基于AVR单片的机热水控制器的设计.docx
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基于AVR单片的机热水控制器的设计
摘要
温度是一种最基本的环境参数,人们的生活与环境的温度息息相关,工业生产过程需要实时测量和控制温度,农业生产也离不开温度的测量,因此研究温度的测量和控制方法和装置具有重要意义。
测量温度的关键是温度传感器,温度传感器的发展经历了三个发展阶段:
传统的分立式温度传感器。
模拟集成温度传感器。
智能集成温度传感器。
目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式,从集成化向智能化,网络化的方向飞速发展。
本文介绍了以AVR单片机核智能数字温度传感器DS18B20为核心设计的一种多功能热水控制器,通过AT90S8518单片机及软件编程,具有自动和手动加水、设置水温、实时显示水量及温度,漏电报警功能。
目前,能源紧张和全球气候变暖使绿色节能产品已成为当今社会热点,家用太阳能热水器也随之兴起,本文所设计的控制器具有性价比高、工作可靠、精度高等特点,为太阳能热水器的进一步推广使用起到了一定推动作用。
关键词:
AVR;DS18B20;数字温度传感器;太阳能
Abstract
Thetemperatureisonekindofthemostbasicenvironmentsenate,people’slivelihoodandtheenvironmenttemperatureiscloselyrelated,theindustrialproductionprocessneedsthereal-timemeasurementandthecontroltemperature,theagriculturalproductionalsocannotleavethetemperaturesurveying.Thereforetheresearchtemperaturesurveyandthecontrolmethodandtheequipmenthavethevitalsignificance.Thesurveytempterandthecontrolmethodandtheequipmenthavethevitalsignificance.Thetemperaturesensordevelopmenthasexperiencedtheredevelopmentphases:
Traditionalminuteverticaltemperaturesensor.
Simulationintegrationtemperaturesensor.
Intelligentintegrationtemperaturesensory.Atpresent,oninternationalnewtemperaturesensorfromsimulationtypetodigital,fromtheintegrationtointellectualized,thenetworkdirectionrapidlydevelopsfromsimulationtypetodigital,fromtheintergradationstointellectualized,thenetworkdirectionrapidlydevelop.
ThisarticleintroducedtaketheAVRsingle-chipmicrocomputerandintelligentnumeraltemperaturesensorDS18B20asthecoredesignonekindofmulti-purposehotwatercontroller.PasstheAT90S8518single-chipmicrocomputerandsoftwareprogramming,haveautoandhandoperationtofillwithwater,establishwatertemperature,real-timeshowsamountofwaterandtemperature,theelectricleakagereportstothepoliceafunction.
Currently,
Keywords:
AVR;DS18B20;1-WireTMDigitalThermometer;
第1章绪论
1.1引言
本文设计的基于AVR单片的机热水控制器,简称智能热水控制器。
是在早期机械式温度传感器发展起来的智能一体化多功能热水控制器,它消除了老式机械式热水控制器精度差,使用寿命低,故障率高的缺点。
由DS18B20代替老式的温度记忆合金温控开关、AT90S8515主控芯片、耐压电磁阀、漏电防护系统、水位传感器,键盘按键等部分组成。
