智能化太阳能热水器控制系统的研究.doc

摘要乙如 何很好的节约和利用能源，特别是可持续性能源，一直是人类所面临的问题了所以研究智能化家庭住宅里的能源如何被更有效的节约和利用，也有着十分现实和长远的意义。而家用太阳能热水器就是一个节约能源，有效利用能源的典型。随着 人 类 生 活 的不断进步，科学技术的不断发展，电子技术在各个领域的广泛应用，智能化家庭住宅模式必将成为人类住宅模式的发展趋势。美国、日本等发达国家已经在这方面做了很多有益的探索和研究，在我国，随着人民生活水平的日益提高，智能化家庭住宅模式也必将在我国兴起、发展和完善。所以实现对家用设备的智能化控制也就成了一种有益的、必要的、积极的探索和研究。同时 ， 自 198 5年以来我国太阳能利用取得了举世瞩目的成绩，太阳能热水器是太阳能热利用中技术最成熟、应用最广泛、产业化发展最快的领域，并且随着大众文明意识的提高、人民生活水平的不断提高以及对生活热水需求的日益增长和拥有9亿人口的农村潜在市场的开发，研究、开发与太阳能热水器相配套的智能化控制系统，也就有着重大意义，同时会创造良好的社会效益。而目前市场上的太阳能热水器控制仪，存在着智能化程度不高、稳定性差、通用性差、界面不友好等缺陷。本项目就是针对这些，开发具有高智能度、通用性“、稳定界面友”的太阳能”水器控制”统子本文 按 照 智 能 化太阳能热水器控制系统的并发过程为线索，按控制系统的开发阶段分为智能化太阳能热水器的开发背景及基本原理、智能化太阳能热水器的硬件与软件开发和智能化太阳能热水器控制系统的调试与实验三个部分，通过七个章节来进行阐述:首先 阐 述 了智能化太附能热水器控制系统开发的必要性。分析了国内外太阳能热水器及其控制系统的现实状况。第 二 章介 绍 了智能化太阳能热水器控制系统的开发核心-P工C单片机的基本情况。第三 章 介 绍了智能化太阳能热水器控制系统的功能及相关特性。第四 章 讨 论了智能化太阳能热水器控制系统的硬件和软件开发和设计。第 五 章 介绍了对智能化太阳能热水器控制系统的模拟调试。一 -，-一一，.闷”. .第六章介绍了对智能化太阳能热水器控制系统的实验及其实验结果分析。最后是全文的小结。AbstractTo e c on om iz ea nd u ti lizee nergyr esource,e speciallyt hel astingenergy resource, is a problem that humankind has faced. So it is sorealistic and significant to research how to economize and utilize energyresource in home using. And the Solar Heater is a good example ineconomizing and utilizing energy resource.The in te lli gentized residential pattern has beena developmentdirection of residential pattern of human being，as continually progressin human life and technology and the using of electronic technique in everyfield. So to make the intelligentized control of residential equipmentinto reality is a necessary, active thing.At t h e s a me t ime,f rom 1985t heu singo ft heS olare nergyh asb eenmadea p rogress ino urc ountry.An d theS olarE nergyH eater ist hem ostmature, extensive technique in this field. As the continuous progressof peoples civilization consciousness and life, the deploitation ofcountry market of 9 hundreds million people.It is also significant toresearch, deploitation the intelligentized control system of the SolarEnergy Heater.It also can create great social benefit.Fol lo wi ngt hec lueo ft hed evelopmentp haseso ft hei