太阳能采暖系统与控制器设计

太阳能采暖系统与控制器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 太阳能是清洁、安全数量巨大的能源，每年到达地球表面的太阳辐射能约为 目前世界能耗总和的2 × 10 倍，太阳能的开发利用，既可减少环境污染，也 节省了大量不可再生资源，目前全球太阳能市场正以十倍于石油业的增长速度发 展（自1990 年以来，世界太阳能市场每年平均增长16%，而同期石油市场的年增长速度只有1.4%）。对世界一次能源替代趋势的研究结果表明，到2050 年后，核能将占第一位，太阳能占第二位，21 世纪末，太阳能将取代核能占第一位， 现代化建筑已广泛采用空调系统，空调能耗占整个建筑能耗的60% 左右，本文将对采暖领域中的太阳能利用方式进行研究设计。 太阳能采暖以其安全、经济、适用、无污染等特点逐渐被城乡居民所接受， 然而太阳能采暖还一直处于研究与开发阶段，主要存在下列问题：（1）绝大部分只具备温度和水位显示功能，不具备温度水位的自动控制功能；（2）虽然有的控制器配有电加热辅助装置，但都不是自动的，给用户使用带来许多不便；（3）显示界面不够人性化。针对以上出现的一些问题，本文设计一种较智能的太阳能采 暖系统。 （1）集热器温度T1、回水温度T2、水箱温度T3、采暖温度T4、管道温度T5显示。 （2）水位0%,20%,40%,60%,80%,100%显示。 （3）电加热器状态、伴热带状态、循环泵B1状态、循环泵B2状态、循环泵B3状态显示。 （3）时、分北京 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 时间显示。 （4）参数设置时参数代码、参数值显示。 （1）温差跟踪循环设置与控制 表1.1 设置参数 数值 地址 字节 备注 集热器温度和回水温度之差上限 8? 30H 1 大于上限值，启动循环泵B1 集热器温度和回水温度之差下限 4? 31H 1 小于下限，关闭循环泵B1 水箱温度T3的上限温度T 75? 32H 1 大于上限温度，关闭循环泵B1 MAX1 水箱温度T3的下限温度T 45? 33H 1 低于下限温度，启动循环泵B1 MIN1 集热器温度T1上限温度T 50? 34H 1 集热器温度达到上限允许温差循环 MAX2 集热器温度T1下限温度T 45? 35H 1 低于温度下限不允许温差循环 MIN2 采暖温度T4上限温度T 65? 38H 1 启动循环泵B2 MAX5 采暖温度T4下限温度T 60? 39H 1 关闭循环泵B2 MIN5 （2）加热设置与控制 表1.2 设置参数 数值 地址 字节 备注 水箱温度T3的加热上限温度 55? 3AH 1 水箱温度高于上限时停止电加热 水箱温度T3的加热下限温度 40? 3BH 1 水箱温度低于下限时启动电加热 管道温度T5的温度上限 8? 3CH 1 管道温度高于上限停止伴热带加热 管道温度T5的温度下限 4? 3DH 1 管道温度低于下限启动伴热带加热 （3）定时加热——一天两次定时加热时间，到达加热时间，控制器启动辅 助加热器加热至设置温度。 （4）手动随时加热——当水温低于设置温度时，按加热键，加热指示灯亮， 加热至设置温度后自动停止。在加热过程中，按停止键停止加热。 （1）爆管保护——当集热器管道供水和回水流量相差大于误差限，控制器 声光报警，同时切断循环泵，停止集热器供水。 （2）干烧保护——系统发生故障无水的情况下，电加热管会快速实现断开 电源停止加热，温度降到一定值时不会重新通电，在没有排除故障原因前非自复 位接通电源。 （3）掉电保护——系统停电后，所设置的数据、功能输出保持，北京时间 实时更新。 （1）传感器检测水温、管道温度和水箱液位，实时处理显示与控制。 （2）传感器断线等故障检测。 本设计中的太阳能集热系统，通过太阳能集热器将光能转换成热能，把集热 器内循环工质加热升温，当控制系统通过铂电阻温度传感器检测到集热器出口水 温和蓄热水箱底部水温达到设定差值（如8?）时，启动集热系统循环泵进行循 环，将集热器加热的水送入蓄热水箱内进行储存，并将蓄热水箱内低温水送入集 热器；当集热器出口水温和蓄热水箱底部水温小于设定差值（如4?）时，停止集热循环泵，通过集热器对循环水继续进行加热。如此往复循环，利用太阳能加 热循环水，将热量储存到蓄热水箱中。 在采暖系统中，控制系统启动采暖循环泵，将蓄热水箱内的热水通过供暖管 道输送到室内散热器，利用散热器将热量散发出来实现对房屋的供暖。