恒溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 徐龍飛

中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院 李永紅

北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所 程秀芹

國(guó)網(wǎng)能源新疆準(zhǔn)東煤電有限公司 岳掌寬

1.引言

由于近年來(lái)常規(guī)能源的緊缺，開(kāi)發(fā)和利用太陽(yáng)能這樣的綠色能源有著重要的意義，它既是可再生能源，也不會(huì)污染環(huán)境。太陽(yáng)能熱水器也是其中的一大產(chǎn)業(yè)，太陽(yáng)能熱水器時(shí)存在的問(wèn)題：不可缺水，空曬情況下上水會(huì)爆炸；春、秋天，水溫升高蒸發(fā)，造成熱能損失；冬天水溫不夠，須用電等等?，F(xiàn)在人們對(duì)家用電器的要求越來(lái) 趨向數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化。采用太陽(yáng)能熱水器水溫水位測(cè)控系統(tǒng)，能解決上述問(wèn)題。使用戶省心，使用方便，智能操控，用戶不必作任何操作。

本系統(tǒng)是針對(duì)上述問(wèn)題設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)，由AT89S52單片機(jī)和一些外圍設(shè)備，充分運(yùn)用軟件和硬件結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前水箱溫度顯示，以及當(dāng)水溫變高自動(dòng)加熱和高出設(shè)定溫度報(bào)警的功能。本系統(tǒng)可使用在水池，鍋爐，水塔等裝置上，當(dāng)水位下溫到一定刻度值且大于設(shè)定溫度時(shí)，報(bào)警器響。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和方案論證

2.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

要求設(shè)計(jì)一個(gè)恒溫系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前水箱溫度和設(shè)定溫度的顯示，可以人工手動(dòng)控制上設(shè)定溫度，可根據(jù)環(huán)境需要由人工自由設(shè)置。具體要求如下：

a.技術(shù)指標(biāo)：溫度設(shè)定范圍：30-90℃，最小區(qū)分度為0.1℃。

b.控制精度：

溫度控制的靜態(tài)誤差≤0.5℃。

c.用十進(jìn)制數(shù)碼顯示實(shí)際水溫。

d.超出設(shè)定溫度時(shí)能發(fā)出報(bào)警。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證

方案一：采用半導(dǎo)體邏輯器件構(gòu)成的控制器，主要應(yīng)用定時(shí)器構(gòu)成。在此控制方案里，定時(shí)器和加減計(jì)數(shù)器共同構(gòu)成水溫顯示器。由于水溫的變化具有未知性，在水溫檢測(cè)電路里，利用熱敏電阻測(cè)量的水溫信號(hào)是模擬量，需要經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換成半導(dǎo)體邏輯器件能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。這類控制電路過(guò)于龐大復(fù)雜，操作也不方便，成本也較高。

方案二：采用單片機(jī)為核心控制器的電路。單片機(jī)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，可靠性高，便于實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制功能。水溫由設(shè)置在水箱內(nèi)的四個(gè)浮子式微動(dòng)開(kāi)關(guān)獲得的電信號(hào)檢測(cè)，通過(guò)單片機(jī)處理送達(dá)顯示電路顯示當(dāng)前水位。由于實(shí)際操作的原因，本設(shè)計(jì)水溫檢測(cè)用滑動(dòng)變阻器來(lái)代替，通過(guò)組織的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)水溫的改變。然后把信號(hào)輸入到單片機(jī)，獲得當(dāng)前水位顯示。水溫檢測(cè)由單片機(jī)根據(jù)溫度傳感器(DS18B20)的操作指令和時(shí)序，讀取溫度，并送達(dá)顯示電路顯示當(dāng)前水溫。本設(shè)計(jì)用三個(gè)按鍵來(lái)控制上水的水量。

從結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)、可操作性等方面來(lái)看，方案三都是最佳選擇。方案三以單片機(jī)AT89S52為核心控制器件，結(jié)合單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20與液晶顯示器12864，設(shè)計(jì)一種太陽(yáng)能熱水器智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

用戶在使用熱水器后，當(dāng)水箱中水溫下降到一定刻度值時(shí)，可通過(guò)人工使用按鍵方法來(lái)控制加熱器加熱，水溫達(dá)到的限定刻度也可以由按鍵設(shè)定。當(dāng)水溫下降到設(shè)定溫度時(shí)，單片機(jī)接受此信號(hào)并開(kāi)始執(zhí)行指令，報(bào)警電路工作，此時(shí)關(guān)閉加熱器。設(shè)置的三個(gè)按鍵也可以實(shí)現(xiàn)人工溫度調(diào)節(jié)的功能。

在加熱過(guò)程中，顯示器LCD既可以顯示水箱的設(shè)定水溫值又可顯示水箱內(nèi)水的當(dāng)前溫度，不僅直觀方便，而且精確度高，實(shí)用性強(qiáng)。此系統(tǒng)解決了熱水器加熱時(shí)需人工守候，達(dá)到了省時(shí)、環(huán)保、節(jié)水的目的。加設(shè)液晶顯示部分，使整個(gè)系統(tǒng)更實(shí)用，更趨向數(shù)字化、智能化。

3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由主控芯片模塊AT89S52、DS18B20溫度檢測(cè)模塊、LCD液晶顯示模塊、鍵盤(pán)控制模塊、報(bào)警模塊和電磁閥開(kāi)關(guān)模塊組成，下面分別對(duì)各個(gè)模塊作具體介紹。