ntelligentizedcontrols ystemo ft heS olarE nergyH eater.T hep aperi sd evidedi ntot hreeparts: backgrounds and fundamentals of the intelligentized controlsystem of the Solar Energy Heater, the deploitation of hardware andsoftware of the intelligentized control system of the Solar Energy Heaterand experiment and debugging of the intelligentized control system ofthe Solar Energy Heater,which are further divided into six chapters.Th ef ir st c hapterd iscussest hee ssentialityo ft hei ntelligentizedcontrol system of the Solar Energy Heater.Cha p .2 i n tr oducet hec oreo ft hei ntelligentizedc ontrols ystemo fthe Solar Energy Heater-the PIC Single Chip MicyocoChat).3 introduce the functions and characteristic of theintelligentized control system of the Solar Energy Heater.Ch ap .4 introducet heh ardwarea nds oftwaree xploitationa ndd esignof the intelligentized control system of the Solar Energy Heater.Ch ap .5 i ntroducet hes imulationa ndd ebuggingo ft hei ntelligentizedcontrol svstem of the Solar Enerv Heater.Ch ap .6 i nt ro du ceintelligentized controlTh e la st c ha pt erthe experiment and the result analyse of thesystem of the Solar Energy Heateris the summary of the whole paper.第一章项目开发背景1.，太阳能热水器的发展概况能源 是 人 类生存和社会发展的物质基础，一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足当前需要又不危及后代人前途的社会。因而，随着世界性能源短缺和环境污染的日益严重，节约能源和寻找新的可再生无污染的能源就摆在了人们的面前。节约能源，尽可能多的用洁净能源代替高碳量的矿物燃料，也就成为能源和环境建设必须好遵循的基本原则之一。太阳 能 的 开发和利用，正是适应了这种需要，据检测，每平方米太阳能热水器在其寿命期内可减少一吨煤所造成的向大气排放的有害化合物。因而开发利用太阳能，是减少环境污染的重要选择。1992年联合国召开了全球与环境发展大会之后，许多国家纷纷将太阳能列入重点开发项目。充 分开 发 利用太阳能也就成为世界各国政府可持续发展的能源战略决策，一方面可以广泛地应用于热水、发电、制冷、采暖等诸多方面，另一方面可以大量节省石油煤碳等不可再生资源，将大大缓解能源匾乏而带来的严重后果。早在1973年，美国就制定了政府级的阳光发电计划。而后许多国家都制定了相应的发展计划。80年代，日本、澳大利亚、美国、以色列和希_腊等国家出现新兴的太阳热水工业。我国 幅 员 辽阔，具有丰富的太阳能资源和良好的开发利用基础。全国太阳能国辐射总量在3.8- 8.4x 10千焦/平方米之间，约占全国2/3以上的地区全年日照时数大于2000小时。经过十余年的努力，我国太阳能利用取得了举世瞩目的成绩，太阳能热水器是太阳能热利用中技术最成熟、应用最广泛、产业化发展最快的领域。当前我国自主开发的全玻璃真空管太阳能热水器在世界上处于领先水平，并出口到日本、美国等发达国家。据统 计 ， 截止到1998年底，我国太阳能热水器生产厂有1000多家，年产量在250万平方米以上，年产值35亿元，从业人员1.5万人，用户达3000多万人，年产量及拥有量均居世界首位，成为我国节能领域的新兴产业，已引起国际能源界的关注，发展势头很好。