用于太阳能热水器水温水位综合控制,具有精确测温功能、智能水位控制、漏电保护、防溢、功能等。
解决了传统老式机械水温控制器体积大,故障多的缺点,就有体积小,功能强大,的优点对太阳能热水器的推广起到了深远意义。
目前,我国太阳能热水器年安装量2000多万平方米,总保有量达1亿平方米,仅就现在的安装量而言,每年可节约标准煤1500万吨,到2010年将达到3000万吨;每年可减排二氧化碳750万吨,到2010年将达到1500万吨。
太阳雨新能源集团的太阳能热水器遍及70多个国家和地区,外贸出口居行业首位,在国际合作方面积累了丰富经验。
作为中国太阳能产业国际化领航者,此次由他们提出将中国太阳能纳入世界CDM项目具有深远意义。
1.2设计意义
目前,中国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国,年产量约为世界各国之和,已有一百多家太阳能热水器生产厂。
但是与之配套的太阳能热水器控制器却一直处在研究与开发阶段。
这种控制器只具有温度和液位显示功能,而且为分段显示,温度显示误差为10%,水位显示误差为25%。
这种显示器(还称不上控制器)不具有温度控制功能,当由于天气原因而光强不足时,就会给热水器用户带来不便;即使热水器具有辅助加热功能,由于加热时间不能控制而产生过烧,从而浪费大量的电能。
本文设计的太阳能热水器控制器不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示功能,而且具有时间设定、温度设定与控制功能。
温度控制采用模糊控制,控制器可以根据天气情况利用辅助加热装置使蓄水箱内的水温在设定时间达到预先设定的温度,从而达到24小时供应热水的目的。
太阳能热水器是太阳能利用中最常见的一种装置,经济效益明显,正在迅速的推广应用,太阳能热水器能够将太阳辐射能转换热能,供生产和生活使用。
他主要由平板集热器、蓄水器和连接管道等部件组成,可分循环式、直流式和闷晒式。
当今社会发展日新月异,人们衣食住行也在不断的提高。
现有电热型热水器费用昂贵及燃气型的不安全性,且排放二氧化碳污染大气,北方用煤气取暖造成城市空气环境污染,这些都是太阳能热水器良好的外部生存环境。
太阳能热水器克服了上述缺点,他是绿色环保产品。
它使用简单、方便。
太阳能热水器顺应时代发展的要求,满足人们对环保绿色产品的需求。
在人类文明程度日益提高的今天,它是现代文明社会的最佳选择。
应该注意到,集体单位对太阳能热水器的用量很大。
新建商住楼安装热水器,已是房屋开发公司计划之内的事,配套热水器的商品房销势更好。
此款热水器包括主、从两大系统:
主系统的特点是在晴好的天气利用太阳光能为热水器加热;从系统相当于电热水器,它在无光照的情况下利用电辅助加热。
它充分利用太阳能的丰富的免费的资源的优势,同时考虑到在阴天及夜间无法利用太阳能的缺点,充分发挥太阳能热水器和电热水器的各自优势,这是世面上大部分热水器所不能比拟的。
第2章系统总体方案的设计
2.1系统总体方案的设计
电热水器(多为承压式)的控制电路与太阳热水器(多为无压式)相比,除少去了水位控制部分之外,其余电路完全一样。
所以,本文仅以无压式热水器为例通过分析,给出具体电路。
实现太阳能热水器(附带电加热)的全自动控制。
实质上就是实现热水器水箱里缺水时能自动补充冷水;水温不足时能自动加热补温。
但是,在用水的时间段里,电路可以补温,而不允许补冷水。
以免冷热水相混。
在非用水的时间段里,电路可以补水,而不允许加热补温。
这样才能避免长时间不停的保温加热带来的不必要的能量浪费。
而且,电加热补温也只能是在日晒水温达不到设定值时的一个补偿而已。
通过AT90S8515单片机设定从而进行智能控制。
考虑到实用性,电路还具有水温选择,水位选择及显示功能。
当水温达到设定值后电加热器关闭并锁死,避免再次启动、保证用水安全。
本文中的AVR单片机的热水控制器系统主要有水温/水位测量部分、执行机构部分、单片机和显示、报警部分组成。
系统介绍采用AT90S8515单片机中的作为主控芯片,来完成所设计功能的实现其工作原理如图2.1所示。
图2.1系统总体控制框图
2.2工作原理
由数据采集部分将相关数据送入单片机(AT90S8515)完成系统数据的运算、分析、处理、存储和控制等功能,可以结合实际调整指令,并最终由单片机发出命令到各控制执行机构完成所设定的操作要求。
AT90S8515作为主控芯片,控制整个系统的数据处理、运算、存储和发出控制命令等功能。
DS18B20做水温采集;LLE105000液位传感器;显示部分由7段LED数码完成,漏电保护系统由算法放大器和比较器。
整个系统在主控芯片的控制下完成相关任务。
2.3器件选择
由AT90S8515作为主控芯片,DS18B20作为水温传感器、LEE10500作为水位传感器,DS1032作为外接时钟芯片、74LS156、74LS47以及数码二极管组成显示电路、按键电路、漏电检测电路、报警电路组成。