3.1 主控芯片AT89S52單片機(jī)及接口電路

AT89S52是一個(gè)一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。

3.2 溫度檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首。近百年來(lái)，溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：

(1)傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件)；

(2)模擬集成溫度傳感器/控制器；

(3)智能溫度傳感器。目前，國(guó)際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成式向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。

溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一、測(cè)溫誤差小、價(jià)格低廉、響應(yīng)速度快。傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫、控制，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡(jiǎn)單。本設(shè)計(jì)選用了型號(hào)為DS18B20的溫度傳感器，因?yàn)樗?dú)特的單線接口，且具有精準(zhǔn)度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 LCD液晶顯示模塊

液晶屏顯示模塊與數(shù)碼管相比，它顯得更為專業(yè)、漂亮。液晶顯示屏以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，在通訊、儀器儀表、電子設(shè)備、家用電器等低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，使這些電子設(shè)備的人機(jī)界面變得越來(lái)越直觀形象，目前已廣泛應(yīng)用于電子表、計(jì)數(shù)器、IC卡電話機(jī)、液晶電視機(jī)、便攜式電腦、掌上型電子玩具、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等許多方面。

本實(shí)驗(yàn)采用TS12864-3型液晶，這種液晶自帶漢字庫(kù)，可直接顯示漢字，采用的驅(qū)動(dòng)電路是ST7290。

液晶顯示模塊與單片機(jī)連接主要考慮以下三點(diǎn)：

(1)單片機(jī)若為CMOS芯片，則不用加總線驅(qū)動(dòng)器等電平轉(zhuǎn)換電路；若為T(mén)TL芯片則必須配電平轉(zhuǎn)換電路。

(2)模塊讀/寫(xiě)控制線為單選，對(duì)讀、寫(xiě)控制線分開(kāi)的單片機(jī)，必須加讀、寫(xiě)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。

(3)根據(jù)對(duì)模塊確定的編碼地址，選擇對(duì)應(yīng)的譯碼電路。

3.4 鍵盤(pán)控制模塊

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常應(yīng)具有人機(jī)對(duì)話功能，能隨時(shí)發(fā)出各種控制命令和數(shù)據(jù)輸入以及報(bào)告應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行結(jié)果。鍵盤(pán)是操作人員可以通過(guò)按鍵輸入數(shù)據(jù)和命令進(jìn)行功能設(shè)置，它是本系統(tǒng)中不可缺少的輸入設(shè)備。鍵盤(pán)由一組按鍵開(kāi)關(guān)所組成。按鍵開(kāi)關(guān)所組成的鍵盤(pán)可以分為兩種形式：獨(dú)立式按鍵和矩陣式按鍵。本設(shè)計(jì)由于按鍵較少，使用的是獨(dú)立式按鍵。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。當(dāng)功能鍵不是很多時(shí)，采用該種方式比較合適。獨(dú)立式按鍵是指直接用I/O口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根I/O口線。每根I/O口線的工作狀態(tài)不會(huì)影響其他I/O口線的工作狀態(tài)。

圖2 系統(tǒng)整體電路圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了有3個(gè)鍵，所用的3個(gè)鍵采用直接式接法。3個(gè)按鍵可設(shè)置不同檔的水溫刻度：按鍵K1為開(kāi)始設(shè)定水溫；按鍵K2為設(shè)定溫度+0.1℃，按鍵K3為設(shè)定溫度-0.1℃?？刂撇糠钟扇齻€(gè)按鍵K1、K2、K3組成，分別對(duì)應(yīng)著三個(gè)開(kāi)關(guān)P1.0、P1.1、P1.2的開(kāi)閉。

3.5 報(bào)警電路和加熱電路

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，要將輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)化成具體的功能電路，水溫超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)，報(bào)警部分開(kāi)始工作，具體電路圖如圖2所示。水溫低于設(shè)定溫度時(shí)，加熱部分開(kāi)始工作。根據(jù)以上單元電路，得系統(tǒng)整體電路圖如圖2所示。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于AT89S52單片機(jī)的速度不高，要盡量提高反饋控制速度就必須要在控制算法、程序結(jié)構(gòu)和代碼編寫(xiě)上盡量?jī)?yōu)化。

使用AT89S52單片機(jī)，12MHZ晶振，P1口讀入時(shí)間值，用LCD液晶管P0口輸出段碼，P1口掃描，最高位指示通道(0～7)。

系統(tǒng)上電即初始化，首先，單片機(jī)片選時(shí)鐘芯片，然后發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)時(shí)鐘。此時(shí)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器也開(kāi)始工作，不斷掃描時(shí)鐘結(jié)束端口有無(wú)結(jié)束信號(hào)。若有，即啟動(dòng)信號(hào)采集，對(duì)時(shí)鐘芯片的數(shù)據(jù)輸出口送來(lái)的數(shù)值進(jìn)行存儲(chǔ)處理；若沒(méi)有，則繼續(xù)等待。數(shù)據(jù)處理完之后，利用查表法將時(shí)間數(shù)值送顯示器顯示出來(lái)并通過(guò)蜂鳴器打鈴，主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

5.結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為控制核心，外圍電路多以具有串行接口的芯片組成。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了顯示驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，蜂鳴器打鈴等多種功能。由于采用LCD液晶管，外部中斷控制打鈴和顯示，大大簡(jiǎn)化了電路，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)可靠性。

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