进入90年代，中国在改革开放政策指引下，随着太阳能热水器的不断改进、大众文明意识的提高、人民生活水平的不断提高以及对生活热水需求的日益增长和拥有9亿人口的农村潜在，市场的开发，更是促进了太阳热水工业的迅速发展，太阳能热水器应用同时也得到了一个大规模进展，并且形成了与空调、彩电、冰箱等一样的大规模市场。太阳 能 热 水器是利用集热器吸收太阳光，将光能转化成热能，并通过储水箱将热水储存的装置。目前，技术水平最高的太阳能热水器是真空集热管太阳能热水器。真空集热管的内、外管之间是真空夹层，确保冬季管内不结冰，能够正常使用，内管上有一层选择性吸收镀膜，膜层能充分吸收太阳光。真空管里的水，吸收热量后，通过温差循环，加热储箱内的水。太阳能中央热水系统采取以太阳能为主，电能为辅的能源利用方式。一般情况下全年90%的热水来自太阳能，只需10%的电能作补充，365天全天候可以供应热水。太阳能热水器可在全国大部分地区使用，并被广泛应用于家庭，在宾馆沐浴、工业用水等方面获得利用。同时 ， 由 于其经济和社会效益显著。不用煤油电而用太阳能热水器洗浴的城乡居民全国有3000多万，年节约能源200万吨标准煤。太阳热水不但为广大城乡用户所接受，而且建设部已将它列入建筑节能新技术，准备推广，太阳热水系统将与被动太阳采暖、光伏器件一起成为21世杨太阳能建筑结构的一个组成部分。太阳热水要扩展到为工农业生产服务。太阳 能 产 品本身还存在着使用不方便、不配套、质量档次不高的状况。同时，由于受自身条件的限制，随着春夏秋冬四季的变化，以及不同季节不同天气的变化，由于真空集热管太阳能热水器的单一性能，出水温度和热水存量的不确定性给使用中带来众多不便，同时也造成了对太阳能的利用效率低下，太阳能热水器也就在一定程度上满足不了不同用户的不同需要，从而影响了太阳能热水器的长期发展。，.2 智能化家庭住宅的发展概况随着 21 世 纪 的到来，特别是近年现代高科技和信息技术(IT)正在由智能大厦GB)走向智能住宅小区，进而走进家庭SH)。现代社会的家庭成员正在以追求家庭智能化带来的舒适与便利的生活环境作为一个理想的目标。国家也在2000年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案中，将建设智能化小康示范小区列入国家重点的发展方向。因此住宅小区智能化乃至家庭智能化成为21世纪发展的重要方向。近 年来 随 着我国国民经济的发展和国家住房制度的改革，人民生活和自身素质得以不断提高，人们对住房条件的要求越来越高，对环境的舒适性、便利性、安全性有了较高要求，加之电子信息产业正快速发展并向人们生活的各个领域渗透，与此相适应，各种不同档次的公寓、生活小区纷纷提出了自己不同的智能需求，使用 太阳能热水器的家庭也就迫切需要一种能根据自己家庭用水、季节、天气等情况进行傻瓜型智能化管理的装置，以保证在任何情况下都能使用上合适温度的热水。1. 3太阳能热水器控制仪的现状而在 太 阳 能热水器的控制方面，其发展就远远落后于太阳能热水器本身的发展，绝大多数用户对水位(进水)的控制仍然依赖于观察溢流管有无溢流。但这种方法有明显缺陷:1)在往水箱进冷水时，水箱内存留的热水往上升，直至从溢流管溢出，这样从溢流口到用户室内这段溢流管所含容积的温度较高的水白白浪费了，溢流管越长，损失越大。z)进水进到溢流管溢出为止，即水箱已充满，但当在太阳能的作用下，随着水温的不断升高，水的体积不断膨胀，将上层温度最高的水从溢流口不断排出，又造成了大量热能的流失。为 了满 足 用 户 的需要，市场上相应也推出了太阳能热水器控制仪。调查分析 目前市场上的此类装置，存在如下缺陷:1.智能化程度不高，一方面，人工上水，用户需占用大量时间，使用十分不方便 ;另一方面，也造成了对太阳能利用的效率低下;2.其关键元件水温、水位探头插入水箱中，依靠探头金属与水导电产生信号来显 示 水 位。太阳能水温升高时，探头上会产生水垢，影响了探头与水之间的 导 电 性能，整套水位显示系统也就失去了作用，控制仪也就不能正常使 用 :3.虽然此类产品种类多，但功能都不齐全，各有侧重，且通用性较差;4.交互界面不友好，用户了解信息和操作都不方便。基于 这 几 点 考 虑，针对目前市场上的家用太阳能热水器控制系统存在的缺陷 ，我们做了必要的、有益的调整、改进和完善。以PIC16C74单片机为核心 ，利用霍尔流量计代替传统的金属探头，解决了升温结垢问题;同时实现对 太阳能热水器的水位、补水方式、补水时间的程序化控制，提高了系统的智 能化，同时提高了对太阳能的利用率;通过液晶显示与用户建立良好的交 互界面。第二章PIC系列单片机概述美 国 Mi crochip公司的大规模CMOS工艺闻名于世，其推出的PIC系列单片机深受市场欢迎，体现了现代单片微控器件发展的一种新趋势。其应用领域遍及家电、电脑外设、办公室设备、汽车电子、通讯等。PIC 系 列 8位CMOS单片机具有实用、低价、省电、高速和体积小等特点，特别是其独特的RISC(精简指令集)结构，及独立分开的数据总线和指令总线的哈佛总线(Harvard)结构，使指令具有单字长的特性。