下面文章分别介绍各部分的功能,芯片引脚定义、参数、逻辑语言及其工作特性。
第3章单元电路设计及工作原理
3.1传感器简述
传感器已大举进军汽车、医疗、工业和航天应用领域。
但您也许尚未看到任何变化。
在安全、便利、娱乐以及效率因素等方面日益增长的需求,加上世界各地政府的法令将会使传感器的应用得到空前膨胀。
除了预计传感器将在无线和消费品领域应用的急剧膨胀之外,您还会明白为何传感器生产商有望在2010年结束前迅速开发庞大的市场和应用领域。
这些传感器中的大多数将是微机电系统(MEMS)和微系统技术(MST)类型,以及应用前景十分广阔的微传感器。
文本应用的传感器有DS18B20温度传感器和LLE105000光电液位传感器。
3.1.1温度传感器发展史
温度传感器,使用范围广,数量多,居各种传感器之首。
温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段:
1.传统的分立式温度传感器(含敏感元件)。
2.模拟集成温度传感器/控制器。
3.智能温度传感器。
目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式,集成化向智能化,智能化向网络化的方向发展。
3.1.2温度传感器分类
温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类:
一类是接触式温度传感器,一类是非接触式温度传感器。
接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触,通过热传传导及对刘原理达到热平衡,这是的示值即为被测对象的温度。
这种测温方法精度比较高,并可测量物体内部的温度分布。
但对于运动的,热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象,这种方法将会产生很大的误差。
非接触测温度测温元件与被测对象互不接触。
常用的是辐射热交换原理。
此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象,也可以测量温度场的温度分布,但受环境的影响比较大。
1.传统分立式温度传感器-热电偶传感器。
热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器,它与被测对象直接接触,不受中间介质的影响,具有较高的精度;测量范围广,-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁-镍铬,最低可测-259℃,钨-铼可测2800℃。
2.模拟集成温度传感器。
集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺制成的,因此亦称硅传感器或单片机集成温度传感器。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世,它将温度传感器集成在一个芯片上,可完成温度测量及模拟信号输出等功能。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度),测量误差小,价格低,响应速度快,传输距离远,体积小,微功耗等,适合远距离测量,不需要进行非线性校准,外围电路简单。
3.光纤传感器。
光纤传感器测温原理光纤测温技术可分为两类:
一是利用辐射式测量原理,光纤作为传输光通量的导体,配合光敏元件的构成结构型传感器;二是光纤本身就是感温部件同时又是传输光通量的功能型传感器。
光纤挠性好,透光谱段宽,传输损耗低,无论是就地使用或远传均十分方便而且布置简单体积小。
二次作为温度计,适用的检测对象几乎无所不包,可用于其他温度计难以应用的特殊场合,如密封,高电压,强磁场,核辐射,严格防爆,防水,防腐,特小空间或特小工件等等。
目前,光纤测温技术主要有全辐射测温法,单辐射测温法,双波长测温及多波长测温等。
光纤技术的发展,为非接触式测温在生产中的应用提供了非常有利的条件。
光纤测温技术解决了许多热电偶和常规红外测温无法解决了却多电热偶和常规红外测温仪无法解决的大问答。
而在高温领域,光纤测温技术越来越显示出强大的生命力。
全辐射测温法是测量全波段的辐射能量而得到温度,周围背景的辐射,介质吸收率的变化和辐射率εT的预测都会给测量带来困难,因此难于实现叫高精度。
单辐射测温法所选波段越窄越好,可是带宽过窄会使探测器接受的能量变得太小,从而影响其测量准确度。
多波长辐射测温法是一种很精确的方法,但工艺比较复杂,且造价高,推广应用有一定困难。
4.半导体吸收式光纤温度传感器。
半导体吸收式光纤温度传感器是一种传光型光纤温度传感器。
所谓传光型光纤温度传感器是指在光纤传感系统中,光纤仅作为光波的传输通路,而利用其它如光学式或机械式的敏感元件来感受被测温度的变化。
