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1 引 言 太陽(yáng)能與建筑一體化是城市建筑發(fā)展的必然趨勢，分體承壓太陽(yáng)能熱水器是太陽(yáng)能發(fā)展的基本方向。由于分體式太陽(yáng)能熱水系統的集熱部分與儲熱水箱相互分離，二者由管道連接，需要配套溫差循環(huán)換熱控制裝置才能工作。目前，市場(chǎng)上使用的溫差循環(huán)換熱裝置基本都是單機工作，這就要求安裝在離太陽(yáng)能熱水器就近的位置，操作人員必須爬上樓頂才能完成基本的信息查看和基本功能操作。該設計很好地解決了這個(gè)缺點(diǎn)，使用AVR單片機，運用RS 485技術(shù)以及NTC熱敏傳感器技術(shù)，研制開(kāi)發(fā)了該遠程溫差循環(huán)控制器。 2 系統結構和工作原理 遠程溫差循環(huán)控制器主要用于測量、顯示分體承壓太陽(yáng)能熱水器的水箱水溫、集熱器溫度、管道溫度及控制溫差循環(huán)、輔助電加熱、管道防凍和參數設置等�？刂破髦饕芍鳈C、從機、水溫傳感器、防凍傳感器等部分組成。主機核心為ATmega16單片機，通過(guò)RS 485與從機通信，顯示從機采集的溫度數據，并完成基本功能設置，把設置數據傳送給從機；從機也是以ATmega16單片機為主控器，完成數據采集和控制執行，其系統總體結構框圖如圖1所示。 3 系統硬件設計 遠程溫差循環(huán)控制器以ATmega16為核心，該單片機帶有串行接口，可以接485轉換芯片，實(shí)現RS 485通信；內置8位A／D模塊，可直接實(shí)現8通道模擬信號的A／D轉換輸入；帶有512 B的E2PROM，可以實(shí)現數據掉電保護。 3.1 主機電路 主機的主要功能是接收從機采集4路溫度數據，并顯示在128×64的液晶上；主機的另外一個(gè)功能是完成基本的設置，然后把設置參數發(fā)送給從機。主機主要由RS 485通信、鍵盤(pán)輸入、LCD顯示等幾個(gè)模塊組成。 3.1.1 RS 485通信 由于RS 485總線(xiàn)通信模式具有結構簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，通信距離和數據傳輸速率適當等特點(diǎn)，因而已廣泛應用于儀器儀表、智能化傳感器集散控制、樓宇控制、監控報警等領(lǐng)域。 在該設計中使用接口芯片MAX485，如圖2所示。該芯片是Maxim公司的一種RS 485芯片，采用單一+5 V電源工作，額定電流為300μA，采用半雙工通信方式。MAX485芯片的結構和引腳都非常簡(jiǎn)單，內部含有一個(gè)驅動(dòng)器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅動(dòng)器的輸入端，與單片機連接時(shí)只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可。RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當RE端口為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當DE端口為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的管腳PD2控制這兩個(gè)引腳即可。A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數據為1；當A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數據為0。 3.1.2 RS 485通信的抗干擾問(wèn)題 RS 485總線(xiàn)存在自適應、自保護功能脆弱等缺點(diǎn)，如不注意一些細節的處理，常出現通信失敗，甚至系統癱瘓等故障，因此提高RS 485總線(xiàn)的運行可靠性至關(guān)重要。 在該設計中，首先采用光電隔離。圖2中，四位一體的光電耦合器TLP521_1使單片機與MAX485之間實(shí)現了完全的電隔離，消除了相互干擾，提高了工作的可靠性。如圖2所示，單片機接收端RXD接TLP521_1的第13引腳；MAX485的RO接TLP521_1的第3引腳。這樣，當RO有信號輸入時(shí)，TLP521_1的第3引腳，通過(guò)光電耦合管使第13引腳有相應的電信號，從而降低了相互干擾。TXD，PD2的結構和RXD相同。其次，在RS 485的輸出端即A，B兩端加入信號限幅二極管D1～D4，其穩壓值應保證符合RS 485標準，D1和D3取12 V，D2和D4取7 V，以保證將信號幅度限定在-7～+12 V之間，進(jìn)一步提高抗過(guò)壓的能力�？紤]到線(xiàn)路的特殊情況(如某一節點(diǎn)的RS 485芯片被擊穿短路)，為防止總線(xiàn)中其他分機的通信受到影響，在MAX485的信號輸出端串聯(lián)了兩個(gè)3.3 kΩ的電阻R8和R10，這樣本機的硬件故障就不會(huì )使整個(gè)總線(xiàn)的通信受到影響。在應用系統工程現場(chǎng)施工中，由于通信載體是雙絞線(xiàn)，它的特性阻抗為120 Ω左右，所以在線(xiàn)路設計時(shí)，在RS 485網(wǎng)絡(luò )傳輸線(xiàn)的始端和末端應各接120 Ω的匹配電阻(如圖2所示中的R9)，以減少線(xiàn)路上傳輸信號的反射。