相对 小 的 指令集合和相对少的寻址方式，使用固定的指令格式，大多数指令在一个指令周期内执行。指令 流 水 线结构，取指令和执行指令可以重叠进行，效率较高。文件寄存器概念，特殊功能寄存器和通用寄存器采用相同的寻址方式，且允许指令码的位数多于8位的数据位数。这与 传 统 的采用CISC(复杂指令集)结构和冯诺依曼结构的8位单片机相比，可以达到2:1的代码压缩和4:1的速度提高。图2-1-1是几种典型单片机产品的程序代码紧凑性比较图。图2-1-2是几种典型单片机产品的相对程序执行速度比较图。CMO S 工 艺，使I/0口具有全CMOS输出驱动能力，减少用户使用外部驱动芯片，可以直接驱动LED显示。CMOS工艺同时使其具有节电特性，正常运行时为2mA，电压和工作频率降低时，功率更低。并提供一种低功耗睡眠方式，此时，电流可降至3uA以下。信息 交 换 方式增多，将模拟功能集成到片内，如P工C16C62X有模拟比较器、P工C16C7X的A/D转换器以及PWM输出。多功能定时器，除普遍结构的定时/计数器外，还提供了监视定时器WDT，可有效检测由于干扰引起的软件“跑飞”现象，自动复位CPU，恢复程序运行。采用新型串行总线接口，如工ZC, SPI总线，使得扩展连线大为减少。芯 片配 置 可选择，PIC单片机的配置EPROM可由用户根据需要加以编程，以选择不同的振荡方式、WDT使能/禁止、PWRT使能/禁止、BOD使能/禁止、程序代码加密等。并且，PIC芯片内部具有上电复位电路，绝大多数场合下不需要外接复位电路。Mic ro ch ip公司目前已经开发生产的PIC系列单片机产品可以分为初级产品(基本级产品)、中级产品和高级产品三档。PIC 16 C5 X为PIC家族中的低档产品，采用的是12位的RISC指令系统，价格较低，适用于低成本的应用。中级 产 品 PICI6CXX采用的是14位的R工SC指令系统，它在保持低价的前提下，增加了A/D、内部E2PROM存储器、比较输出、模拟电压比较器等许多功能，应用比较广泛。PIC 17 CX X是高级产品，采用的是16位的RISC指令系统，是目前世界上8位单片机中速度运行最快的，具备一个指令周期内完成8位乘8位二进制乘法的能力，适合于高级复杂系统的开发。考虑 到 开 发的需要，以及PIC芯片的自身特性，我们选择P工C16C74作为核心进行开发工作。各个单片机的工作频率分别为20, 20, 8, 4.2, 12, 11(单位为 MH z)10. 21 20.10 8 0.045 生竺且厂一一一竺三些侧缎幸举长奥PIC CO P8 0 0 S T62 68HCO5 Z86 8048图2 -1 -2 几种 单片机相对执行速度比较图21 2.241.5 1 1.58l. 29，状名价瞬军篇军PIC CO P8 0 0 S T62 68HC05 Z86 8048图2 -1 -1 几种 单片机程序代码紧凑性比较图第三章系统功能及特性对比目前市场上的太阳能热水器控制仪，我们的产品具有功能齐全、智能化强、操作简单方便、人机交互界面良好等诸多优点:3.，功能上I.太阳能热水器水位测定:通过霍尔双向流量计可较精确的测定目前太阳能热 水 器 的水量，解决了长期困扰太阳能控制器可靠性的难点，并在液晶上 通 过 图案和数值来显示，直观、简洁。2.太阳能热水器水温测定与控制:通过温度传感器来探测太阳能热水器的温度 ， 并 通过单片机控制在液晶上以数字形式显示;用户也可以根据需要选 用 或 不选用辅助电加热器。当不选用辅助电加热时，采用恒温补水，即温 度 低 于一定值(如40)，到达补水时间，只能补半箱水，温度高于一定 值 (如65)，则立即补水到满水位。3.补水方式选择:用户可以根据自己的需要选择自动补水系统一旦检测到水 位低于一定值就自动打开电磁阀补水直到满水位)或手动补水系统根 据用户设定的补水时间来进行补水)。同时，也加设了紧急补水键，(用 户 第 一次按下紧急补水键，就开始补水，系统就会补水到满水位，若补 水当中，用户第二次按下此键，则停止补水)。4.补水时间选择和设定:用户可以根据自己的需要设定一日一次或两次补水 ;之 后 ，用户可以继续设定补水时间，系统会在相应时间自动补水。5.系统时间显示与调整:用户可以在液晶上知道系统时间，并可以对时间进 行 调 整。6.断电保护:当由于非正常原因断电时系统会启动辅助供电系统，使系统继续 维 持 工作状态，而不会丢失信息。7.液晶显示:监测结果以及相应的用户操作，都在液晶上以图形或数字的方式 来 显 示，直观、明了，用户用起来很方便。8.此外，系统还对多种意外情况做了相应的保护措施。如，当系统检测到电磁 阀 打 开，而流量计没记数时，则延时2分钟，自动切断电磁阀(防止用 户补水时，自来水公司突然停水);当电加热启动着时，用户如果用水，则切断电加热，直到用户用水完毕，再重新开启电加热。(防止带电用水):等等。3. 