AT80C52單片機(jī)溫差控制系統(tǒng)在太陽能輔助熱源密集烤煙房上的應(yīng)用

李絢陽， 蘭 青， 季 旭， 夏朝鳳　(云南師范大學(xué)太陽能研究所，云南昆明 650092)

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AT80C52單片機(jī)溫差控制系統(tǒng)在太陽能輔助熱源密集烤煙房上的應(yīng)用

李絢陽， 蘭 青*， 季 旭， 夏朝鳳(云南師范大學(xué)太陽能研究所，云南昆明 650092)

摘要該溫差控制系統(tǒng)以AT80C52單片機(jī)為控制單元，利用DS18B20溫度傳感器監(jiān)測太陽能輔助熱源密集烤煙房的集熱器內(nèi)溫度和裝煙室內(nèi)溫度，并通過比較兩者之間的溫度實(shí)現(xiàn)當(dāng)集熱器內(nèi)的溫度比裝煙室的溫度高15 ℃時(shí)，風(fēng)機(jī)工作、電動風(fēng)閥打開，集熱器向裝煙室供熱；當(dāng)兩者之間的溫差下降到小于8 ℃時(shí)，風(fēng)機(jī)停止工作、電動風(fēng)閥關(guān)閉。

關(guān)鍵詞單片機(jī)；溫差控制；太陽能

Temperature Control in Solar Thermal Collector Installed in Solar Energy Auxiliary Heat Source Bulk Curing Barn Based on AT80C52

LI Xu-yang, LAN Qing*, JI Xu et al (Solar Energy Research Institute, Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan 650092)

Abstract With AT80C52 microcontroller as the control unit, the use of DS18B20 sensor to monitor the temperature inside the solar thermal collector and curing barn, and through the comparison of them, when the temperature inside the collector is 15 ℃ higher than the curing barn, the fan and blast gate begin to work; when the temperature difference drop below 8 ℃, the fan and blast gate shut up.

Key words Microcontroller; Temperature control; Solar energy

目前我國已是世界上烤煙生產(chǎn)量最大的國家，年產(chǎn)原煙230×104t以上。每烤出1 kg原煙需用煤2 kg左右，全年煙葉烘烤耗煤量達(dá)460×104t左右[1]。煙葉烘烤耗煤量大、成本高，而且煤燃燒后會釋放大量的CO2、CO、SO2、NOX和煙塵等有害有毒物質(zhì)，造成環(huán)境污染。因此，煙葉烘烤時(shí)如何降低煤耗、節(jié)省成本及減少環(huán)境污染已成為亟待解決的主要問題。而太陽能是一種最清潔的、潛力巨大的可再生能源，到達(dá)地球表面的太陽輻射高達(dá)8.5×1010kW[2]，利用太陽能輔助熱源可有效降低煙葉烘烤時(shí)的煤耗、節(jié)省成本及減少環(huán)境污染。太陽能輔助熱源密集烤煙房就是這種裝置。它是在普通密集烤煙房屋頂加裝了太陽能集熱器，太陽能集熱器可以將太陽能轉(zhuǎn)化為空氣熱能，這部分熱能通過管道通入裝煙室可以大量減少燃煤的用量。而集熱器的溫差控制系統(tǒng)則是控制集熱器產(chǎn)生的熱量通入裝煙室的核心部分，如果沒有合理的控制系統(tǒng)將會造成熱能的浪費(fèi)。因此，該研究以AT80C52單片機(jī)為控制單元，以DS18B20為溫度傳感器，設(shè)計(jì)出一種溫差控制系統(tǒng)，以期能夠很好地實(shí)現(xiàn)烤煙房供熱的自動控制，使集熱器產(chǎn)生的熱能能最大程度地被利用。

