太阳能热水器辅助电加热器的设计.pdf

计算机应用C o m p u t e rA p p l i c a t i o n s自动化技术与应用2 0 0 8 年第27 卷第9 期太阳能热水器辅助电加热器的设计徐鸿浩，谷刚(广东工业大学自动化学院，广东广州5 1 0 0 0 6)摘要：针对目前市场上太阳能热水器辅助电加热控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不便等问题。本文给出了一种基于5 1 单片机实现的太阳能热水器辅助电加热器的设计方案。该系统以A T 8 9 S 5 2 为控制核心，A D 5 9 0 实现温度检测。该辅助加热器实时显示热水器的水温，自动开启加热装置等功能，具有较高的测量精度和控制精度。关键词：A T 8 9 S 5 2 单片机；温度控制；A D 5 9 0中图分类号T P 3 6 8 1文献标识码：B文章编号：1 0 0 3 7 2 4 l(2 0 0 8)0 9 0 0 3 7 0 4A nA u x i l i a r yE l e c t r i c a IH e a t e rf O rl h eS o l a r-P o w e r e dW a l e rH e a t e rX UH o n g h a o，G UG a n g(A u t o m a t i o nc o l l e g e，G u a n gD o n gU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y,G u a n g z h o u51 0 0 0 6C h i n a)A b s t r a c t：T h i sp a p e rp r e s e n t sa na u x i l i a r yh e a t e ro fs o l a rw a t e rh e a t e r sb a s e do nt h em i c r o c o n t r o l l e ro fm o d e l51 T h eA T 8 9 S 5 2i su s e da st h eC P U，a n dA D 5 9 0i sf o rt h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t T h ea u x i l i a r yh e a t e rc a nd i s p l a yt h et e m p e r a t u r eo fw a t e r，a n ds w i t c ho nt h eh e a ti n s t a l l a t i o na u t o m a t i c a l l y K e y w o r d s：m i c r o c o n t r o l l e ro fA T 8 9 S 5 2；t e m p e r a t u r ec o n t r o l；A D 5 9 01引言伴随着住宅消费和人们对生活品质要求的不断提高，热水器已经成为普通中国人追求的商品。太阳能热水器，由于太阳能可无偿使用，对环境无污染安全、可靠，无需维护并且使用寿命长，而成为国家大力提倡的环保节能型产品。但目前市场上太阳能热水器辅助电加热器的控制系统几乎都不具有温度控制功能，有些热水器即使有此功能，也由于控制精度不高，存在过烧现象而严重浪费电能I t l。本文利用集成温度传感器A D 5 9 0设计并制作了一款基于A T 8 9 S 5 2 单片机的太阳能热水器辅助电加热器。将其安置在水箱里，以备阴，雨、雪天使用。该加热器具有较高的测量精度和控制精度。2系统总体结构太阳能里面另有两个温度感应器，当太阳能不足时，首先太阳能板上的传感器发挥作用，让A 原副线圈工作，闭合开关一，当水温不能达到一定程度的时候，另一传感器工作，让B A 原副线圈工作，闭合开关二，在开收稿日期：20 0 8 0 3-2 4关一、二的共同作用下，电加热器电源开关打开，单片机控制动作有效。本辅助电加热控制器由温度检测电路、信号调理电路，A D 转换电路和单片机等组成，如图1 所示。工作原理如下：通过温度传感器将被测温度转换成电信号，经信号调理电路放大后，由A D 转换电路转换成数字信号输入单片机，单片机对比预先设定的温度，判断是否需要开启辅助加热器，同时将温度值实时显示在L E D 显示器上。饵母A 礴哟卫生一一曩L 一嚣H=卜片机量筑图1系统总体设计框图3系统硬件结构3 1 单片机最小系统设计 万方数据自动化技术与应用2 0 0 8 年第2 7 卷第9 期计算机应用C o m p u t e rA p p l i c a t i o n s。，t弄H _ 豫黼图2最小系统图单片机最小系统如图2 所示，由主控器A T 8 9 S 5 2、时钟电路和复位电路三部分组成【2 1。单片机A T 8 9 S 5 2 作为核心控制器控制着整个系统的工作，而时钟电路负责产生单片机工作所必需的时钟信号，复位电路使得单片机能够正常、有序、稳定地工作。3 2 温度采集电路设计温控系统是保证热水器温度的控制中枢，直接影响热水器的使用性能。若温控系统灵敏度不够，就会使热水器总是处于启动的状态，耗电量就大。在传统的电热水器中，温度传感器多采用的是热电偶、热电阻，其灵敏度难以满足要求。