恒溫系統(tǒng)的設(shè)計

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

北方自動控制技術(shù)研究所 程秀芹

國網(wǎng)能源新疆準東煤電有限公司 岳掌寬

1.引言

由于近年來常規(guī)能源的緊缺，開發(fā)和利用太陽能這樣的綠色能源有著重要的意義，它既是可再生能源，也不會污染環(huán)境。太陽能熱水器也是其中的一大產(chǎn)業(yè)，太陽能熱水器時存在的問題：不可缺水，空曬情況下上水會爆炸；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。現(xiàn)在人們對家用電器的要求越來 趨向數(shù)字化、自動化、智能化。采用太陽能熱水器水溫水位測控系統(tǒng)，能解決上述問題。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)是針對上述問題設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)，由AT89S52單片機和一些外圍設(shè)備，充分運用軟件和硬件結(jié)合的方法實現(xiàn)了當(dāng)前水箱溫度顯示，以及當(dāng)水溫變高自動加熱和高出設(shè)定溫度報警的功能。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，報警器響。

2.系統(tǒng)設(shè)計要求和方案論證

2.1 系統(tǒng)的設(shè)計要求

要求設(shè)計一個恒溫系統(tǒng)，設(shè)計的系統(tǒng)可以實現(xiàn)當(dāng)前水箱溫度和設(shè)定溫度的顯示，可以人工手動控制上設(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：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.用十進制數(shù)碼顯示實際水溫。

d.超出設(shè)定溫度時能發(fā)出報警。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計方案論證

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

方案二：采用單片機為核心控制器的電路。單片機電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，可靠性高，便于實現(xiàn)各個控制功能。水溫由設(shè)置在水箱內(nèi)的四個浮子式微動開關(guān)獲得的電信號檢測，通過單片機處理送達顯示電路顯示當(dāng)前水位。由于實際操作的原因，本設(shè)計水溫檢測用滑動變阻器來代替，通過組織的改變來實現(xiàn)水溫的改變。然后把信號輸入到單片機，獲得當(dāng)前水位顯示。水溫檢測由單片機根據(jù)溫度傳感器(DS18B20)的操作指令和時序，讀取溫度，并送達顯示電路顯示當(dāng)前水溫。本設(shè)計用三個按鍵來控制上水的水量。

從結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟、可操作性等方面來看，方案三都是最佳選擇。方案三以單片機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)計一種太陽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，可通過人工使用按鍵方法來控制加熱器加熱，水溫達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，單片機接受此信號并開始執(zhí)行指令，報警電路工作，此時關(guān)閉加熱器。設(shè)置的三個按鍵也可以實現(xiàn)人工溫度調(diào)節(jié)的功能。

在加熱過程中，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，實用性強。此系統(tǒng)解決了熱水器加熱時需人工守候，達到了省時、環(huán)保、節(jié)水的目的。加設(shè)液晶顯示部分，使整個系統(tǒng)更實用，更趨向數(shù)字化、智能化。

3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

該系統(tǒng)由主控芯片模塊AT89S52、DS18B20溫度檢測模塊、LCD液晶顯示模塊、鍵盤控制模塊、報警模塊和電磁閥開關(guān)模塊組成，下面分別對各個模塊作具體介紹。

3.1 主控芯片AT89S52單片機及接口電路

AT89S52是一個一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(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 溫度檢測模塊的設(shè)計

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，溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段：

(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是功能單一、測溫誤差小、價格低廉、響應(yīng)速度快。傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控制，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。本設(shè)計選用了型號為DS18B20的溫度傳感器，因為它獨特的單線接口，且具有精準度高、抗干擾能力強等優(yōu)點。

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，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)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，使這些電子設(shè)備的人機界面變得越來越直觀形象，目前已廣泛應(yīng)用于電子表、計數(shù)器、IC卡電話機、液晶電視機、便攜式電腦、掌上型電子玩具、復(fù)印機、傳真機等許多方面。

本實驗采用TS12864-3型液晶，這種液晶自帶漢字庫，可直接顯示漢字，采用的驅(qū)動電路是ST7290。

液晶顯示模塊與單片機連接主要考慮以下三點：

(1)單片機若為CMOS芯片，則不用加總線驅(qū)動器等電平轉(zhuǎn)換電路；若為TTL芯片則必須配電平轉(zhuǎn)換電路。

(2)模塊讀/寫控制線為單選，對讀、寫控制線分開的單片機，必須加讀、寫信號轉(zhuǎn)換電路。

(3)根據(jù)對模塊確定的編碼地址，選擇對應(yīng)的譯碼電路。

3.4 鍵盤控制模塊

在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，通常應(yīng)具有人機對話功能，能隨時發(fā)出各種控制命令和數(shù)據(jù)輸入以及報告應(yīng)用系統(tǒng)的運行狀態(tài)與運行結(jié)果。鍵盤是操作人員可以通過按鍵輸入數(shù)據(jù)和命令進行功能設(shè)置，它是本系統(tǒng)中不可缺少的輸入設(shè)備。鍵盤由一組按鍵開關(guān)所組成。按鍵開關(guān)所組成的鍵盤可以分為兩種形式：獨立式按鍵和矩陣式按鍵。本設(shè)計由于按鍵較少，使用的是獨立式按鍵。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單。當(dāng)功能鍵不是很多時，采用該種方式比較合適。獨立式按鍵是指直接用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵單獨占有一根I/O口線。每根I/O口線的工作狀態(tài)不會影響其他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)計了有3個鍵，所用的3個鍵采用直接式接法。3個按鍵可設(shè)置不同檔的水溫刻度：按鍵K1為開始設(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℃。控制部分由三個按鍵K1、K2、K3組成，分別對應(yīng)著三個開關(guān)P1.0、P1.1、P1.2的開閉。

3.5 報警電路和加熱電路

在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，要將輸出的信號轉(zhuǎn)化成具體的功能電路，水溫超過設(shè)定溫度時，報警部分開始工作，具體電路圖如圖2所示。水溫低于設(shè)定溫度時，加熱部分開始工作。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

由于AT89S52單片機的速度不高，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)和代碼編寫上盡量優(yōu)化。

使用AT89S52單片機，12MHZ晶振，P1口讀入時間值，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，單片機片選時鐘芯片，然后發(fā)出信號啟動時鐘。此時單片機內(nèi)部定時器/計數(shù)器也開始工作，不斷掃描時鐘結(jié)束端口有無結(jié)束信號。若有，即啟動信號采集，對時鐘芯片的數(shù)據(jù)輸出口送來的數(shù)值進行存儲處理；若沒有，則繼續(xù)等待。數(shù)據(jù)處理完之后，利用查表法將時間數(shù)值送顯示器顯示出來并通過蜂鳴器打鈴，主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

5.結(jié)束語

本系統(tǒng)以AT89S52單片機為控制核心，外圍電路多以具有串行接口的芯片組成。系統(tǒng)實現(xiàn)了顯示驅(qū)動，數(shù)據(jù)存儲，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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