2 智能上我们 开 发 的产品满足了不同用户的不同需要，可根据季节不同，用水状况不同，确定每日的上水时间和次数，充分利用太阳能源;可根据家庭用水时间和温度，自动进行电补温，克服气候的变化，确保家庭用热水;一次性设定好后无须操心，由控制器进行自动管理。真正的做到了智能tir,管理。3. 3 接口上我们 克 服 了传统热水器管路复杂，使用繁琐的不足。单管上下水。一阀多能，在安装、维修和使用上也更方便。它也抛弃了传统的浮球箱来判定水满否，而是微型化处理，无需溢流管，直接由单片机根据预先设定的满水量判断并实现自动水满关闭。3.4 实用面上现在 不 光 有单个的太阳能热水器用户，也有小区式的太阳能热水器用户，我们的产品可以同时满足两种用户的需要。另一方面，我们的控制系统可以单独使用于太阳能热水器，也可以与可与家用电热水器连用进行控制。第四章系统硬件结构与工作原理系统由硬件和软件两部分组成:系统的硬件:1)温度传感及控制电路;2)水位传感及控制电路:3)键盘输入电路;4)液晶显示电路四部分组成。软件编写主要实现自动监测及控制温度和水位，以及实现建立良好的人机交互界面。4.， 系统硬件结构PIC 16 C7 4单片机共有内有5个1/0口(A口:RAO-RA5;B 口:RBO-RB7;C口:RCO-RC7; D口:RDO-RD7, E口:REO-RE2，共33位。每一位都可以单独设置为数字输入或输出)和一个四路高速8位A/D转换，A/D转换的模拟输入在A口RAO-RA3是复用端)。在控制器中各个端口的工作分配如下:A口 : R AO 用 于检测温度信号，RA6用于温度开关控制;B口:RBO-RBI用于水位监测，RB4用于水位开关控制阀，RB5-RB7用于按键信号输入;C口、D口:RCO-RC7, RDO-RD7，用于对LCD的数据传送以及控制LCD显示。图4-1-1为P工C16C74单片机管脚分布图。图4-1-2为系统结构示意图。图4-1-3为系统与太阳能热水器配合的工作示意图。图4-1一I PIC16C74管脚分布水位传感及控制鄂温度传感及控制J, vRBO-RB1 PIC I R C。一， C7RDO-RD7RB5-RB7按键输入，。一仁二尸L七U 图4-1-2系统结构示意图太阳能热水器贮水箱电 加热 器高温度探头0上下水共用接口一-WILIii 热水出口 白川川川川日日.冷水混水阀淋浴头图4-1-3控制系统的工作示意图4. 2 电加热、电磁阀控制电路对电磁阀以及电加热的控制，由于是通过微信号控制大电流，大功率，所以必须在开关和单片机之间进行很好的隔离，以免大电流信号影响单片机正常工作。4. 2. 1光电祸合器光 电祸 合 器是一种以光为媒介来传输电信号的光电器件，通常是由发光器件(可见光LED或红外LED)和受光器(光电半导体管)封装在同一管壳内组成。当输入端加上电信号时，发光器便发出光线，受光器因受到光照而产生光电流，并从输出端输出，这即实现了“电一光一电”的转换。光电藕合器可以藕合从零到几百千赫兹的信号。并且响应速度快，失真小，电气隔离性能优良。它的输入端与输出端之间的绝缘电阻达10”一10124 ，绝缘电压为1000-500V，其分布电容只有几个pF。光电偶合起的发光器属于电流驱动器件，具有抗干扰能力强，共模抑制比高，不受磁场影响，不需磁屏蔽的优点。光 电藕 合 器的种类很多，有二极管型、达林顿型、低通导型、双向对称型、高速型等十几种。其中，三极管型光电祸合器的电流传输比较小，若要得到较大的电流传输比可选用达林顿型(复合管型)光电祸合器;若采用光电藕合器在电路中作为开关用，要求其饱和压降低，可选用低通导光电藕合器:在高压电子线路中，如在高压稳压电路中，取样放大管的信号经过光电祸合器祸合到调整管，就要求光电祸合器输出边与输入边之间有很高的耐压，此时应选用高压型光电藕合器。4. 2. 2 双向可控硅双向 可 控 硅也称双向晶闸管(TRIAL)。它是在单向晶闸管的基础上发展而成的新型器件。单向晶闸管实质是一种直流控制器件，而双向晶闸管是一种理想的交流开关器件。双 向可 控 硅属于一种NPNPN五层器件，有三个极，分别为G,T 1和T2.G称为门极，T1和T2称为主端子。双向晶闸管的突出特点是可以双向导通且具有如图4-2-1所示的四种触发杰:亡IcG/ Tz Ti I ILG/T ,zTi I禅图4-2-2双向可控硅的四种触发状态当G 极 和 TZ相对于T，的电压为正时，导通方向为T,-T,，此时TZ为阳极，T:为阴极;1. 当G极和T:相对于T:的电压为负时，导通方向也为T,-T,T :为阳极， T ,为 阴极;2. 当G极和T,相对于T:的电压为正时，导通方向为T,-T,，此时T,变为 阳 极 ，Tz变为阴极;3. 当G极和T:相对于T:的电压为负时，则导通方向仍为T,-T,，此时 T,为 阳 极，T2为阴极;双 向晶 闸 管的伏安特性如图4-2-2所示。性能良好的双向晶闸管，其正、反向特性曲线具有很好的对称性。并且其触发电流小，通态平均电流大，作电压高，也是理想的交流开关器件。图4-2-2 双向晶闸管的伏安特性4. 