在采暖循 环过程中，当控制系统检测到回水温度降到系统设定值下限或阴天、夜晚时，则 启动辅助电加热对采暖循环系统循环管路供水加热，当回水温度达到系统设定值 上限，则辅助加热器停止加热。 1 创新点：总体设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 科学合理，实现其功能的同时又兼顾了成本问题。 总体方案采用了分体式设计，既使用了两个单片机。一个置于控制现场，主 要实现数据采集和转换及控制功能；另一个置于控制室内，显示重要数据和实现 参数设置及手动控制。为减少通信线的连接，两个单片机采用只需要两根通信线 的485通信方式，把它们有机的结合在一起完成自动控制功能。 核心控制器采用的是抗干扰能力较强的PIC单片机16F877，其内部有非易失数据存储器和A/D转换器，简化了硬件电路的设计。温度检测采用了铂电阻温 度传感器，检测精度较高。液位检测是5点电接点液位开关，可靠且易于实现。 温度、液位、时间在四线电阻式触摸屏的LCD上显示，有很好的显示效果。参数 设置使用的是触摸屏的键盘区，最大限度的扩展预留按键并节约单片机I/O口资源。 在硬件上多处留有冗余，如按键，温度采集口，单片机硬件资源等。 2 不足之处： （1）温度采集点较少，不足以检测总体温度情况。 （2）冷水箱上水使用了浮球阀，水位不可控。 （3）报警单一，缺少声音报警或语音提示。 3 改进方案： （1）增加温度采集点。 （2）冷水箱安装可控的电磁阀。 （3）硬件电路增加扬声器或语音芯片，进行声光报警和语音提示。 太阳能采暖系统主要由太阳能集热器、辅助电加热、蓄热水箱、集热系统循 环泵、采暖循环泵、连接管道和控制系统组成。系统的结构示意图如图2.1所示。 自来水补水 集热器T1 T3 T4辅助加热采暖系统采暖系统一次泵B2热交换器 伴热带T5T2 集热器补水集热系统循环泵B1水位开关 图2.1 太阳能采暖系统示意图 系统中的集热元件。其功能相当于电热水器中的电热管。和电热水器、燃气 热水器不同的是，太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量，故而加热时间只能在 有太阳照射的白昼。 本系统采用的集热元件是玻璃真空集热管，阳光透过玻璃真空集热管的外玻 璃，照射到涂覆在内玻璃管外表面的选择性吸收涂层上，涂层将太阳的辐射能吸 收并转化为热能，通过内玻璃管壁导热，传递给真空集热管内其液态传热介质， (例如水)，由于真空集热管内，热的介质比重小上浮，冷的介质比重大下沉，冷 热介质上下对流传热和导热，再通过热管的金属壁导热，将热量传递给热管内其 相变工质，工质吸收汽化潜热而变成蒸汽，由热管蒸发段上升到冷凝段，在冷凝 段放热冷凝，又变成液态工质，在重力作用下流回燕发段，所放出的热量通过热 管冷凝段金属管壁导热，传递给水箱或联集管内的冷水，周而复始，于是便将水 箱内的冷水加热到一定的温度。 和电热水器的保温水箱一样，是储存热水的容器。因为太阳能热水器只能白 天工作，而人们一般在晚上才使用热水，所以必须通过保温水箱把集热器在白天 产出的热水储存起来。容积是每天晚上用热水量的总和。太阳能热水器保温水箱， 保温效果好，耐腐蚀，水质清洁，使用寿命可长达20年以上。 将热水从集热器输送到保温水箱、将冷水从保温 水箱输送到集热器的通道，使整套系统形成一个闭合的环路。设计合理、连接正确的循环管道对太阳能系统 是否能达到最佳工作状态至关重要。热水管道必须做保温处理。管道必须有很高 的质量，保证有20年以上的使用寿命。 控制系统采用单片机作为控制核心，与上位机通过485串行通信。主要实现了多点水温水位实时监测功能、温差跟踪循环控制功能、触摸屏显示和控制功能、 辅助电加热功能、自动保护控制功能（防冻及防干烧控制）。 控制系统整体框图如图2.2所示。 PIC16F877单片机是由美国Microchip公司生产的8位单片微机，具有独特的RISC(精简指令集)结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线结构，使指令 只有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用CISC结构的8位单片机相比，可以达到2?1的代码压缩，速度提高4倍[2]。 P1C16F877芯片上集成有8K的Flash可重复编程存储器，368byte的数据存储器，256byte的EEPROM数据存储器，3个定时/计数器，2个集捕捉、比较、脉宽调制3项功能于一身的CCP模块，同步串行通信端口，10位多通道A/D转 换器，以及时钟、上电复位、看门狗等。