通過(guò)上述幾點(diǎn)，可以有效地降低RS 485通信中的干擾。 3.1.3 輸出顯示和鍵盤(pán)輸入電路 液晶顯示用的是OCM中128×64的液晶，該液晶顯示模塊為128×64點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，既可顯示各種字符及圖形，又可以顯示4行漢字，剛好符合該設計要求，顯示4路溫度，并可與CPU直接接口，具有8位標準數據總線(xiàn)、6條控制線(xiàn)及電源線(xiàn)。該設計中，由于單片機接口預留有限，所以L(fǎng)CD與單片機的連接采用串行數據輸入方法，數據通過(guò)單片機PA7與LCD串行輸入端的第4引腳相連；PA4、PA5為片選信號，分別接LCD的第15、第16引腳；PA6作為讀／寫(xiě)使能信號，與LCD的第6引腳相連，它不僅接口簡(jiǎn)單，而且節約了單片機的I／0口資源。鍵盤(pán)輸入接口使用到8個(gè)按鍵，采用行列式2×4鍵盤(pán)實(shí)現。 3.2 從機電路 從機的主要功能是完成4路溫度數據采集，并將這些數據傳送給主機；然后接收主機下達的基本設置數據，控制實(shí)現溫差循環(huán)、RS485通信、輔助電加熱、管道防凍等功能。RS 485通信與主機相同，下面主要介紹測溫和繼電器控制部分。 3.2.1 測溫電路 測溫的關(guān)鍵是選擇合適的感溫元件和合理的測溫電路參數。這里選用一種負溫度系數的熱敏電阻器(NTC)，它采用玻殼封裝，體積小，響應快，價(jià)格低，安裝方便。水溫測量使用NTC測溫電阻TG40B503(25℃時(shí)，阻值50 kΩ，B值4 050 K，玻璃封裝)，經(jīng)A／D轉換后由程序查表，控制精確、選擇合理的電路參數，在0～99℃范圍內誤差可小于1 ℃，具有良好的一致性。NTC熱敏電阻的溫度特性一般可用下面的公式表示： RT=RT0exp(B／T-B／T0) (1) 式中：RT，RT0分別為熱敏電阻器在溫度T(單位：K)和T0(單位：K)時(shí)的阻值(單位：Ω)。B為熱敏電阻器的電阻溫度系數(單位：K)。熱敏電阻測溫電路如圖3所示：RT1～RT4為本設計所使用的熱敏電阻；PA0～PA3為從機ATmega16單片機的A／D接口。 3.2.2 繼電器控制電路 系統輸出功率控制有4路，分別有從機ATmega16單片機PB0～PB3端口控制溫差循環(huán)、電加熱循環(huán)、防凍循環(huán)等功能。當主機按“溫差循環(huán)”鍵時(shí)，主機將把信號發(fā)送給從機，從機再將RB0置高，啟動(dòng)手動(dòng)循環(huán)，再次按“循環(huán)”鍵，程序使RB0輸出低電平口，關(guān)閉手動(dòng)循環(huán)。其他功能與“溫差循環(huán)”基本相同。為了防止繼電器可能干擾單片機的控制電路部分，在單片機PB輸出口與繼電器驅動(dòng)接口電路之間加入了光電耦合器TLP521_2，如圖4所示。 4 系統軟件設計 該設計的軟件編程并不復雜，主要有以下幾個(gè)模塊：LCD顯示、RS 485通信、A／D軟件濾波、行列鍵盤(pán)、繼電器控制等。這里主要介紹對RS 485通信、A／D數據的處理。 4.1 RS 485通信格式 在該設計中，雖然只是雙機通信，但是為了以后擴展的需要，通信采用輪詢(xún)方式。通信的發(fā)起端是主機，每次通信都是由主機發(fā)送指令開(kāi)始，然后從機接收指令，根據接收到的指令，判斷執行相應的動(dòng)作。指令共有3種，所以用2位二值代碼。代碼有：00為查詢(xún)，01為設置參數，02為手動(dòng)指令傳輸。 通信流程如下： (1)主機隔100 ms發(fā)查詢(xún)幀，從機返回傳感器數值數據幀； (2)設置參數、狀態(tài)等：主機發(fā)設置參數幀，從機返回設置確認幀； (3)若在定時(shí)時(shí)間內沒(méi)有收到從機返回數據，則重新發(fā)送，一直到從機正確返回。 4.2 A／D數據的處理 測試中發(fā)現，若不對A／D轉換后的溫度數據進(jìn)行處理，直接用于溫差循環(huán)控制，會(huì )使繼電器不時(shí)出現誤動(dòng)作。即使在A(yíng)Tmega16芯片外的測溫電路中加入了各種濾波電路，仍不見(jiàn)改善。因此推斷該干擾可能來(lái)自于A(yíng)／D轉換模塊內部�？紤]到該系統中現場(chǎng)溫度的變化較緩慢，適合采用滑動(dòng)窗口平均法進(jìn)行數字濾波。在采用數字濾波方法對A／D轉換后得到的連續64個(gè)溫度數據進(jìn)行平均后，有效消除了A／D轉換后的噪聲。 5 結 語(yǔ) 以ATmega16為核心的遠程溫差循環(huán)控制器，使用RS 485方案，可以很好地解決遠程通信問(wèn)題。該設計方案具有使用元件少，成本低，抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)。該控制器的功能實(shí)用，控制準確可靠，人機對話(huà)界面直觀(guān)，操作簡(jiǎn)便，能滿(mǎn)足各種分體承壓式太陽(yáng)能熱水器對溫差循環(huán)和電加熱控制的要求。已經(jīng)成功用于分體承壓太陽(yáng)能熱水器的控制中，亦可用于太陽(yáng)能熱水工程中用于溫差循環(huán)控制，具有良好的應用前景。 |