1系統(tǒng)概述

1.1太陽能輔助熱源密集烤煙房集熱器工作原理由圖1可知，集熱器通過吸熱板產(chǎn)生熱量，經(jīng)送風(fēng)管通過風(fēng)機(jī)將產(chǎn)生的熱量送入加熱室，然后這部分熱量和加熱室內(nèi)火爐產(chǎn)生的熱量通過循環(huán)風(fēng)機(jī)一并送入裝煙室。AT80C52單片機(jī)組成的溫差控制系統(tǒng)通過放置在集熱器內(nèi)和裝煙室內(nèi)的兩個(gè)溫度探頭判斷比較集熱器內(nèi)和裝煙室內(nèi)溫差的大小來控制風(fēng)機(jī)、電動風(fēng)閥的開啟和關(guān)閉。向AT80C52單片機(jī)寫入程序可以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)集熱器內(nèi)的溫度比裝煙室內(nèi)的溫度高15 ℃時(shí)，送風(fēng)管和回風(fēng)管里的兩個(gè)電動風(fēng)閥開啟，同時(shí)送風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)機(jī)開啟；當(dāng)溫差下降到小于8 ℃時(shí)，兩個(gè)自動控制風(fēng)閥關(guān)閉、風(fēng)機(jī)停止工作。

1.2控制系統(tǒng)構(gòu)成控制系統(tǒng)裝置由溫度傳感器、單片機(jī)、繼電器、交流接觸器、電動風(fēng)閥和風(fēng)機(jī)等組成(圖2)。

1.2.1AT80C52單片機(jī)。溫差控制系統(tǒng)的單片機(jī)選用AT80C52，AT80C52是INTEL公司MCS-51系列單片機(jī)中基本的產(chǎn)品，屬于AT80C51增強(qiáng)型單片機(jī)版本，更適用于電機(jī)控制等場合。AT80C52內(nèi)置8位中央處理單元、256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM(是AT80C51的2倍)、8 k片內(nèi)程序存儲器ROM(是AT80C51的2倍)，32個(gè)雙向輸入/輸出(I/O)口、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和5個(gè)兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路。此外，AT80C52還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)CPU而RAM定時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存RAM數(shù)據(jù)，時(shí)鐘振蕩停止，同時(shí)停止芯片內(nèi)其它功能。AT80C52片內(nèi)有 ROM，無須外接外存儲器，更能體現(xiàn)“單片”的簡練[3]。

1.2.2溫度傳感器。溫差控制系統(tǒng)的溫度傳感器選用DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20，它屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器，具有體積小，接口方便等特點(diǎn)[4]。它采用單總線專用技術(shù)，既可通過串行口線，也可通過其他I/O口線與微機(jī)接口，不需外接AD轉(zhuǎn)換器，直接輸入被測溫度值(9為二進(jìn)制數(shù)，含符號位)，測溫范圍為-55~+125 ℃(集熱器內(nèi)空氣最高溫度為120 ℃，裝煙室內(nèi)最高溫度為70 ℃)。

1.2.3繼電器。溫差控制系統(tǒng)的繼電器選用固特牌小功率單相交流固態(tài)繼電器，采用國際上SSR最新設(shè)計(jì)線路，輸入采用直流控制型式，輸出端由雙向可控硅交流開關(guān)組成，內(nèi)置瞬態(tài)TVS保護(hù)和高I2T技術(shù)，有效保護(hù)過壓過流，交流過零通斷[5]。采用國際頂尖品牌元器件，光電隔離，雙硅增強(qiáng)輸出或單硅反并聯(lián)增強(qiáng)輸出，開關(guān)型式分為過零導(dǎo)通型和隨機(jī)導(dǎo)通型。

1.2.4交流接觸器。交流接觸器的工作原理與繼電器一樣，都是通過電磁線圈通斷電控制觸頭動作[6]，繼電器只能直接接小功率負(fù)載，如果接大功率負(fù)載就會使觸點(diǎn)被擊穿，而交流接觸器可以接大功率交流負(fù)載。因?yàn)闇夭羁刂葡到y(tǒng)的負(fù)載是兩個(gè)電動風(fēng)閥和風(fēng)機(jī)，功率比較大，同時(shí)為了不影響單片機(jī)的正常工作要進(jìn)行光電隔離，所以采取繼電器接交流接觸器，交流接觸器再接負(fù)載的接線方法。

2硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1溫差控制系統(tǒng)的硬件電路溫差控制系統(tǒng)主要由傳感器、復(fù)位電路、單片機(jī)最小控制系統(tǒng)、執(zhí)行部件等幾部分組成，其中AT80C52單片機(jī)是該系統(tǒng)的核心部件(圖3)。

(1)由于系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集集熱器內(nèi)和裝煙室內(nèi)的溫度，所以分別在集熱器內(nèi)和裝煙室內(nèi)安裝了2個(gè)DS18B20溫度傳感器(圖2中的U2和U3)，單片機(jī)通過DS18B20采集到的溫度信號對執(zhí)行部件進(jìn)行控制。溫度傳感器的電源由可調(diào)基準(zhǔn)電壓源TL431提供，該電壓源具有隨溫度和時(shí)間的變化維持基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定的能力。

(2)AT80C52片內(nèi)有8KB的ROM/EPROM，因此，只需要外接晶體振蕩器和復(fù)位電路就可以構(gòu)成最小系統(tǒng)。按鍵模塊對預(yù)設(shè)溫差進(jìn)行加減(P1.4和P1.6接口)，從而設(shè)定溫差的上限和下限。

(3)AT80C52不能直接驅(qū)動繼電器，需接一個(gè)放大電路。二極管D1、D2，三極管Q2，電阻R3組成放大電路。由于控制端是220 V的強(qiáng)電，因此繼電器直接接負(fù)載的話，很容易造成單片機(jī)的復(fù)位和繼電器觸點(diǎn)的損壞，所以該系統(tǒng)的控制思路是：單片機(jī)給繼電器一個(gè)控制信號，把繼電器當(dāng)一個(gè)開關(guān)使用，然后接交流接觸器，最后交流接觸器再接負(fù)載。3個(gè)負(fù)載并聯(lián)連接。負(fù)載分別為風(fēng)機(jī)、和2個(gè)電動風(fēng)閥(帶有彈簧復(fù)位，斷電后閥門自動復(fù)位)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是控制系統(tǒng)的靈魂，需要與硬件配合，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較判斷來控制風(fēng)機(jī)和電動風(fēng)閥?？紤]到不同需求，溫差上限和溫差上限可以通過按鍵來設(shè)置和修改，該系統(tǒng)的溫差上限為15 ℃，溫差下限為8 ℃。同時(shí)，

為最大限度的利用太陽能，設(shè)計(jì)出以下程序思想，程序采用C語言進(jìn)行編寫。程序流程如圖4所示。

4結(jié)論

(1)該系統(tǒng)已在太陽能輔助熱源密集烤煙房中投入使用，通過AT80C52單片機(jī)智能控制，采用溫差控制系統(tǒng)充分利用太陽能加熱，給烤房節(jié)約了大量煤炭資源。

(2)該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、執(zhí)行精度高，保證了風(fēng)閥在溫差降到設(shè)定下限以下后及時(shí)關(guān)閉，減少烤房通過送風(fēng)管和回風(fēng)管損耗的熱量。

(3)該系統(tǒng)控制程序簡單，簡化了一些不必要的控制流程，縮短了負(fù)載執(zhí)行命令的時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭全偉，侯躍亮，宗樹林，等.密集烤房在烘烤實(shí)踐中的應(yīng)用[J].中國煙草科學(xué)，2005，3(2):15-16.

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收稿日期2015-10-16

作者簡介李絢陽(1990- )，男，河南許昌人，碩士，從事太陽能熱利用以及熱泵干燥方面的研究。*通訊作者，副教授，博士，從事太陽能熱利用以及熱泵干燥方面的研究。

基金項(xiàng)目云南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010ZC076)。

中圖分類號S 214

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2015)33-342-02