李 暉 湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 411104王 婷 衡陽技師學(xué)院 421001

電子科技 Electronics Technology

基于AVR單片機(jī)太陽能熱水器智能控制器硬件設(shè)計(jì)

李 暉 湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 411104
王 婷 衡陽技師學(xué)院 421001

本文主要介紹了AVR單片機(jī)太陽能熱水器智能控制器的硬件部分。主要包括該設(shè)計(jì)的任務(wù)目標(biāo)，各個(gè)硬件單元的介紹。

熱水器；控制器

在全球能源形勢緊張、氣候變暖嚴(yán)重威脅經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活健康的今天，世界各國都在尋求新的能源替代戰(zhàn)略，以求得可持續(xù)發(fā)展和在日后的發(fā)展中獲取優(yōu)勢地位。太陽能以其清潔、源源不斷、安全等顯著優(yōu)勢，成為關(guān)注重點(diǎn)。在太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，太陽能熱水器的熱利用轉(zhuǎn)換技術(shù)是最為成熟的，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也較光伏電池、太陽能發(fā)電等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先一步。太陽能熱水器已成為我國第一個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的可再生能源產(chǎn)業(yè)。從1998年起，中國就成為了太陽能熱水器第一大制造和消費(fèi)市場，現(xiàn)市面上可供選擇的熱水器種類有電、燃?xì)?、太陽能三種類型，近年來，隨著國家對新能源的重視和投入，太陽能熱水器的發(fā)展和市場占有率將會(huì)大大趕超其它兩種類型的熱水器。

1　任務(wù)目標(biāo)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)具有的功能有：北京時(shí)間顯示（可設(shè)置）。集熱器溫度T1顯示。水箱溫度T2顯示。供水端溫度T3顯示。回水溫度T4顯示。水箱水位顯示；水箱水位分檔。輔助加熱狀態(tài)顯示。進(jìn)冷水狀態(tài)顯示。太陽能循環(huán)泵工作狀態(tài)顯示。供熱水泵工作狀態(tài)顯示。定水位進(jìn)水；，當(dāng)水箱水位低于設(shè)定水位A（可設(shè)置）一個(gè)水位檔時(shí)，啟動(dòng)進(jìn)冷水電磁閥，當(dāng)水箱水位達(dá)到設(shè)定水位A 時(shí)，關(guān)閉進(jìn)冷水電磁閥。定溫進(jìn)水；當(dāng)水箱溫度T5（可設(shè)置）時(shí)，啟動(dòng)進(jìn)冷水電磁閥，當(dāng)水箱水位溫度T2高于設(shè)定溫度T6（可設(shè)置）時(shí)，關(guān)閉進(jìn)冷水電磁閥。定時(shí)進(jìn)水；當(dāng)北京時(shí)間在設(shè)定的時(shí)間段t1-t2， t3-t4， t5-t6 內(nèi)時(shí)，啟動(dòng)定水位進(jìn)水功能。當(dāng)北京時(shí)間在設(shè)定的時(shí)間段外時(shí)，關(guān)閉定水位進(jìn)水功能（t1-t2為A， t3-t4為B，t5-t6為C）。低水位保護(hù)；當(dāng)水箱水位低于20% 時(shí)，強(qiáng)制啟動(dòng)進(jìn)冷水電磁閥補(bǔ)水，其他功能全部關(guān)閉，當(dāng)水位達(dá)到40&時(shí)恢復(fù)正常運(yùn)行。滿水保護(hù)；當(dāng)水箱水位達(dá)到100%時(shí)強(qiáng)制關(guān)閉進(jìn)冷水電磁閥。太陽能溫差循環(huán)；當(dāng)集熱器溫度T1與水箱溫度T2相比， T1-T2＞=8時(shí)，啟動(dòng)太陽能循環(huán)泵；當(dāng)T1-T2＜=3時(shí)，關(guān)閉太陽能循環(huán)泵等功能。

2　硬件選型與電路設(shè)計(jì)

智能控制器硬件電路分成六大模塊：主控部分、水溫水位測量部分、水溫水位顯示和按鍵輸入電路、時(shí)鐘電路、各個(gè)閥門及泵的驅(qū)動(dòng)電路、電源電路。