芯片引脚共40条。 考虑到控制现场环境复杂有强电、潮湿、温差大等不利因素，本文的控制器 选择PIC单片机。PIC单片机是公认的抗干扰能力较强的单片机，它多用于工业 领域。而且PIC16F877片内资源丰富，完全满足了设计要求，省去了外围电路的 扩展。 坐标采集部分传感模块FM7843四线电阻式触摸屏 人机界面上下显示模块D系列中文液晶显示模块位位机机 触摸屏DS1302采暖控制模块 MAX485 控制单元显示单元+5V电源 图2.2 控制系统整体框图 本系统以单片机为微控制器，扩展接口电路，其中控制单片机作为下位机、 显示单片机作为上位机。在储水箱底部和顶部，在集热器入口和出口，各安放一 只铂电阻温度传感器。在水箱顶部安装连杆浮球电接点液位开关，由温度传感器、 液位开关实现各点信号的提取。温度信号经过信号调理电路、A/D转换电路变为数字量送入下位机，水位信号直接送入下位机。下位机进行数据处理，各点温度、 水位通过485通信传给上位机并在触摸屏的LCD上进行显示。水位上下限、各点 水温及温差上下限和时间初始值由触摸屏的键盘设定。当热水箱水温低于下限 时，接通电加热器加热，直到加热到设定上限温度停止；当管道温度过低时，接 通电加热带保温，直到温度达到设定温度；当上下水温温差超过设定上限值时， 开启循环泵，水循环。需要3组电加热器加热，由于水箱电加热器功率达到40～60KW，需要380V供电，供电电流达到10A以上，控制器采用大功率固态继电器 或大功率交流接触器。 控制系统带有日历时钟芯片，可设置定时加热时间，设定时间与日历时钟芯 片读出时间进行比较，时间到，启动加热。为防止系统掉电时存在RAM中的数据丢失，事先已将RAM中的数据映射到EEPROM中。 下位机采用PIC16F877单片机，置于集热现场，将采集到的温度、水位信号 进行分析处理，执行集热循环泵启停、辅助电加热器开启、采暖循环泵启停、伴 热带开启等命令，并与上位机进行串行通信。下位机系统结构框图如图3.1所示。 铂声光报警电电多桥阻路及温转放集热循环泵启停度换下大大传开7电功感关4位路率辅助电加热开启器H固C机态5采暖循环泵启停继电9PIC多电极5路器点16F877转伴热带开启液换位开开关MAX485关 +5V电源 图3.1下位机系统结构框图 温度采集模块中测温元件选用铂电阻温度传感器，温度信号通过桥式整流电 路转换为电压信号，经过多路转换开关、放大器送到单片机进行A/D转换及信息处理后，送出控制命令。温度采集电路如图3.2所示。PT为留出的铂电阻接线端子。使用了1个CD4051分时采集6个点的温度信号，其中有2个点是备用温度检测点。 图3.2 温度采集电路图 1 温度传感器的选择 铂热电阻在氧化介质和高温下的物理化学性能极其稳定，易于提纯，工艺性 好，可易于拉丝这些特性，铂电阻被广泛作为温度传感器。 国际上普遍采用的是铂薄膜热电阻，其型号有Ptl00、Pt500和Pt1000。其传感器基准阻值小，测温探头的引线电阻给测量带来误差就不能忽略。因此对引线 电缆的长度有严格的要求，处理电路上也需要仔细考虑消除引线电阻的影响为了 提高温度测量的精度，我们采用Pt1000作为测温元件。其优点在于： （1）传感器本身的电阻大，使得导线电阻对整个测量的影响减小。而且对 降低系统的功耗有利。 （2）它的电阻值变化量大，因此测量的灵敏度高，对系统的控制很有利。 （3）事实上，目前国内研发生产的热量表大部分均是采用Pt1000温度传感 [1]器进行温度测量的，本文采用PT1000作为温度传感器。 2 放大电路的设计 本设计放大电路选用MCP602作为放大器，MCP602系列低功耗运算放大器 ) 功能的双运放配置。器件采用先进的CMOS技术，具有偏置电提供带片选(cs 流低、运行速度快、开环增益高以及满幅输出等特点。该系列产品采用单电源供 电，供电电压可低达2.7V，同时静态电流消耗小于230μA。此外，器件的共模输入电压范围低于系统地电平0.3V，使得该系列放大器十分适合单电源运行方 式。由于静态电流低，这些器件适用于低功耗电池供电的电路，其很宽的带宽使 其适用于A/D转换器的驱动放大器，而其输入偏置电流低的特点则使其适用于 抗混叠滤波器。MCP602系列的温度范围为工业级和扩展级，其电源电压范围为 2.7V至5.5V。其内部的模拟电路图3.3所示。 图3.3 MCP602的内部模拟电路图 注：V2=VINA, V1=VINB, V=0，R1=300K，R2=10K REF 这是一个简单的2级放大电路，通过调节可变电阻R可以改变其放大倍数，G便于以后的调试。