这种类型主要使用的数值孔径和芯径大的阶跃型多模光纤。
由于它利用光纤来传输信号,因此他也具有光纤传感器的电绝缘,抗电磁干扰和安全防爆等优点,适用于传统传感器所不能胜任的测量场所。
在这类传输感器中,半导体吸收式光纤温度传感器是研究得比较深入的一种。
半导体吸收式温度传感器由一个半导体吸收器,光纤,光发射器和包括光探测器的信号处理系统等组成。
它体积小,灵敏度高。
工作温度测量等一些特别场合中,是十分有价值的。
5.数字温度传感器。
随着科学技术的不断进步与发展,温度传感器的种类日益增多,数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要的信号调理电路和A/D等各种温度控制系统中。
其中,比较有代表性的数字温度传感器有DS18B20,MAX6575,DS1722,MAX6635等。
3.1.3DS18B20工作原理简介
结合设计要求及实际应用环境本文采用了DS18B20温度传感器DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的只用改进型智能温度传感器。
与传统的热敏电阻相比,他能够直接读出被测温度并且可根据要求通过简单的编程实现9~12位的数字直读方式。
可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量,并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写,温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接DS18B20供电,而无需额外电源。
因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单,可靠性更高。
他在测温精度,转换时间,传输距离,分辨率等方面较DS1820有了很大的改进,给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装,其内部结构框图如2.2
64位激光ROM
64位激光ROM
8位CRC编号
48位序列号
8位产品系列编码
MSBLSBMSBLSEMSBLSB
(最高有效位)(最低有效位)
EEPRAM低5位一直都是1,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动,R1和R0决定温度转换精度位数,即使来设置分辨率。
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
由表3.3可见,设定的分辨率越高,所需要的温度数据转换时间就越长。
因此,在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。
高速暂存存储器除了配置寄存器外,还有其他8个字节组成,其分配如表2.4所示。
其中温度信息(第1,2字节),TH和TL值第3,4节,第6~8字节末用,表现为全逻辑1;第9字节读出的是前面所有的8字节的CRC码,可用来保证通信正确。
表3.3数据分辨率和转换时间
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间/ms
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
275.00
1
1
12
750.00
当DS18B20接收到温度转换命令后,开始启动转换。
转换完成后的温度值就以16为带符号扩展到二进制补码形式储存在高速暂存存储器的第1,2字节。
单片机可通过单线接口读到该数据,读取时低位在前面,高位在后,数据格式以0.0625℃/LSB形式表示。
对应的温度计算:
当符号位S=0时,直接将二进制位转换为十进制;当S=1时,先将补码变换为原码,再计算十进制值。
表3.4码制转换
温度低位
温度高位
TH
TL
配置
保留
保留
保留
8位CRC
在DS1820完成温度变换之后,温度值与贮存在TH和TL内的触发值相比较。
因为这些寄存器仅仅是8位,所以0.5℃位在比较时被忽略。
TH或TL的最高有较位直接对应于16位温度寄存器的符号位。
如果温度测量的结果高于TH或低于TL,那么器件内告警标志将置位。
每次温度测量更新此标志。
只要告警标志置位,DS1820将对告警搜索命令做出响应。
这允许并联连接许多DS18B20,同时进行温度测量。
如果某处温度超过极限,那么可以识别出正在告警的器件并立即将其读出而不必读出非告警的器件。
表3.5所示为一部分温度值
温度
数字输出/(二进制)
安息字输出(十六进制)
+125℃
0000000011111010
00FAh
+25℃
0000000000110010