①主控部分：主控部分可以采用FPGA，也可以選用PLC ，本設(shè)計(jì)采用AVR單片機(jī)。AVR 單片機(jī)是一款基于 RISC 指令架構(gòu)的 8位單片機(jī)。 RISC（ReducedInstructuin Set Computer，精簡指令集計(jì)算機(jī)）是 20 世紀(jì)90 年代開發(fā)出來的，綜合了半導(dǎo)體集成技術(shù)和軟件性能的新結(jié)構(gòu)。 AVR 單片機(jī)采用 RISC結(jié)構(gòu)，具有 1MIPS/MHz 的高速運(yùn)行處理能力。 AVR 單片機(jī)運(yùn)用 Harvard 結(jié)構(gòu)，在前一條指令執(zhí)行的時(shí)候就取出現(xiàn)行的指令，然后以一個(gè)周期執(zhí)行指令。在其他的 RISC 以及類似RISC 結(jié)構(gòu)的單片機(jī)中，外部振蕩器的時(shí)鐘被分頻降低到傳統(tǒng)的內(nèi)部指令執(zhí)行周期，這種分頻最大達(dá) 12倍（8051）。 AVR 單片機(jī)是用一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令的，它是 8 位單片機(jī)中第一個(gè)真正的 RISC 結(jié)構(gòu)的單片機(jī)。同時(shí)，AVR 單片機(jī)采用低功率非揮發(fā)的 CMOS 工藝制造，內(nèi)部分別集成Flash、 E2PROM 和SRAM三種不同性能和用途的存儲(chǔ)器，除了可以通過 SPI口和一般的編程器對 AVR 單片機(jī)的Flash 程序存儲(chǔ)器和 E2PROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行編程外，絕大多數(shù)的 AVR 單片機(jī)還具有線編程（ISP）的特點(diǎn)。為調(diào)試和使用帶來了極大的方便。本設(shè)計(jì)采用ATmega16，不但具有以上特點(diǎn)同時(shí)還考慮了AD轉(zhuǎn)換和端口的需求。

②水溫水位檢測電路。太陽能熱水器的水位水溫傳感器是太陽能熱水器控制器的眼睛，它將太陽能熱水器的大部分的信息傳給控制器，控制器通過對這些信息的處理來管理太陽能熱水器，同時(shí)將熱水器的運(yùn)行情況告訴用戶，讓用戶合理正確的利用太陽能。水溫水位檢測電路是太陽能熱水器的重要部件。常用的水位檢測原理主要有兩種一種是導(dǎo)電式，另一種是浮子式。檢測的方法不管是導(dǎo)電式還是浮子式，均采用開關(guān)控制法，利用開關(guān)接通和斷開所造成的電阻的串聯(lián)（并聯(lián)）產(chǎn)生的不同電阻值來傳遞水位信號(hào)，讓控制器通過AD轉(zhuǎn)換后判斷水位。本設(shè)計(jì)采用導(dǎo)電式傳感器，優(yōu)點(diǎn)是成本低，安裝簡便；溫度傳感器采用熱敏電阻，目前統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)是Rt=10KΩ的NTC（負(fù)溫度系數(shù)）電阻， B值在3800左右，精度在3%左右即可。溫度傳感探頭一般是和水位傳感器裝在一起，一般放在水位傳感器的中間部位，它表示太陽能水箱中間部分的溫度。

③水位、溫度顯示和按鍵輸入電路。這部分用于系統(tǒng)和人的信息交互，本設(shè)計(jì)采用五個(gè)獨(dú)立按鍵； K1為加鍵；K2為減鍵， ；K3為菜單鍵， K4 為確定按鍵， K5為強(qiáng)制進(jìn)水按鍵，具體操作過程為： 按菜單鍵一次，進(jìn)相應(yīng)的設(shè)置界面，通過加減鍵可以進(jìn)入水位或水溫控制界面，在水位或水溫設(shè)置界面下，通過確定鍵和加減鍵可以設(shè)置水位水溫的上下限。強(qiáng)制進(jìn)水鍵按下時(shí)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)強(qiáng)制上水功能，沒有進(jìn)入菜單按下確定鍵時(shí)進(jìn)行手動(dòng)加熱。應(yīng)用LCD12864液晶顯示器實(shí)現(xiàn)顯示功能。

④時(shí)鐘電路。給系統(tǒng)提供時(shí)間顯示和參考時(shí)間，采用DS1302，提供。

⑤驅(qū)動(dòng)電路。包括電加熱、上水電磁閥、報(bào)警電路，是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行部分。主要由光電耦合器P521-4，功率驅(qū)動(dòng)芯片ULN2030以及繼電器三部分組成，共同完成對電磁閥和泵的驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)還采用了獨(dú)立的繼電器，通過光耦的隔離，驅(qū)動(dòng)芯片帶動(dòng)繼電器，繼電器把弱電和強(qiáng)電實(shí)現(xiàn)了隔離。

⑥電源電路。電源電路既要供給控制器，同時(shí)還要供給驅(qū)動(dòng)部分。在控制器內(nèi)加入了漏電檢測線圈，當(dāng)各強(qiáng)電部分漏電時(shí)，控制器停止輸出，產(chǎn)生保護(hù)。

3　結(jié)語

本設(shè)計(jì)主要介紹了基于AVR單片機(jī)的太陽能熱水器控制器的硬件部分，通過軟硬件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試，基本能現(xiàn)實(shí)預(yù)期功能。

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