基于單片機控制的熱水供應系統的設計

李玉蘭

摘要：目前，商場酒店企業等大中型公共建筑中集中熱水供應系統在集中供應冷熱水混合水溫控制中存在很多問題。針對現有問題，結合現有單片機實訓考核裝置，本文在單片機控制的基礎上分析了熱水供應系統的硬件和軟件，進行了熱水供應系統的設計，來避免供水水溫忽冷忽熱，以實現節約用水、降低成本、減少污染的目的。

關鍵詞：單片機 熱水供應系統 物料搬運

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0009-02

Abstract：At present， the central hot water supply system in large and medium sized public buildings， such as Arcades Hotel， has a lot of problems in the centralized supply of cold and hot water temperature control. In view of the existing problems， the author design the use of single-chip hot water supply system， to avoid the temperature of supply water to water conservation sometimes hot and sometimes cold， achieving the purpose of saving water、 reducing costs and reducing pollution.

Key Words：single chip microcomputer；hot water supply syste；materials handling

目前，商場酒店企業等大中型公共建筑中集中熱水供應系統在集中供應冷熱水混合水溫控制中存在很多問題。利用單片機進行熱水供應系統的設計，可以避免供水水溫忽冷忽熱，以實現節約用水、降低成本、減少污染的目的。結合現有設備情況，選用YL-236型單片機實訓考核裝置來完成單片機控制的熱水供應系統的設計。

1 單片機控制的熱水供應系統的需求分析整體方案設計

單片機控制的熱水供應系統主要由3個子系統來組成：加熱系統、控制系統和用水計量系統。為了保證整個熱水供應系統能夠正常工作，單片機控制的熱水供應系統要滿足人們日常生活對熱水的需求分析，從而確定每個子系統所要完成的基本功能，如下所述：

（1）加熱系統：能根據需要添加燃料將室溫的自來水加熱，使加熱水溫度的變化范圍在20-50℃內變化。

（2）用水計量系統：根據各個水管出口處的水表，來計量出相應的用水量，水量傳感器的電壓與儲水量之間的對應關系如下圖所示。

（3）控制系統：能夠對整個熱水供應系統進行控制。能夠控制自來水加熱的開始、暫停或繼續，能夠控制加熱溫度的調節。

2 單片機控制的熱水供應系統的硬件分析

根據對本系統的功能分析確定，本文所設計的單片機控制的熱水供應系統基于YL-236型單片機實訓裝置所需要的模塊如圖1所示。

2.1 電源模塊

電源模塊的作用主要是控制系統電源通斷，用紐子開關來實現。紐子開關手柄向上為“打開”，向下為“關斷”。電源模塊工作正常相對應的電源指示燈就會亮。在內部電源指示燈就是一個發光二極管，當電源接通，發光二極管正向導通會發光，否則會熄滅。

2.2 MCU01主機模塊

在主機模塊中使用的單片機是AT89C51單片機。AT89C51單片機的管腳圖和內部結構圖如圖2所示。它是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。

2.3 MCU04顯示模塊

顯示模塊的顯示方式有LED燈顯示、數碼管顯示、液晶屏顯示和點陣顯示屏，根據設計要求選擇LED燈顯示、數碼管顯示和液晶顯示模塊做為本設計的顯示模塊。

2.3.1 LED燈顯示模塊

LED燈顯示模塊在內部就是一個發光二極管指示燈，當電源接通，發光二極管正向導通會發光，否則會熄滅。根據本設計任務要求需要選用4個LED燈分別作為電源指示燈、加熱指示燈、進水指示燈和報警指示燈。提示當初始狀態時電源指示燈亮，其余指示燈都是不亮的。當系統開始加熱水溫時對應的加熱指示燈是亮的。當系統開始進水時對應的進水指示燈是亮的。當任何情況下，若爐內水量低于50L，報警指示燈以0.5s的間隔閃爍報警，此時用戶不能用水，代表用戶水表的按鍵失效。若爐內水量高于900L。報警指示燈以0.2s的間隔閃爍報警。若進燃料時燃料區無燃料，則報警以0.5s的間隔閃爍報警，有燃料時自動停止報警。

2.3.2 液晶顯示模塊

液晶顯示不僅可以顯示數字，還可以顯示圖形和漢字，所以在便攜式儀表、消費類產品、娛樂器材等多種裝置上都可以看到它的應用。根據本次設計的要求選用128*64液晶顯示屏作為本次設計各水表用水量的顯示。用水量單位是升，顯示四位。而且要求所有的字體必須使用12*16宋體顯示，標點符號和數字符號均使用全角字符。

2.3.3 數碼管顯示模塊

數碼管顯示模塊是8位LED七段數碼管，在單片機應用系統中，LED七段數碼管的顯示方式有兩種：靜態顯示和動態顯示。靜態顯示常用于顯示位數不多的情況，所謂動態，就是利用循環掃描的方式，分時輪流選通各顯示器的公共端，使各個顯示器輪流導通。根據本設計任務要求需要使用8位數碼管從左到右分別來顯示加熱爐內的實際水量3位（單位是升）、第四位數碼管一直顯示L、溫度傳感器監測到的當前室溫（單位是℃）兩位、最后兩位數碼管對應的是預加熱到水溫度值（單位是℃，初始值是20，即20℃）。所以選用動態顯示，并且爐內水量的檢測刷新速度應不低于0.5S。實際上是使用了7位數碼管來完成本次設計的顯示任務。基于YL-236型單片機實訓裝置使用的數碼管動態掃描顯示是共陽極數碼管，所以編程時要注意定義共陽極字形編碼表然后送至改位顯示的字段。8位的數碼管通過74LS377鎖存器芯片和單片機的接口電路進行連接。