因此本系统温度传感器选用A D 5 9 0，它是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源，是一种价格低廉高精度的温度传感器，具有体积小、稳定性好，测量精度高等优点，特别是其灵敏度高。A D 5 9 0 测温范围为一5 5+1 5 0，满足人们日常生产和生活中的温度范围。A D 5 9 0 电源电压可在4 V 6 V范围变化，可以承受4 4 V 正向电压和2 0 V 反向电压，因而器件反接也不会被损坏。A D 5 9 0 产生的电流与绝对温度成正比，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1，其电流增加1uA 3 1。运算放大器用L M 7 4 1。L M 7 4 1是单片高性能内补偿运算放大器，具有较宽的共模电压范围，在使用中不会出现闩锁现象，可用作积分器、求和放大器及普通反馈放大器。其电路图如图3 所示f4 1。图3A D 5 9 0 温度采集电路3 3A D 转换电路设计A D S 9 0 测温电路输出的电压信号为模拟信号，要进行数码显示，还需将此信号转换成数字信号。通过A D转换器A DC 0 8 0 4 可以将输入的模拟值转换成数字值，经A T 8 9 S 5 2 单片机处理后输出到P l 以控制温度显示电路。A D C 0 8 0 4 是用C M O S 集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片，分辨率8 位，转换时间1 0 0uS，输入电压范围为0 5 V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5 V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在C P U 数据总线上，无须附加逻辑接口电路。具体硬件连接图如图4 所示【5 1。，1+图4模数转换电路3 4 显示电路设计本系统采用七段L E D 数码管作为显示器。由于本系统设计要求温度检测范围为0 9 9，精度l，数码管只需显示两位即可达到要求，因此，显示部分电路采用两个一位的L E D 数码管来组成显示器，由于不显示小数点，故L E D 数码管的d p 脚悬空。本设计显示电路在应用上有两个特点：一是实时显示热水器当前的水温值，另一个是显示键盘设定的温度值。其电路连接如图5 所示。图5显示电路 万方数据-l _ _-l l _ _ l _ _ l l _ I I II I I I-_-_ _ _计算机应用自动化技术与应用2 0 0 8 年第2 7 卷第9 期数码管是由一个7 4 L S 4 7 连接7 个1 0 0 欧姆的电阻来驱动显示。数码管的V CC 脚分别连接到两个三极管的共射极，而三极管的共集电极连在一起接到+5 V 电源上，共基极分别连接两个4 7 K 的电阻并接到单片机A T 8 9 S 5 2 的P 1 4、P 1 5 管脚上。3 5 键盘电路设计键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输人数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。键盘实质上是一组按键开关集合，通常选用机械弹性开关，它们利用了机械触点的合、断作用。键的闭合与否，反映在输出电压上就是呈现低电平还是高电平，通过对电平高低状态的检测，便可确认是否有按键按下。为了确保C PU 对一次按键动作只确认一次，那就必须消除抖动的影响，这样才能使键盘在单片机系统中使用得更加稳定。常用的键盘接口分为独立式按键接口和矩阵式键盘接口。在本系统中，键盘主要是用来设置热水器的水温，因此采用独立式键盘来完成这一功能，各按键功能见表1。其电路连接如图6 所示。图6键盘电路表1按键功能按键键名功胄苣S 1运行键使系统开始散据采集f I x 3 1 发光指示)S 2功能键接键按下时，显示温室设定值再i t 按键时，显示前温室值S 3加一键设定温壹渐汪加一S 4艟一键设定温熏渐次减一3 6 报警电路设计报警电路主要是由发光二极管和蜂鸣器组成的，其电路如图7 所示。每当用户按一下键，L S l 就会发出“嘀”的一声确认音，提示操作有效。当设定完成热水器开始运行时D Sl 发光，指示当前正在运行。在加热结束后，蜂鸣器会发出三声“嘀、嘀、嘀”，提示热水器可以使用。当整个系统出现故障时，例如没水、不加热等，均发出声音提醒用户处理。I D _ 1 1 1,I t Z n l j D：，I J D 口一3矗 D，I j D I P lJt D 一，q A,研m，I J,n l I I I 髓一】|曩孵t”觏ln，j霸q n-A I I，：J一f 址：蠢f A I J 髀矗阳I 越矗l I!口7-】口 ntIU、I譬a D霸l t 功Il j，1一 l 五m，程巧讳铀J 啊l图7报警电路3 7 控制电路设计控制部分电路图如图8 所示。该电路是由一个固态继电器作为控制开关。固态继电器是一种无触点通断型电子开关，是四端有源器件，其中两个端口为控制输人端，另外两个为输出受控端。为了实现输入与输出的隔离，器件采用了高耐压的光耦合器。当输人信号有效时，电路呈导通状态，反之，呈断开状态，可以实现类似电磁继电器的开关功能。