放大倍数的计算如下，设第一级放大电路的输出电压为V。 01 根据基尔霍夫节点电流定律得： VV,VVVV,,2O1REF221,，………………………….(公式3.1) RRR12G VU,VV,VV,1O1121OUT，,…………………………....(公式3.2) RRRG21 由公式3.1，3.2整理得两级放大后的输出电压是U： OUT ,,R2R11UVV1V,,，，，，，,,OUT12REF……………………….. (公式3.3) RR2G,, 由公式3.3得，此温度采集电路的放大倍数公式为： ,,R2R11UVV10,,，，，，，,,OUTINBINA……………………….. (公式3.4) RR2G,, 通过电桥电路采集来的信号比较微弱，需要进行适当的放大，才能转换成单片机 所能识别的0到5V的信号。为此，要合理地设定可变电阻R的值来选择合适G的放大倍数。选择过程如下： 通过运算，电桥电路两端的输出电压V,V分别为： INAINB VCCV*R,INA8……………………………………………….(公式3.5) RR，78 VCCV*R,INB………………………………………………….(公式3.6) RR，1 通过以上公式，做出以下的选择： 当R=20K，放大倍数约为61倍，在温度T=99?时，PT1000的阻值为1381.262G Ω时： ,,R2R11UVV1(0.1710.125)*612.806V,,，，,,,，，,,OUTINBINARR2G,, 此时尽管V在界限0到5V之内,但灵敏度较小，故将R调整到10K。 OUTG当R=10K，放大倍数约为91倍，在温度T=99?时，PT1000的阻值为1381.262G Ω时： ,,R2R11UVV1(0.1710.125)*914.186V,,，，,,,，，,,OUTINBINARR2G,, 此时的V在0到5V范围内，故选择R为10K，相应的放大倍数为91倍。 OUTG 这样，铂电阻传感器PT1000从蓄热水箱中采集来的温度信号通过桥式电路 转换为电压信号，再经过弱信号仪表放大器MCP602进行适当放大，处理成单片机所能识别的0到5V信号。 本系统采用电极的方式来测量水位。当某个电极浸没在水中，利用水的导电 能力把该点拉为低电平，则该点相当于接地，此时与该电极对应的一级水位指示 灯将被点亮，反之将熄灭。液位采集电路如图3.4所示。SI端为引线端子，引出的5点平分水箱为5档，单片机通过置CD4051的地址，分别选择5个液位点，读取它的电平状态来确定水箱水位高度。这种方式测量水位简单直观，成本低廉。 通过检测来的水箱高度可以实现对自动上水的控制。 图3.4 液位检测电路图 控制电路使用了两片74HC595串并转换芯片，用于减少口线的使用，并且 起到隔离和增加带负载能力。控制输出的接口电路如图3.5所示。 R22与K1组成一组控制及显示单元。当继电器闭合时，发光二极管同时被 点亮，其他个单元类同。R22控制的是集热循环泵，R23控制的是辅助电加热，R24控制的是采暖循环泵，R25控制的是伴热带，R26、R27备用。 图3.5控制输出电路图 MAX485是用于485通信的低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和 一个接收器，通信连线如图3.6所示。MAX485的驱动器摆率不受限制，可以实现最高2.5Mbps的传输速率。在驱动器禁用的空载或满载状态下，吸取的电源电 流在120mA 至500mA 之间。工作在5V单电源下。驱动器具有短路电流限制，并可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功率损耗。接收 器输入具有失效保护特性，当输入开路时，可以确保逻辑高电平输出。本文中的 MAX485用于半双工通信设计。 图3.6 485通信连线图 485通信原理电路如图3.7所示。两根通信线增加了一个偏置电阻R26。 485标准规定了接收器门限为 ?200mV。这样规定能够提供比较高的噪声抑 制能力，当接收器 A电平比 B电平高 +200mV以上时，输出为正逻辑，反之 输出为负逻辑。但由于第三态的存在，即在主机在发端发完一个信息数据后，将 总线置于第三态，即总线空闲时没有任何信号驱动总线，使AB之间的电压在 -200mV ～ +200mV直至趋于0V，这带来了一个问题——接收器输出状态不确 定。如果接收机的输出为0V，网络中从机将把其解释为一个新的启动位，并试 图读取后续字节由于永远不会有停止位，产生一个帧错误结果，不再有设备请求 总线，网络陷于瘫痪状态。