2. 3 电加热、电磁阀控制电路控制 系 统 最 终 要控制交流电路，为隔离强电对弱电部分的影响，采用了光藕MOC3020及双向可控硅BTA20和BTA04(电磁阀用BTA04，电加热用BTA20)作为中间继电器，充当交流控制开关。光电隔离和TR工AC驱动部分电路如图4-3-1所示。电阻R1限制流经MOC3020输出端的电流。与双向晶闸管并联的RC回路用于降低双向晶闸管的冲击电压，保护双向晶闸管及MOC3020oC 别别口U晒R图4-2-1电磁阀、电加热开关控制电路4. 3温度监测与控制电路及其工作原理4. 3. 1基本工作原理利用 热 敏 电阻检测太阳能热水器内水温，根据用户设定及当前检测到的水温进行类模糊控制(通过电加热来实现)。为降低成本，是利用负温度系数热敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性来实现测温，其温度分辨率可达I*C ，控制精度可在士2之内，能够满足太阳能热水器和即热式电加热的控温要求。测温变送器电路输出对应于热水器出水口水温的直流电压，经PIC16C74利用片内A/D转换通道0)内部8位A/D转换，输出OOH-FFH二进制数据码，利用事先存在PIC16C74片内程序存储器中的对照表，根据二进制码查表得实时温度值。为了抗50Hz工频干扰，对温度变送器输出的直流电压进行采样，要连续采集64次，采样时间设计成50Hz工频周期的整数倍，再求64次采样值的平均值，这样就可以将大部分50Hz工频干扰滤掉。4. 3. 2 温度变送电路图4-3-1是温度变送器电路原理图。图4-3-1温度变送器电路原理在电 路设计中，一般可以认为运放A为理想放大器，且令R,=R,，则V_= V= V, /2而 1 =(V ,-V./2)/R ,=(V ,。一)/凡故 VG=V 口。/2(1 -R ,/R,) (1)设温 度 测 量 到 下限温度时V,O V，则取R,=RTL(RTL温度下限时的阻值)。极限 情况下，R,=O ，则Vo Voo/2。由 (1 ) 式知 道 ，运放输出电压与热敏电阻的阻值成线性关系。由分 析 可 知 ， 对 运 放A的要求是输入失调电压要较小，输入偏置电流要极低 ，共模抑制能力要强。当V。较低时，其输出电平的线性范围应大于。-V袱 2。由于温度场变化较缓慢，故对运放的频率特性无要求。由此选用性价比 较高的单电源满摆幅运算放大器TLC2272o选用的热敏电阻，其材料常数B值为3950K,测量功率不大于25 !x W。耗散常数不小于0.4m W/C ，工作温度在一50一+200C.2 5时阻值为5ki1,4-3 -1 温 度 一 输 出 数 值 对 照 表温度阻值kQ输出直流电压V。用A/D变换的二进制代码表示温度阻值k4输出直流电压Va用A/D变换的二进制代码表示10 9.998 OOH 60 1.238 DBH15 7.879 35H 65 1.036 EOH20 6.225 5EH 70 .8717 E4H25 5.000 7DH 75 .7364 E8H30 4.024 95H 80 .6248 EAH35 3.259 AM 85 .5324 EDH40 2.656 B8H 90 .4555 EFH45 2.1 77 C4H 95 .3912 FOH50 1.794 CDH 100 .3372 FIH55 1.487 D5H电阻分度表可按下式计算:Ri-Rtzars*eB*(1/(273+t)一1/(273+25)将 ()25=KRr 。代入上式，可求得100C-100范围内的阻值如表4-1所不。温度 变 送 器的直流输出电压Va，经PIC16C74片内A/D转换后，变为OOH-FFH二进制码。程序根据这个二进制码采用查表、线性插值的算法，求得实时温度值。4.3 .3 AID转换P工C 16 C7 4有s路模拟输入通道，芯片内所有输入通道共用一个采样保持器。A/D转换器属逐次逼近型。参考电压可为VD。或VREF脚输入电压。在SLEEP状态下，A/D转换器仍可工作。与A/D转换有关的寄存器为:.A /D 结 果寄存器ADRES)A/ D控 制 寄 存 器(ADCONO).A /D 控 制寄存器(ADCONI)4. 3. 3.， AID转换步骤下面是实现A/D转换所需要完成的步骤:1，设置A/D转换功能部件:对模 拟 引 脚/基准电压/数字I/0( ADCONI)进行设置:选择 A/D 输入通道(ADCONO);选择 A/D转换时钟(ADCONO的D:和Db);打开 A/D 转换部件(ADCONO的认，)。2， 设置A/D中断功能对 A/D 转 换完成中断标志位AD工F清零(ADIF=O);对 A/ D转 换中断允许位ADIE置1;对全 局 中 断允许位GIE置to3, 等待A/D采样完成所需要的时间TAD4， 对GO/DONE置1，启动A/D转换。5, 等待A/D转换完成，可以通过以下两种方法中的一种来判断:软件 查 询 GO/DONE的状态是否为0;等待 产 生 A/D转换完成中断。