以AVR單片機(jī)為控制電路核心的全自動太陽能工程熱水器控制器設(shè)計

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、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(jī)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(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 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(shí)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。

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(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)計的太陽能工程熱水器控制器， 硬件設(shè)計簡單， 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。