除上述所述的总线空闲会造成两线电压差低于200mV的情况外，开路或短路时也会出现这种情况。故应采取一定的措施避免接收器处 于不确定状态。 因此我们在总线上加偏置电阻，当总线空闲或开路时，利用偏 置电阻将总线偏置在一个确定的状态 (差分电压 ? -200mV)。将A上拉到地，B下拉到5V，电阻的典型值是 120 欧姆。 图3.7 485通信驱动电路图 本系统用到了380V交流电和220V交流电。380V用于2组10KW电加热器，电流过大，要想控制这样的强电只用继电器或者固态继电器是不够的。所以下位 机采用了逐级控制以弱控强的方法，先控制继电器，再通过继电器的通断去控制 交流接触器。 220V交流电给伴热带和循环泵供电，由于功率小于100W，所以直接使用了故态继电器对其进行控制。 上位机也采用PIC单片机，置于控制室，与触摸屏连接，触摸屏的初始界面 是显示系统中集热器温度、回水温度、水箱出水温度、伴热带温度、水箱液位高 度和集热循环泵、辅助电加热、采暖泵、伴热带的运行状态。若需要进行参数设 置或手动控制，可通过检测触摸屏上被触摸的坐标位置来实现。外加日历时钟， 实现定时上水、定时加热的功能。上位机总体结构框图如图3.8所示。 液晶显示模块上X+四 线RA位Y+880电DS1302时钟6阻机控X-式 制PIC触 器Y-摸485通信16F87屏7 +5V电源 图3.8 上位机总体结构框图 本设计中的人机接口采用四线电阻式触摸屏，触摸屏作为一种全新的输入设 备，具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技 术，我们用户只要用手指轻轻地指碰显示屏上的图符或文字就能实现对主机操 作，从而使人机交互更为直截了当。 3.2.1.1触摸屏原理 触摸屏的本质是传感器，它由触摸检测部件和触摸屏控制器组成。触摸检 测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受输入后送触摸屏控 制器，触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置接收触摸信息，并将它转换 成触点坐标送给CPU。目前，根据传感器的类型，触摸屏大致被分为红外线式、 电阻式、表面声波式和电容式触摸屏四种。本课题设计选用了四线电阻式触摸屏 作为开发对象。由于电阻式触摸屏具有不怕尘埃、水及污垢影响，能在恶劣环境 下工作，所以非常适合测控平台的工作环境。 3.2.1.2 电阻式触摸屏的工作原理 电阻式触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，如图 01所示。本设计选用的是四线制电阻式触摸屏，是在强化玻璃表面分别涂上两 层透明氧化金属导电层，利用压力感应进行控制。当手指触摸屏幕时，两层导电 层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化。在X和Y两个方向上产生信号，然 后传送到触摸屏控制器RA8806。控制器侦测到这一接触并计算出（X,Y）的位置，再根据模拟鼠标的方式动作。电阻式触摸屏通常是最廉价的触摸屏。由于这种触 摸屏复合薄膜的外层采用塑胶材料，所以清晰度不如其他类型的触摸屏。但它的 耐用性相当高。唯一的问题在于，很锋利的物体会损害电阻层。 图01 触摸屏实物图 触摸屏的工作部分一般由3部分组成，两层透明的电阻性导体层（玻璃）、 两层导体之间的隔离层（隔离玻璃珠）、以及电阻性涂层。电阻性导体层必须选 用阻性材料，上层衬底用塑料，下层衬底用玻璃。隔离层为粘性绝缘液体材料， 电极选用导电性能极好的材料构成。 电阻式触摸屏能够将矩形区域中触摸点的物理位置转换为代表X方向和Y方向的电压。上下两个导电层一个是水平方向，一个是竖直方向，分别用来测量X和Y的坐标位置，在水平面上的电极称为X+电极和X-电极，在竖直平面的电极 称为Y+电极和Y-电极。如图02所示，工作时，两个电极根据测量需要提供参考 电压或是作为测量端，对接触点的位置进行测量，当测量接触点X坐标的时候，导电层上的X+电极和X一电极分别接上参考电压和地，Y电极不加电压，那么X电极间会形成均匀的电压分布，用Y+电极作为测量点，得到的电压值通过A/D转换，就可对应的判断出接触点的X坐标。Y坐标亦是类似的，只需改成对Y电极加电压而X电极不加电压即可。 图02 触摸屏测量原理 3.2.1.3触摸屏控制器 对触摸屏的控制需要选用专门的触摸屏控制芯片，触摸屏控制芯片不仅能够 完成A/D转换而且能够实现电极电压的切换，本设计选用了四线电阻式触摸屏控 制器RA8806[8]。 