6， 读A/D结果寄存器ADRES.7， 转步骤1(中间要等待2 T,。的时间)4.3 .3 .2 A/D采样及转换首先 ， 必 须对TR工SA进行设置，使模拟引脚设置为输入方式;其次，模拟输入两必须在V,到V，范围内，如果输入电压任一方向偏离这个范围大于0.6V ，这时会导致二极管正向偏置，可能对电路造成损害。图 4-3 -2 为模拟量输入的简化电路。图中，CHOL。为保持电容，R,为内部采样开关阻抗，R:为模拟信号源阻抗。为了了使A/D转换器满足一定的精度要求，就必须要让采样电路中的电荷保持电容(CHOLD)有足够的充电时间，使其达到A/D输入通道的电压值。而Rss和R，则直接影响CHOL。的充电时间，而Rss随电源电压而变，其关系如图4-3-3。而RS:的最大阻抗一般为lOk Q a在模拟输入通道确定以后，A/D转换之前，模拟信号在转换启动前，必须经过采样保持电路。枷T丁牛Cpin生avv, 赞 W。(leakageVC.WLDRAx少图4-3-2 模拟输入部件等效电路图若作 以 下 系统假设:RSI OkS2 ; A /D转换满足其指定分辨率所允许的最大误差为1/2LSB;V ,=5 V时，R=7k52 ; R ,c1 k4 ; C HOLD5 1.2p F;系统最高温度为500C。则下方程可算出充电时间t:V,F(V, ,F1/5 12)(1-2 -t/CHOLD(R,C+Rss+Rs)由此计算出充电时间t:t=51.2*(1+10+7)ln(1/511)=5. 724us最小采样时间二放大器稳定时间+CHOL。充电时间十温度补偿时间系数=5us+t+(环境温度一25C )*0 .05 us/0C二11. 974usDu/今l5 6 7 8 9 10图4-3-3 R . V D。关 系 图4. 3. 3. 3 采样转换时钟的选择A/D 采样时间被定义为TAD，完成一次8位A/D转换所需的时间为10T AD.为了保证正确地进行A/D转换，A/D转换时钟TA。必须满足最小TA。要求。A/D转换时钟源可采用芯片内部的RC振荡器，也可采用芯片的外部OSC1振荡输入，对TA。有四种选择(2 Tosc, 8 Tosc, 32 Tosc、内部RC振荡器)。在芯 片 振 荡频率较低的系统中，最好选用片内RC振荡作为A/D时钟。而在高频系统中，则应选用非RC振荡器作为A/D转换时钟，且TAD必须不小于指标中规定的最小时间，一般应不小于8us(对于P工C16C74要保证最小TAD时间不小于2.Ou s)。 这是因为用Tosc作为TA。时，TA。不靠近片内相位时钟的跳变，这将在很大程度上减小数字开关噪声的影响。如果RC振荡器就做不到这一点如果有许多引脚在工作，由于数字开关噪声而引起的精度降低可能会很明显。在选择芯片的型号和工作频率时，需要考虑到最小TA。时间参数。表4-3-2是PIC16C74在不同振荡频率下的TA。值。我们 选 择 的 单 片机的工作频率是12M Hz，故A/D时钟源选择为2Tosc,根据上表，则TA。应选择为167nso4. 3. 3. 4 A/D传递函数A/D转换器的理想传递函数如下:当输 入 电 压(VAIN)为1LSB(或满刻度/256)时，出现第一个变换。图4-3-4显示了理想传递函数。20表4-3-2 T,。与I作频率关系表(PIC16C74)A/D 时钟源Tao工作频率选择20MHz 12 MHz 5 MHz 1. 25 MHz2Tosc 100ns 167ns 400ns 1. Gus8Tosc 400ns 667ns 1. 6us 6. 4us32Tosc 1. 6us 2. 7 us 6. 4us 25. 6usRC振荡器2-6us 2-6us 2-6us 2-6usFFhFEhFDh04h03h02hOlh00h数字量输出41Sb3目sb2目sb1目sb0.slsb模拟 输 入 电 压图4-3-4 A/D传递函数4.3 .3 .5 A /D 转 换 误 差当 V, 5 V 士10%V且VFEF-VD。时，A/D总的精度是小于士1LSB，这个总精度包括偏置误差、满量程误差和整体误差。A/D转换要保证是单调的。当VDD小于5V或者饭。小于V，时，分辨率和精度可能会降低。A/D通道模拟输入引脚上最大的漏电流是土5uA.4. 3. 3. 6测温软件流程l, ADC子程序A/ D转换子程序流程图见图4-3-5图4-3-5 A/D子程序流程图2， 查表线性插值子程序查表线性插值子程序流程图见图4-3-6温度 表 的 建立方法是利用温度值作为表项地址，从10到loo0c，每隔5C (UP Yz Y,=5)设一个存储单元:存放单元内存放采样值经A/D转换后的数字量，温度从10到100分18档，故温度表占18个字节，搜索从低温度数值开始;如采样值低于32H，则在10到15之间:如小于5EH则在15到20之间，以此类推。