摘 要：設(shè)計(jì)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(jī)AVR 作為控制電路的核心實(shí)時監(jiān)測水溫及水位, 可實(shí)現(xiàn)溫度、水位檢測管理, 故障及相關(guān)報(bào)警提示等功能, 利用E2 PROM 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(diǎn), 實(shí)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(yuǎn)。消費(fèi)者需要真正的全自動 控制, 以實(shí)現(xiàn)使用的最簡單化, 就像家用電視機(jī)、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(kuò)大, 而與其相配套的控制器卻急需改進(jìn)的情況, 研制了這套太陽能熱水器控制器。本文設(shè)計(jì)的太陽能熱水器是以AVR Meg a 32 單片機(jī)為檢測控制核心,不僅實(shí)現(xiàn)了溫度、水位兩種參數(shù)的實(shí)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(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度, 從而達(dá)到24 小時供應(yīng)熱水的目的。實(shí)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(diǎn),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(jì)效益和社會效益。 　　1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與實(shí)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(diǎn)) ； 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(diǎn)) ； 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(shí)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(jìn)水箱補(bǔ)水) ；E2 為頂水電磁閥( 自來水進(jìn)集熱器, 頂水入水箱) ； EH1為電加熱器； EH2 為電伴熱帶( 選用) 。 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(shí)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(hù), 警戒水位保護(hù), 防炸管, 斷電參數(shù)與運(yùn)行狀態(tài)記憶,出廠參數(shù)復(fù)位, 故障及相關(guān)報(bào)警提示, 安全防護(hù), 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(jī)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(shí)時時鐘、數(shù)據(jù)顯示、EAtmel 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(diǎn)。程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器為可獨(dú)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 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44 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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中, 鍵盤掃描只是單片機(jī)的工作內(nèi)容之一。單片機(jī)在忙于各項(xiàng)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(fèi)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(jìn)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(dú)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(hù), 警戒水位保護(hù), 防炸管, 安全防護(hù), 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(jìn)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(jìn)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。 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(yùn)放放大后輸入單片機(jī)。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(yùn)放的差分電壓信號大小, 通常用于調(diào)整零點(diǎn)。放大電路采用LM358集成放大器 style='color:#369;text-decoration:underline; '>運(yùn)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(jìn)行溫度采樣, 即進(jìn)行A?D 轉(zhuǎn)換。 　　在對數(shù)值進(jìn)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(shí)現(xiàn)過程為: 　　temper ature= ( adc_data K) - B; ??換算成溫度值 　　1.2.3 實(shí)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(shí)時時鐘?日歷和31 B 靜態(tài)RAM, 可以通過串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信。實(shí)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(jī)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) 。 　　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(shí)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(jī)設(shè)置報(bào)警為凌晨3 點(diǎn)整, 啟動電加熱, 當(dāng)CPU 讀出DS1302 時間為3 點(diǎn)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(jìn)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(bào)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(hù)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。 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(xiàng)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(jì)的太陽能工程熱水器控制器, 硬件設(shè)計(jì)簡單, 功能強(qiáng)大。經(jīng)試驗(yàn)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(jī)的控制模式, 亦可以根據(jù)用戶需求, 添加更多附加功能