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    太陽能工程熱水器控制器的設計與實現
    2012-12-19 11:02:35
    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AVRMega32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)。

      

      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AVRMega32處理器包含有32KB片內可編程FLASH程序存儲器;1KB的E2PROM和2KB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。AVRMega32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,…,OFH,10H共16個。

      1.2.2A/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AVRMega32自帶的8路10位ADC進行A/D轉換。

      檢測水溫現多采用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定性,電橋的輸入電壓通過TL431穩至2.5V。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。

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