RA8806具有如下特点： ?具有20线制触摸屏接口 ?支持文字和绘图两种混和显示模式 ?内建聪颖的8X8或4X8可调节长按键功能的键盘扫瞄电路 ?支持水平和垂直区域卷动 ?内建简体/繁体中文（GB/BIG5）和ASCII字体的ROM ?支持1倍到4倍字型放大（垂直和水平） ?内建512Bbyte字型创造内存（CGRAM），半型字为8X16点，全型字16X16点 ?适当的中断/轮询机制提供给触控扫瞄、键盘扫瞄、电源管理等程序的撰写 ?内建智能型电阻式触控扫瞄控制器 ?时脉（Clock）来源，4M~12MHz石英振荡器或由外灌时脉 ?内建一个5V~3VDC/DC转换器 ?电源操作范围：2.4V~5.5V 3.2.1.4触摸屏模块接口设计 本设计中采用的液晶触摸显示模块是一种分辨率为320*240点阵的液晶显示器，具有体积小，重量轻，显示灵活等优点。它具有两种显示方式：文本显示 和图形显示。为了向用户提供更为简单的操作界面，许多显示屏的辅助功能模块 都已经集成化，其I/O接口就显得比较简单，它与外部电路相连的就是20根信号线的接口。其与PIC单片机的硬件连接图003所示。 DB0~DB7X1XLRD0~RD7 RA0WRX2XR RA1RDY1YURA2CS RA3RSY2YD RA4INT Touch panelRA8806PIC16F877 图003触摸屏接口电路 CS是ADS7843的片选信号，由P89V51的PI.0口控制。外部 时 钟 信号DCLK 和P89V51的SCK连接。串行 数 据 输入DIN和P89V51的SPI口的Mosl连接，用于接收命令控制字。串行 数 据 输出DOUT用于向P89V51发送采集数据。中断 信 号 IRQ用于向P89vsl发送中断，当触摸屏有输入时ADs7843就产生中断信号。微处理器就进入中断处理程序。在没有输入时，IRQ被上拉电阻拉高。 为实现采暖系统24小时循环的目的,控制器必须有一个实时时钟来为系统提 供准确的基准时间，本设计采用美国DALLAS半导体公司生产的串行涓流充电时 钟芯片DS1302，内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，可以通过串行接口与单片机进行通信。DS1302与单片机之间简单地采用同步串行的方式进行通信， 仅需用到3根口线：（1）RES（复位），（2）I/O数据线，（3）SCLK（串行时钟）。时钟/RAM的读/写数据以一字节或多达31字节的字符组方式通信。DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时，功率小于1mW。DS1302广泛应用于电话、传真、便携式仪器及电池供电的仪器仪表等产品领域。 1 DS1302主要性能如下： ?实时时钟具有能计算2100年之前的秒、分、时、日、日期、星期、月、 年的能力，还有闰年调整的能力。 ?31×8位暂存数据存储RAM。 ?串行I/O口方式，使得管脚数量较少。 ?读/写时钟或RAM数据时，有两种传送方式：单字节传送和多字节传送（字 符组方式）。 ?宽范围工作电压：2.0V ～ 5.5V。 ?工作电流：2.0V时，小于300nA。 ?可选工业级温度范围：-40? ～ +85?。 ?与DS1202兼容的基础上还增加的特性： 有可选的涓流充电能力； , 对VCC1 , 双电源管用于主电源和备份电源供电； , 备份电源管脚可由电池或大容量电容输入； , 附加的7字节暂存存储器。 图3.12 DS1302管脚图及内部结构图 DS1302的引脚及内部结构如图3.12所示，引脚功能如表3.1所示。 3.1DS1302 引脚号 引脚名称 功能 1 V 主电源 CC2 2、3 X、X 震荡源，外接32.768 KH 12Z 4 GND 接地 5 复位/片选端 RST 6 I/O 串行数据输入/输出端 7 SCLK 串行时钟输入端 8 V 备用电源 CC1 2 操作及控制 （1）复位和时钟控制 向DS1302写入数据时，数据应在时钟下降沿发生变化，上升沿将数据写入 DS1302内部移位寄存器。读取DS1302数据时，数据也在时钟下降沿变化，即 在下降沿数据从移位寄存器输出，但当CLK时钟为正半周时，I/O线为高阻态，所以应在上升沿前读取，否则将读出全为FFH。 通过把输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。