固态继电器将MOSF ET、G T R、普通晶闸管等组合在一起与触发电路封装在一个模块中，而且驱动电路与输出电路隔离。固态继电器是可控硅过零触发器，无触点，不用调节，对电网不会产生波形畸变。因此，非常适合本设计。控制电路工作原理为：当A T 8 9 S 5 2 的R X D 口输出一个高电平时，三极管开始工作，驱动继电器K l 工作，继电器K 1 呈导通状态，加热装置开始工作。图8控制电路4系统软件结构 万方数据自动化技术与应用2 0 0 8 年第2 7 卷第9 期计算机压互用由于用汇编语言编写的程序效率高。占用的内存单元和C P U 资源少，执行速度快，还可直接访问存储器、输入输出接口以及扩展的各种芯片，并可直接处理中断，直接管理和控制硬件设备，适用于实时控制系统，因此，系统软件部分采用汇编语言编写。软件设计部分包括主程序、A D 转换子程序、键盘扫描子程序、显示子程序，这里以主程序为例来进行说明，其工作流程如图9 所示。t图9主程序流程图在主程序中，系统上电自动复位以后首先进行初始化，清除温度缓存区中的数据，然后启动A D C 0 8 0 4转换温度传感器输入的电信号。同时检测是否有键按下设定温度，有则跳至键盘扫描处理子程序，没有则待A DC 数据转换结束读入累加器A，然后进行十进制数据转换调整，输出给温度显示电路。整个系统是一个闭环的，系统工作是循环进行的，这也就实现了实时检测的设计要求。5结束语本系统以单片机A T 8 9 s 5 2 芯片为核心部件，利用温度测量技术配合相应的软件程序，实现了辅助电加热器实时显示热水器的水温，自动开启加热装置等功能，具有较高的测量精度和控制精度，特别是其灵敏度高的优点，很好地满足了节能的要求。参考文献：【1】许磊太阳能热水器的开发应用【J】湖南农机2 0 0 7(7)：1 6 6 1 6 7【2】李广弟，朱月秀，王秀山单片机基础(修订版)【M】北京：北京航空航天大学出版社2 0 0 3 3 0-3 5【3】刘畅生等传感器简明手册及应用电路：温度传感器分册(下册)【M】西安：西安电子科技大学出版社，2 0 0 6【4】4 徐利，邓发旺基于单片机的温度控制系统的设计与实现【J】电子工程，2 0 0 7(2)：2 7-3 1【5】郇玉龙，赵宁简易数字温度计的设计与制作 E B O L 2 1 1 C 中国电子网2 0 0 7：8-1 5作者简介：桧鸿浩(198O 一)，男，在读硕士研究生，研究方向：计算机检测技术。(上接第2 5 页)际存在于秀移示：层中，因此将囊柞为表示层横式。业务委托模式应用于系统的W e b 层，当客户端M D i e t 向服务器发出R P C 请求时，S e r v l e t 从请求流中解析出客户端所要求执行的操作，然后立即将操怍清求转发到业务代理对象B D，业务对象调用会话门面F a c a d e 申神蝴锻卉去，最终由会话门面匹配捌其它会话B e a n 或实体酬刺。图3 给出了系统W e b 层的时序。5结束语本文以一个W E B 应用系统为例，介绍了应用在移动W E B 开发中的几种设计模式。采用设计模式的思想开发的移动应用软件系统，在满足用户需求的同时，提高了程序的运行性能，使软件系统具有良好的结构，并能极大地提高软件系统的易用性，可复用性与可维护性，为后续工作的开展奠定了基础。参考文献【I】N A D I AM O E R T I Y O S O，K I NC H 0 0 N YY O W D e s i g n i n gw i r e l e s se n t e r p r i s ea p p l i c a t i o n so nm o b i l ed e v i c e s【D】S i n g a p o r e：S c h o o lo fC o m p u t e rE n g i n e e r i n g，N T U，2 0 0 2【2】李卉，殷兆麟，金铁锋S e s s i o nF a c a d e 设计模式及其在J 2 E E 系统开发中的应用研究【J】计算机工程，2 0 0 5：3 1(1 4)：2 2 8-2 3 0【3 1G a m m aE 设计模式：可复用面向对象软件的基础【M 1北京：机械工业出版社，2 0 0 2【4】4D e e p a kA l u r，J o h n C r u p i，D a nM a l k s J 2 E E 核心模式【M】北京：机械工业出版社，2 0 0 5作者简介：康世荚(19 80 一)，女，山西大同人，硕士，研究方向：计算机网络应用 万方数据太阳能热水器辅助电加热器的设计太阳能热水器辅助电加热器的设计作者：徐鸿浩，谷刚，XU Hong-hao，GU Gang作者单位：广东工业大学自动化学院,广东,广州,510006刊名：自动化技术与应用英文刊名：TECHNIQUES OF AUTOMATION AND APPLICATIONS年，卷(期)：2008,27(9)参考文献(5条)参考文献(5条)1.郇玉龙;赵宁 简易数字温度计的设计与制作 20072.徐利;邓发旺 基于单片机的温度控制系统的设计与实现 2007(02)3.刘畅生 传感器简明手册及应用电路:温度传感器分册 20064.李广弟;朱月秀;王秀山 单片机基础 20035.许磊 太阳能热水器的开发应用期刊论文-湖南农机 2007(07)本文链接：