分別與各芯片的復(fù)位信號(hào)線相連采用上電復(fù)位模式。

2．3 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路
    對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換中，DAC0832采用單緩沖工作方式。DAC0832的兩級(jí)寄存器的寫(xiě)信號(hào)WR1和WR2均由單片機(jī)的WR引腳控制。當(dāng)單片機(jī)的地址線選擇DAC0832后，只要輸出WR控制信號(hào)，便可同時(shí)完成數(shù)字陽(yáng)的輸入鎖存和D／A轉(zhuǎn)換輸出。由于DAC0832是電流輸出型，所以為了得到電壓信號(hào)，需在DAC0832的輸出端接入運(yùn)算放大器。接入一級(jí)運(yùn)算放大器可得到負(fù)的電壓信號(hào)，接入二級(jí)運(yùn)算放大器，得到正的電壓信號(hào)。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

2．4 CAN通信模塊電路
    SJA1000作為CAN的控制部分，在與單片機(jī)連接時(shí)，其數(shù)據(jù)線AD0～AD7與單片機(jī)的輸入輸出管腳P0口連接，片選信號(hào)CS接地，低電壓允許訪問(wèn)，RST、1NT、WR、WD、ALE管腳分別與單片機(jī)的相應(yīng)管腳連接，控制器的收發(fā)端RX0、TX0分別接收發(fā)器CTM1050的收發(fā)端RXD、TXD引腳相連。系統(tǒng)通信模塊電路如圖4所示。

 
2．5 電源電路及溫度顯示、按鍵電路
    當(dāng)穩(wěn)壓器LM7805對(duì)單片機(jī)進(jìn)行供電時(shí)，220 V交流市電通過(guò)電源變壓器變換為交流低壓，再經(jīng)橋式整流電路和濾波電容C1的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個(gè)并不穩(wěn)定的直流電壓。此直流電壓經(jīng)LM7805的穩(wěn)壓和C3的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。
    單片機(jī)AT89C51的P1.6作串行數(shù)據(jù)輸出，連接到PS7219的DIN腳，P1.7和P1.5通過(guò)程序分別模擬PS7219的時(shí)鐘脈沖CLK及數(shù)據(jù)加載LOAD信號(hào)。PS7219的SA～SG，SDP端連接到各LED數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的a～f及dp端，DIG1～DIG3分別接3位LED數(shù)碼管的共陰極，從而實(shí)現(xiàn)位選。PS7219應(yīng)緊靠LED顯示器放置，且連線盡可能短，兩個(gè)GND引腳均必須連接到地線上。系統(tǒng)只設(shè)4個(gè)按鍵，分別是功能鍵、增加鍵、減小鍵和確定鍵。在按鍵的線路連接中，每個(gè)按鍵并聯(lián)一個(gè)0．1μF電容，目的是實(shí)現(xiàn)消抖。

3 程序設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)
    主程序模塊的主要工作是上電后對(duì)系統(tǒng)初始化和構(gòu)建系統(tǒng)整體軟件框架，其中初始化包括對(duì)單片機(jī)的初始化、D／A芯片初始化和溫度傳感器初始化等。隨后等待溫度設(shè)定，若溫度設(shè)定后，判斷系統(tǒng)運(yùn)行鍵是否按下，若系統(tǒng)運(yùn)行，則依次調(diào)用各相關(guān)模塊，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運(yùn)行。圖5所示為主程序流程圖。

    由于常規(guī)PID控制器控制效果不佳，溫度測(cè)量控制中存在非線性、時(shí)變、干擾和純滯后問(wèn)題，而增量式PID算法具有計(jì)算誤差小、切換無(wú)沖擊和可靠性高的特點(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用該算法。數(shù)字增量式PID的輸出為：
    △u(k)=a0e(k)-a1e(k-1)+a2e(k-2)       (1)
    其中，Kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)
    
3．2 溫度傳感器測(cè)溫子程序
    溫度傳感器DS18B20的操作協(xié)議：初始化DS1820(發(fā)復(fù)位脈沖)→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲(chǔ)器操作命令→處理數(shù)據(jù)。其操作程序流程如圖6所示。其中任何一步失敗時(shí)自動(dòng)重新初始化。

