引 言

隨著人們生活水平的提高， 各種熱水器的使用已相當普及， 與之相配套的控制儀也相繼問世。然而， 目前市場上的各種熱水器控制電路還與理想要求相差甚遠。消費者需要真正的全自動 控制， 以實現使用的最簡單化， 就像家用電視機、電冰箱一樣， 接通電源、設定完畢就不用再操心了。鑒于國內太陽能熱水器市場不斷擴大， 而與其相配套的控制器卻急需改進的情況， 研制了這套太陽能熱水器控制器。本文設計的太陽能熱水器是以AVR Meg a 32 單片機為檢測控制核心，不僅實現了溫度、水位兩種參數的實時顯示功能， 而且具有溫度設定與控制功能?？刂破骺梢愿鶕鞖馇闆r利用輔助加熱裝置使蓄水箱內的水溫達到預先設定的溫度， 從而達到24 小時供應熱水的目的。實際應用結果表明， 該控制器和以往的顯示儀相比具有性價比高、溫度控制與顯示精度高、使用方便和性能穩定等優點，提高了我國太陽能應用領域控制水平， 具有可觀的經濟效益和社會效益。

1 設計目標與實現方案描述

1. 1 系統原理圖

系統原理圖如圖1 所示。其中：W 為水位傳感器（ 壓力式） ， 包含T2 ； T1 為集熱器頂部溫度傳感器； T2 為水箱溫度傳感器， 與水位W一體； T3 為防凍循環溫度傳感器（ 安裝于集熱循環管路最低溫度點） ； T4 為用水管道溫度傳感器（ 安裝于用水循環管路最低溫度點） ； T5 為管道電伴熱溫控傳感器（ 一般安裝于自來水上水管道， 位置可根據實際情況而定） ； P1 為集熱管路循環泵， 亦作為防凍循環泵； P2 為用水管路循環泵（ 亦可用電磁閥+ 自動增壓泵形式）；E1 為上水電磁閥（ 自來水直接進水箱補水） ；E2 為頂水電磁閥（ 自來水進集熱器， 頂水入水箱） ； EH1為電加熱器； EH2 為電伴熱帶（ 選用） 。

圖1 系統原理圖。

1. 2 主要功能及說明

在太陽能熱水工程控制系統中， 需實現：LED 顯示， 溫差循環， 定溫出水， 定溫上水， 自動上水， 定時上水， 低水位上水， 自動加熱， 定時加熱， 電加熱防干燒， 防凍電加熱， 防凍循環， 定時間段定溫管路循環， 高溫保護， 警戒水位保護， 防炸管， 斷電參數與運行狀態記憶，出廠參數復位， 故障及相關報警提示， 安全防護， 管道防凍電伴熱， 用水管道防凍， 水燈顯示方式， 鍵盤鎖， 緊急斷電， 開機自檢等眾多功能。可以將這些功能分為以下6 類：鍵盤輸入、A / D 轉換、實時時鐘、數據顯示、E2PROM的使用和故障報警。該系統利用低功耗高性能的RISC 單片機AVR 作為控制電路的核心， AVR 微處理器是Atmel 公司的8 位嵌入式RISC 處理器， 具有高性能、高保密性、低功耗等優點。程序存儲器和數據存儲器為可獨立訪問的哈佛結構， 代碼執行效率高。系統采用的AVR Meg a 32 處理器包含有32 KB 片內可編程FLA SH 程序存儲器； 1 KB 的E2PROM 和2 KB的RAM； 同時片內集成了看門狗； 8 路10 位ADC； 3 路可編程PWM 輸出； 具有在線系統編程功能， 片內資源豐富， 集成度高， 使用方便。AVR Mega 32 可以很方便地實現外部輸入參數的設置， A / D 轉換， E2PROM 的數據存儲， 工作狀態的指示等。

1. 2. 1 鍵盤輸入

鍵盤輸入部分可用4*4 按鍵組成0~ 9 數字鍵及確認鍵， 8 位數碼管組成顯示電路提示信息。單片機應用系統中， 鍵盤掃描只是單片機的工作內容之一。單片機在忙于各項工作任務時， 如何兼顧鍵盤的輸入， 取決于鍵盤的工作方式， 而鍵盤的工作方式取決于CPU 的忙、閑情況而定。其原則為既要保證能及時響應按鍵操作， 又不要浪費過多的CPU 工作時間。通常， 鍵盤的工作方式有3 種， 即編程掃描， 定時掃描和中斷掃描。