输入有两种功能：首先， 接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，提供了终止单字节 或多字节数据的传送手段。当为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对 DS1302进行操作。如果在传送过程中置为低电平，则会终止此次数据传送，并 ? 2.5V之前，必须保持低电平。只且I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在VCC 有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。 （2）DS1302 的控制字节 DS1302的控制字如表3.2所示。控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1 如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1指示操作单元的地址；最低有效 位(位0)如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低 位开始输出。 3.2DS1302 7 6 5 4 3 2 1 0 1 RAM/A4 A3 A2 A1 A0 RD/ CKW数据输入输出（I/O）在控制指令字输入后的下一个SCLK的时钟的上升沿时数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0开始到高位7。 （3）DS1302的寄存器 DS1302有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据 位为BCD码形式,其日历、时间寄存器及其控制字见表3.3。 3.3DS1302 寄存器名 命令字 取值范围 各位内容 7 6 5 4 3 2 1 0 写 读 80H 81H 00 — 59 CH 10 SEC SEC 秒寄存器 82H 83H 00 — 59 0 10 MIN MIN 分钟寄存器 84H 85H 12/24 0 10/AP HR HR 小时寄存器 1-12或0-23 86H 87H 01 — 31 0 0 10DATE DATE 日期寄存器 88H 89H 01 — 12 0 0 0 0 MONTH 月份寄存器 8AH 8BH 01 — 07 0 0 0 0 0 DAY 周日寄存器 8CH 8DH 00 — 99 10 YEAR YEAR 年份寄存器 表中12或24小时的方式选择位，当为1时，选择12小时。有AP那位是上午和下午的选择位，当为1是表示为下午。CH是暂停位，当CH=1时，时钟振荡停止，器件被置入低功率备份方式，其电源电流小于100nA，当CH=0时，时钟启动。 片内2个控制用的寄存器各位定义如表3.4： 3.4 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 寄存器的名称 寄存器地址 07H WP 0 0 0 0 0 0 0 写保护寄存器 慢速充电寄存 08H TCS TCS TCS TCS TCS TCS TCS TCS 器 表中WP时写保护位。在对时钟或RAM进行写操作前WP必须为0，否则不可写入，在读操作时总是读出0。当WP=1时，可防止对任何寄存器进行写操 作。 此外，DS1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存 器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器 外的所有寄存器内容。 DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：一类是单个 RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0H～FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH(写)、FFH(读)。 （4）数据输入输出 在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位至高位7，数据读写时序见图3.13。 图3.13 数据读写时序 如果命令字节中的寻址位A0 ～ A4均为1，可以把时钟/日历或RAM存储器规定为多字节方式。当命令字节为FFH或FEH，可以对片内31字节RAM进行读/写操作；当命令字节为BFH或BEH时，可对8个时钟/日历寄存器进行读/写操作，在时钟/日历寄存器中的地址9～31或RAM存储器中的地址31均不能使用。