0032h
+0.5℃
0000000000000001
0001h
+0℃
0000000000000000
0000h
-0.5℃
1111111111111111
FFFFh
-25℃
1111111111001110
FFCEh
-55℃
1111111110010010
FF92h
3.1.4DS18B20具体参数及工作方式
参数特性:
1.独特的单线接口只需1个接口引脚即可通信
2.多点综合测温能力使分布式温度检测应用得以简化
3.不需要外部元件
4.可用数据线供电
5.不需备份电源
6.测量范围从-55℃至+125℃增量值为0.5℃
7.以9位数字值方式读出温度
8.在1秒(典型值)内把温度变换为数字
9.用户可定义的非易失性的温度告警设置
10.告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件温度告警情况
11.应用范围包括恒温控制工业系统消费类产品温度计或任何热敏系统
极限参数:
1.任何引脚相对于地的电压-0.5V至+7.0V
2.运用温度-55℃至+125℃
3.贮存温度-55℃至+125℃
4.焊接温度260℃10秒
封装及引脚定义:
图3.2DS18B20管脚图
管脚功能:
DS18B20采用3脚PR35封装,如图3.3所示。
下面介绍管脚具定义和功能。
GND:
接地端
DQ:
数字信号输入/输出端
VDD:
复用电源端
工作方式:
DS18B20通过使用on-board温度测量专利技术来测量温度时量电路。
图3.3DS18B20工作方式电路图
DS18B20使用中注意到事项:
DS18B20虽然具有测温系统简单,测温精度高、连接方便、占用I/O口线少等优点,但在实际应用中也应注意以下问题:
1.在实际用使用中发现,应使电源电压保持在5V左右,如果电压过低,会使所测得到温度与实际温度出现偏高现象,使温度输出定格在85℃
2.连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。
当采用普通信号电缆传输长度超过50M时,读取的测温数据发生错误,当采用双绞线带屏蔽电缆为总线电缆时,正常通讯距离可达150M,当采用每米胶合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时,正常通讯距离可以进一步加长。
这种情况主要由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。
因此,在进行长距离测量时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。
3.1.5光电液位传感器原理参数及应用
本文采用的液位传感器是霍尼韦尔公司开发的LLE系列光电液位传感器。
相比传统电容式液位传感器和浮子式液位传感器有以下优势:
固态技术,尺寸小,开关量输出,预接线,电气上坚固加强型。
益处:
1.准确可重复开关点
2.安装在空间狭小位置
3.与微处理器兼容
4.方便安装,减少时间
5.反向极性,超电压,短路和浪涌保护
典型应用:
1.家庭电气
2.温泉池
3.自动售货机
4.食品与饮料
5.医疗
6.汽车
图3.4产品实物图
工作原理:
加强型新的光电液位传感器内含光电触发电路输出一个开关信号,指示有/无液位工作模式为传感器内部光反射原理,一个发光二极管(LED)和光接受三极管被包含在传感器前端的半球顶内。
当没有液体时,光线反射到接收管通过球顶,当没有液体时,光线在球顶内部发生部分折射出球体内,引起接收管输出变化,这种液面测量方法,能即时反映液面变化。
技术指标:
指标用户定义的单个on/off开关
工作模式用户定义的单个on/off开关
迟滞2(取决于液体材料)
反应时间上面液面-50μs
下降液面-1smax(酒精内)
其他液体反应时间与粘性有关
环境:
工作温度(℃)-25℃到110℃
贮存温度(℃)-30℃到130℃
热测试AsperBSEN60068-2-33
温度AsperBSEN60068-2-30
振动AsperBSEN60068-2-6PartS3:
1996
机械冲击AsperBSEN60068-2-27Part2Ea:
1987
压力范围(bar)0到5
环境红外光限制(@940nm)(note3)10mW/cminoperation
电气:
供电电压(Vcc)5Vdc±5%
供电电流(mA)15mA额定值
输出沉电流[Note4]@25C,10mAmax@80C,3mAmax
备注:
[备注1]介质兼容性材料可查询
[备注3]对于其他光环境,用户应在使用环境中做测试来确认传感器是否兼容
[备注4]输出是与TTL兼容的电平,用于接口逻辑电路。
若用于其他形式电
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