為進一步提高掃描鍵盤的工作效率， 可以采用中斷掃描方式， 只有在鍵盤有按鍵按下時， 才執行鍵盤掃描并執行按鍵功能程序。而鍵盤的識別方法又可以分為3 種：

掃描法， 線反轉法和編碼法。對于按鍵較少的獨立式鍵盤可采用編碼法， 如4 * 4 的鍵盤， 鍵盤可以編碼為：

01H， 02H， ……， 0FH， 10H 共16 個。

1. 2. 2 A/ D 轉換

關于溫差循環， 定溫出水， 定溫上水， 自動上水， 低水位上水， 自動加熱， 電加熱防干燒， 防凍電加熱， 防凍循環， 高溫保護， 警戒水位保護， 防炸管， 安全防護， 管道防凍電伴熱， 用水管道防凍等大多數功能就是對系統多處進行水溫水位檢測， 也就是將傳感器的模擬量通過AVR Mega 32 自帶的8 路10 位ADC 進行A/ D 轉換。

檢測水溫現多采用PT100 傳感器， 電路圖如圖2所示。

圖2 Pt100 電路圖。

R2 ， R 3 ， R4 和Pt100 組成傳感器測量電橋， 為了保證電橋輸出電壓信號的穩定性， 電橋的輸入電壓通過TL431 穩至2. 5 V。從電橋獲取的差分信號通過兩級運放放大后輸入單片機。電橋的一個橋臂采用可調電阻R3 ， 通過調節R3 可以調整輸入到運放的差分電壓信號大小， 通常用于調整零點。放大電路采用LM358集成運算放大器， 為了防止單級放大倍數過高帶來的非線性誤差， 放大電路采用兩級放大， 如圖3 所示， 前一級放大倍數約為10 倍， 后一級約為3 倍。溫度在0 ~100 # 變化， 當溫度上升時， Pt100 阻值變大， 輸入放大電路的差分信號變大， 放大電路的輸出電壓AV 對應升高。

一般在使用Pt100 的溫度采集方案中， 都會對放大器LM358 采集來的模擬信號AV 進行溫度采樣， 即進行A/ D 轉換。

在對數值進行濾波操作之后， 還要將A/ D 值轉換為溫度， 只需要確定比例系數K 和基準偏差B 即可。

溫度轉換的C 語言實現過程為：

temper ature= （ adc_data* K） - B; / / 換算成溫度值

1. 2. 3 實時時鐘

采用DALLAS 公司推出的涓流式充電時鐘芯片，它內部集成了實時時鐘/ 日歷和31 B 靜態RAM， 可以通過串行接口與單片機進行通信。實時時鐘、日歷電路電路提供秒、分、時、星期、月、年的信息， 每個月的天數和閏年天數可自動調整， 時鐘操作可通過AM/ PM 標志位決定采用24 小時或12 小時時間格式。DS1302 與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式通信， 僅需3 根線：復位（ RST ） 、I/ O 數據線、串行時鐘（ SCLK） 。

DS1302 工作功耗很低， 保持數據和時鐘信息時， 功耗小于1 mW。利用它很容易實現自動上水、自動加熱的控制和時間顯示。假設這里單片機設置報警為凌晨3 點整， 啟動電加熱， 當CPU 讀出DS1302 時間為3 點即可使對應的I/ O 管腳輸出高電平， 打開繼電器啟動加熱器， 定時上水功能同理。同時在不顯示溫度和水位時，它還可作為精確的電子鐘進行時間顯示。

1. 2. 4 數據顯示

該系統采用靜態顯示的方式， 用3 個數碼管交替顯示水溫、時間、報警的信息， 在按鍵時， 也將用數碼管顯示。水位級別顯示則用LED 顯示。顯示電路由3 個移位寄存器74H C164 和3 個數碼組成。每個數碼管接有8 個1 k 電阻， 保護數碼管， 防止電流過大燒壞數碼管。具體的電路如圖3 所示。

圖3 數碼管靜態顯示。

1. 2. 5 其他部分

本系統除復位鍵、手動上水和手動加熱允許鍵外，其余的按鍵為選擇設定項目（ 溫度顯示或定時顯示） ， 每按一下choose 鍵， 設定功能變換1 次。按1 次 + 鍵，設定值對應加1。按1 次 - 鍵， 設定值對應減1。為了防止設定的參數在掉電后丟失， 利用了E2PROM 存儲各設定參數。

2 結 語

本文設計的太陽能工程熱水器控制器， 硬件設計簡單， 功能強大。經試驗證明系統穩定， 操作方便， 值得推廣。本文給出的電路是一種最基本最簡單的電路， 其目的是給出一種單片機的控制模式， 亦可以根據用戶需求， 添加更多附加功能。