摘要：設(shè)計(jì)了一套全自動(dòng)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(shí)監(jiān)測(cè)水溫及水位，可實(shí)現(xiàn)溫度、水位檢測(cè)管理，故障及相關(guān)報(bào)警提示等功能，利用E2PROM對(duì)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(dòng)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。
關(guān)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(dāng)普及，與之相配套的控制儀也相繼問世。然而，目前市場(chǎng)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(dòng)”控制，以實(shí)現(xiàn)使用的最簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)太陽能熱水器市場(chǎng)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 Mega 32單片機(jī)為檢測(cè)控制核心，不僅實(shí)現(xiàn)了溫度、水位兩種參數(shù)的實(shí)時(shí)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(shí)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(jià)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(guó)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(huì)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(dòng)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)。

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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(dòng)上水，定時(shí)上水，低水位上水，自動(dòng)加熱，定時(shí)加熱，電加熱防干燒，防凍電加熱，防凍循環(huán)，定時(shí)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。可以將這些功能分為以下6類：鍵盤輸入、A／D轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)顯示、E2PROM的使用和故障報(bào)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(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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 Mega 32處理器包含有32 KB片內(nèi)可編程FLASH程序存儲(chǔ)器；1 KB的E2PROM和2 KB的RAM；同時(shí)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(chǔ)，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(shí)，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(shí)響應(yīng)按鍵操作，又不要浪費(fèi)過多的CPU工作時(shí)間。通常，鍵盤的工作方式有3種，即編程掃描，定時(shí)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(shí)，才執(zhí)行鍵盤掃描并執(zhí)行按鍵功能程序。而鍵盤的識(shí)別方法又可以分為3種：掃描法，線反轉(zhuǎn)法和編碼法。對(duì)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，…，OFH，10H共16個(gè)。
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(dòng)上水，低水位上水，自動(dòng)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(duì)系統(tǒng)多處進(jìn)行水溫水位檢測(cè)，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(cè)水溫現(xiàn)多采用PT1OO傳感器，電路圖如圖2所示。

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    R2，R3，R4和Pt100組成傳感器測(cè)量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號(hào)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(hào)通過兩級(jí)運(yùn)放放大后輸入單片機(jī)。電橋的一個(gè)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(hào)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(jí)放大倍數(shù)過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級(jí)放大，如圖3所示，前一級(jí)放大倍數(shù)約為10倍，后一級(jí)約為3倍。溫度在0～100℃變化，當(dāng)溫度上升時(shí)，Pt100阻值變大，輸入放大電路的差分信號(hào)變大，放大電路的輸出電壓AV對(duì)應(yīng)升高。

    一般在使用Pt100的溫度采集方案中，都會(huì)對(duì)放大器LM358采集來的模擬信號(hào)AV進(jìn)行溫度采樣，即進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。
    在對(duì)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：
    temperature=(adc_data*K)-B； ／／換算成溫度值
1．2．3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘
    采用DALLAS公司推出的涓流式充電時(shí)鐘芯片，它內(nèi)部集成了實(shí)時(shí)時(shí)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(shí)時(shí)鐘、日歷電路電路提供秒、分、時(shí)、星期、月、年的信息，每個(gè)月的天數(shù)和閏年天數(shù)可自動(dòng)調(diào)整，時(shí)鐘操作可通過AM／PM標(biāo)志位決定采用24小時(shí)或12小時(shí)時(shí)間格式。DS1302與單片機(jī)之間能簡(jiǎn)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(shí)鐘(SC-LK)。DS1302工作功耗很低，保持?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘信息時(shí)，功耗小于1mW。利用它很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上水、自動(dòng)加熱的控制和時(shí)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(dòng)電加熱，當(dāng)CPU讀出DS1302時(shí)間為3點(diǎn)即可使對(duì)應(yīng)的I／O管腳輸出高電平，打開繼電器啟動(dòng)加熱器，定時(shí)上水功能同理。同時(shí)在不顯示溫度和水位時(shí)，它還可作為精確的電子鐘進(jìn)行時(shí)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(gè)數(shù)碼管交替顯示水溫、時(shí)間、報(bào)警的信息，在按鍵時(shí)，也將用數(shù)碼管顯示。水位級(jí)別顯示則用LED顯示。顯示電路由3個(gè)移位寄存器74HC164和3個(gè)數(shù)碼組成。每個(gè)數(shù)碼管接有8個(gè)1 kΩ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。
1．2．5 其他部分
    本系統(tǒng)除復(fù)位鍵、手動(dòng)上水和手動(dòng)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(shí)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(duì)應(yīng)加1。按1次“-”鍵，設(shè)定值對(duì)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(chǔ)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(jiǎn)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(jiǎn)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。