3．3 CAN通信模塊子程序
    CAN通信的軟件設(shè)計(jì)主要包括3部分：CAN節(jié)點(diǎn)初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收。AT89C51通電或復(fù)位后，調(diào)用復(fù)位程序給SJA1000的復(fù)位端RST提供復(fù)位信號(hào)，使SJA1000進(jìn)入復(fù)位模式，SJA1000的初始化只有在復(fù)位模式下才可進(jìn)行。初始化程序主要包括以下寄存器的設(shè)計(jì)：(1)通過(guò)時(shí)鐘分頻寄存器定義：是使用Basic CAN模式或Peli CAN模式；是否能使CLKOUT輸出時(shí)鐘頻率；是否旁路CAN輸入比較器；TX1輸出是否用專門(mén)的接收中斷輸出。(2)通過(guò)驗(yàn)收碼寄存器和屏蔽寄存器定義接收?qǐng)?bào)文的驗(yàn)收碼與對(duì)報(bào)文之間進(jìn)行比較的相關(guān)位定義驗(yàn)收屏蔽碼。(3)通過(guò)總線定時(shí)寄存器定義總線的位速率、位周期內(nèi)的采樣點(diǎn)和一個(gè)位周期內(nèi)的采樣數(shù)量。(4)通過(guò)輸出寄存器定義CAN總線輸出管腳TX0、TX1的輸出模式、配置。最后，要清除SJA1000的復(fù)位請(qǐng)求標(biāo)志進(jìn)入工作模式，方可進(jìn)行報(bào)文的發(fā)送和接收。
    單片機(jī)將要發(fā)送的報(bào)文送到SAJ1000發(fā)送緩沖區(qū)，然后將SJA1000命令寄存器的發(fā)送請(qǐng)求標(biāo)志位(TR)置位，發(fā)送過(guò)程南其獨(dú)立完成。在新報(bào)文寫(xiě)入發(fā)送緩沖區(qū)前，必須先檢查狀態(tài)寄存器的發(fā)送緩沖器狀態(tài)標(biāo)志(TBS)，若為“1”，發(fā)送緩沖器被釋放，可將新的報(bào)文寫(xiě)入發(fā)送緩沖器。否則，發(fā)送緩沖器被鎖定，新報(bào)文不能被寫(xiě)入。
    報(bào)文接收也由SJA1000獨(dú)立完成。收到的報(bào)文通過(guò)接收濾波器放在FIFO隊(duì)列中，第1條報(bào)文進(jìn)入接收緩沖器，由狀態(tài)寄存器的接收緩沖器狀態(tài)標(biāo)志位(RBS)和接收中斷標(biāo)志位(RI)標(biāo)出。單片機(jī)從接收緩沖器取走1條報(bào)文后，通過(guò)置位SAJ1000的命令寄存器來(lái)釋放接收緩沖器。

4 軟件調(diào)試
    在硬件設(shè)計(jì)和軟件的編程后，將針對(duì)要實(shí)現(xiàn)的功能編寫(xiě)程序在Keil C51中將編譯無(wú)誤的程序運(yùn)行，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言，首先要對(duì)鍵盤(pán)輸入和數(shù)碼顯示進(jìn)行調(diào)試，就是整個(gè)硬件電路對(duì)照電路圖進(jìn)行檢查，查找錯(cuò)焊、虛焊、漏焊等錯(cuò)誤。檢查無(wú)誤后，便開(kāi)始運(yùn)行電路，為保證穩(wěn)定的電源供給，給PC機(jī)的USB接口提供5 V直流電源。將結(jié)果與要實(shí)現(xiàn)的理想狀態(tài)對(duì)照，再通過(guò)結(jié)果對(duì)硬件電路進(jìn)行檢驗(yàn)和修改，并將所編程序進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，如圖7所示。運(yùn)行結(jié)果證明整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，滿足了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)
    文中研究了供熱溫度控制器的方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)組成，最終實(shí)現(xiàn)了一套較為完整的基于AT89C51和CAN總線的節(jié)能型供熱溫度控制器。并對(duì)其各部分進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，包括自動(dòng)測(cè)溫、單片機(jī)內(nèi)部調(diào)節(jié)、設(shè)定理想溫度、CAN總線通信等功能模塊的電路設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)。