若实际温度大于100C，搜索表值找不到区间，则程序上限设定为100c;同理，当温度小于10 c，温度传感器输出J厦定为0，故温度下限为10c。找到A/D采样值所在区间后，即可根据该区间上下节点温度值和A/D采样值求出实时温度值，这里用线性插值法。根据线性插值原理，由:(Y- Y,) /( Y ,- Y,) =( x- x,) /(,-x X,)在这 里 Y2 Y ,= 5，故:Y=Y ,+5 *(X -X ,)/ ( X , -X , )其中:x为A/D采样值:Y为 实 时 温 度 值:Y】为 区 间 下限 温 度 值 :Y2为 区 间 上 限温 度 值 :X，为 区 间 下 限 A/ D变 换值;XL为 区 间 上 限 A/D 变 换值;上式 中 Y 2=表值偏移量X5+15，而5/(X ,-X,)为斜率，可再造一张表，仍占18个字节。温度表与斜率表所分配的单元应连续，以配合程序上求表值的算法。开始设置初始值区间内?设置斜率表址偏移量读斜率求事实温度值显示并返回修正温度表址偏移量图4-3-6温度查表子程序 流 程 图4. 4 水位监测及控制电路及其工作原理对于 水 位 的检测，由于常规的接触式探头探测方法中存在着容易结水垢的缺陷，在用户使用一段时间后就会失效，所以我们通过双向流量计技术来解决这一问题。4. 4. 1霍尔效应及霍尔传感器双向流量计主要是利用霍尔效应及霍尔传感器来设计和完成的。所谓 霍 尔 效应，即当半导体上通过电流，并且电流的方向与外界磁场方向垂直时，在垂直于电流和磁场的方向上产生霍尔电动势。霍尔元件的工作原理如图4-4-1所示。由图可知，在半导体薄片两端通以控制电流工，并在薄片的垂直方向上施加感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场方向上将产生电势为V“的霍尔电势，如图4-4-1所示。它们之间的关系为:UH K N IB ( 2)式中KH RH/d为霍尔灵敏度，其中R。为霍尔常数，d为霍尔片的厚度。可以看出，霍尔片的厚度d越小，则V。越大。所以霍尔片都是做成薄片形状。但过薄时，输出电阻过大，影响输出特性。图 4-4 -1 霍 尔 元 件 的 工 作原 理同时 ， 由 2)知，增大电流工，可以增高霍尔电势，但工值受元件发热的限制，一般取工=4-20mA,B= 数千高斯，这时得到的V“约为几十mV。可见，霍尔元件的输出很小。霍尔 元 件 有很多优点，但实际使用时，霍尔电势中迭加着各种误差电势，它们破坏了霍尔电势V。与控制电流工和磁场B的关系，因而造成误差。这些误差电势产生的原因主要有两类:一类是由于制造工艺的缺陷;另一类是由于半导体本身固有的特性。霍尔元件的误差电势主要有不等位电势、温差电势、热磁电势等。并且 ， 由 于霍尔材料的电阻率、载流子浓度等都随温度变化，所以霍尔元件对温度变化特别敏感。霍尔 传 感 器是在霍尔元件的基础上发展而来的一种电子器件。它将霍尔元件与放大器、温度补偿电路及稳压电源做在一个芯片上，因而能产生较大的电动势，克服了霍尔元件输出电动势小的不足。图4-4-2和图4-4-3分别是线性型霍尔传感器的内部组成框图和其磁场强度与输出电压的关系。Vcc一.一稳压温度补偿放大扩卜-vo图4-4-2 线性型霍尔传感器内部组成框图V(Y5.64.63.62.61.6门曰曰口口口叮门口口口曰口国巴巨区巨匕目冈曰口日(T)一口。3图4-4-3磁场强度与输出电压的关系4. 4. 2 霍尔流量计的工作原理霍尔 传 感 器具有灵敏度高、可靠性好、无触点、低功耗、寿命长等特点，很适合在自动控制、仪器仪表及测量物理量的传感器中使用。测量 时 ， 选择在非磁性材料的圆盘上粘一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘 的旁边，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，对此脉冲进行监测 。一次脉冲记一次数(转子转了一转)，经过实验，可以确定每转代表 的水流量，这样，把检测到的脉冲数乘以单位转的流量就是当前总的水流 量。由于霍尔传感器只能输出一个脉冲信号，而不能判断现在转子到底是正 转(进水)，还是反转(出水)，所以必须用电磁阀的状态加以确定，若电 磁阀处于打开状态时收到了脉冲，则表示正在进水;若电磁阀处于闭合状 态时收到了脉冲，则表示正在出水。测量原理如图4-4-4所示。非磁性圆盘霍尔传感器图4-4-4测转速示意图4. 4. 3 汉叮水量软件流程测水量软件流程图如图4-4-5示。图4-4-5测水量流程图4. 5 显示控制及其实现程序液 晶显 示 器(LCD)由于体积小、质量轻、功耗微等特点。已成为各种当代高新技术产业、信息产业中最重要的信息处理手段之一。4. 5. 1液晶显示器的特点、分类及其他一 、液晶显示器的特点1) 低 压 微功耗。工作电压是3-5v，没平方厘米液晶显示屏工作电流只有 几 个 u A.2) 平 板 型结构。液晶显示器的基本结构是由两片玻璃组成的很薄的盒子 。这