2.4 指令模塊

使用指令模塊中的獨立按鍵作為對應所使用的7位數碼管顯示的操作按鍵。7個按鍵從左到右分別對應“開始”“停止”、“暫停/繼續”、“確認”、“水量/水費”、設置溫度“+”、 設置溫度“-”。 在滿足20℃≤預設熱水溫度值≤50℃的條件下，按下“開始”按鍵，系統進入下面的水加熱過程。根據數碼管顯示的爐內實時水量，系統進入進水作業工作流程。當爐內水量為200L時按下“確認”按鍵后，系統進入投放燃料狀態。當按下“水量/水費”按鍵，則由用水量顯示界面轉換到水費顯示界面。其中，假設熱水的價格為每升0.05元，則應把實際用水量轉換成相對應的用水費用金額。使用“+”或“—”鍵來調節所要加熱熱水的溫度值，每按一次“+”或“—”鍵，數碼管顯示的預設熱水溫度值加2℃或減1℃。當設定的水溫值達到50℃后再按“+”鍵，“+”鍵就沒有反應，然后按“—”達到規定的預設溫度值；若設定的水溫值達到20℃后再按“—”鍵，“—”鍵就沒有反應，設定的水溫值仍為20℃。如果水溫不在這一范圍內，系統就不能進行下一步工作。

2.5 物料搬運模塊

物料搬運模塊的基本組成：智能物料搬運機構支架、雙軸直線搬運機器人機構和接供料機構。在單片機控制的下使用機械手把燃料運到燃燒爐加熱爐內的水。使用YL-G001型智能物料搬運裝置可以模擬燃料搬運過程，燃料有3種類型：高燃燒值的、中燃燒值的和低燃燒值的。一包燃料可以使50升水溫度分別升高36℃、16℃、4℃。在該模塊中分別使用黑球、黃球和白球來代表這三種燃料。根據加熱的數量和溫度可以自由組合使用球的顏色和數量。機械手每搬運走一個球在相同的工位會自動補充相同燃料的球進來。最好的設計方案就要使機械手搬運小球的次數最少。特別提醒的是機械手的輸出信號，必須經過傳感器配接模塊轉換在輸入到單片機中，同時單片機的控制信號，也必須經過繼電器模塊轉換在接入機械手。

2.6 8255拓展模塊

8255是Intel公司生產的可編輯并行I/O口接口芯片。它的特點是I/O口多、工程強，與單片機配置，接口設計簡單，具有直接置位/復位能力，易于控制應用接口，提高了直流驅動能力。為了滿足本設計中單片機端口的需要，因此選用8255可編程外圍并行接口進行拓展。

2.7 物料傳送模塊

物料傳送模塊就是步進電機模塊，步進電機作為執行元件是機電一體化控制技術的關鍵部件之一，應用非常廣泛。本設計就是選用步進電機來模擬指針式溫度計，指示爐內的實時水溫值。步進電機沒走1mm代表溫度變化0.5℃。如果步進電機指針指示在40mm處，這時表示爐內水溫為20℃。

2.8 繼電器模塊

繼電器的工作是通過單片機的I/O口輸出高低電平到輸入端KA6來實現的。輸出低電平，繼電器得電，否則，相反。在本設計里繼電器主要來控制機械手上下左右夾放動作。

2.9 溫度檢測模塊

Dallas半導體公司的數字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。可用于現場溫度測量，以數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。本設計選用的溫度傳感器主要用于檢測當前的室溫值（℃）。

2.10 傳感器配接模塊

機械手的傳感器是24V單片機，不能直接連接到單片機上，要用傳感器配接模塊轉換成5V。

2.11 A/D轉換模塊

單片機廣泛用于實時控制和實時數據的處理。未處理器所加工和處理的信息是數字量，而被測或被控對象的有關參量往往是一些連續變化的模擬量，如溫度、電壓、電流等。因此必須將模擬量轉化為數字量。在本設計中選用實訓裝置中的ADC/DAC模塊上的電壓源的電壓來模擬水量檢測傳感器的檢測輸出電壓值。使用時手動調節調壓電位器得到某一輸出的電壓值，模擬水量檢測傳感器在該水量時的輸出電壓。

3 單片機控制的熱水供應系統的軟件分析

根據單片機控制的熱水供應系統連接實訓裝置模塊，并接好系統電源。然后啟動單片機集成開發環境，建立新工程，將編寫的程序導入到工程中，設置好工程的編譯參數，編譯得到hex格式的目標文件。編譯完成后，連接仿真器，把程序下載進去。測試并調試完成單片機控制的熱水供應系統的各項功能和要求。

4 結語

本文根據單片機控制的熱水供應系統的功能和要求分析，基于YL-236型單片機實訓裝置進行了該系統所需要的硬件和軟件的分析和設計，最終實現了該系統的功能要求。

參考文獻

[1]崔金輝.熱水供應自動控制系統的實現[J].電子世界，2013（01）：50-51.

[2]尹青山，張曉光，張德瑋，等.單片機在公共建筑集中供應熱水系統中水溫度控制的應用[J].電氣應用，2016，08：91-93.

[3]葛金印，商聯紅.單片機控制項目訓練教程[M].高等教育出版社，2010.