在多字节方式中读或写都是从地址0的第0位开始。 当以多字节方式写时钟/日历寄存器时，必须按传送是次序写满8个寄存器；但是，当以多字节方式写RAM时，根据发送的要求，数据不必写入所有31字节。不管是否写入全部31字节，所写的字节都将传入送至RAM。 另外，应注意在写操作时，CLK的每一个时钟上升沿。I/O引线将为高阻态，数据必须在CLK上升沿前读取。 DS1302的电路如图3.14所示。V辅助电源加了一个大电容代替电池。 CC1 图3.14时钟接口电路 主控制板的通信电路与显示板的通信电路相同，详见3.1.4条。 整个系统的工作电压都是+5V，所以需要一个稳定的+5V直流电源。如图3.15所示，是一个把220V交流电转换成直流+5V的电源电路。220V交流电通过EMC滤波电路接变压器（15：1），出来的15V交流电经过整流桥整流成直流后接7812转变为+12V直流，在接7805转换成+5V直流电，中间辅助以电容滤波。最后得 [10]到较理想的+5V直流电。而引出的+12V直流电作为备用。 图3.15 电源电路图 基于硬件的设计，下位机的软件设计主要涉及三个方面：温度液位采集、温 差跟踪循环控制、定时加热控制。其软件主要流程如图4.1所示。 开始 初始化 采集温度、水位信号 A/D转换 调用温度、水位比较程序 与上位机通信 上水阀、循环泵、加热器、伴热带启停 返回 图4.1 下位机总体流程 如图4.2，温度测量的软件流程包括：启动温度电路、寄存器的配置、转换数 据读出、折半查表等。 首先开启入水口温度采样通道，进行A/D初始化设置，设定RA0作为模拟 输入通道，V作为比较电压，之后启动A/D转换。当A/D转换允许位CC 时，将得到的采样值送入到折半查找程序中，得出其温度的整数GODONE/1, Mt()部分，从而求出温度的转换数值。计算完毕后，开启另一路的采样通道，t 应用相同的方法求出采集的温度。 开始 A/D初始化启动A/D转换 寄存器设置 GO/DONE=1? 折半查找求出Y温度的整数部分 开启下一路通道转换 采样结束返回 图4.2 温度测量的软件流程 为使问题简洁明了，现以图4.3为例说明温度采集转换过程。 地址温度 00H0C001H 02H91C03H 62H42963H49C64H438ADt()50C65H44766H51C67H 857CH699CCH7 图4.3 温度 表格 关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载 示意图 AD(t)当进行A/D转换时得到A/D转换值430（即），采用对分查找的算 ADnADtADn()()(1),,，法和表格中事先存储的数值进行比较，直到时停止 ADn()429,ADn(1)438，,ADn()429,（这里，），此时将的地址减去首址再980,M(t)C,49,49除以2，即作为温度的整数部分，所以，此时的温度为。2 以上就是温度采集转换的过程。 液位采集时首先设定RA1为模拟通道，通过RA2、RA3、RA4设定地址，单片机循环采集不同点水位信号。如果水箱中水位达到20%点时，拉低电平为“0”，即RA1=0，就会传给单片机一个开关信号，单片机内部处理后，就会送 出命令，启动上水阀；直到水位达到80%时，电平为“0”时，停止上水阀上水。 下位机主要根据温差比较来实现自动循环功能，此功能既实现了太阳能加热 的目的，又充分利用了太阳能并且降低了系统无用消耗。该功能流程图如图4.4所示。 TTT为集热器温度，为回水温度，为水箱温度。集热器温度上限其中：T1132 TT温度；当集热器温度达到其上限温度50?，才允许启动温差循环；否则1MAX1 不允许温差循环进行。 TTT,T集热器温度和回水温度之差上限为，设定为8?；集热器温度和1122 ,TTTT回水温度之差下限为，设定为4?；水箱温度的上限温度，设定为1MAX223 TTTT75?；水箱温度的下限温度，设定为45?。当集热器温度与回水温度13MIN22 TTT,,,T,TT满足，同时水箱的温度满足时，启动集热器的循环泵进1223MAX23 TTTTT,,,行温差循环；而当集热器温度与回水温度满足，或者水箱的温度12121 T,TT满足时，则关闭集热器的循环泵，通过集热器对循环水继续进行加热。3MIN23 如此往复循环，利用太阳能加热循环水，将热量贮存的到蓄热水箱中。 开始 硬件初始化 采集温度信号 NT1>TMAX1?取T1 Y NNT1-T2>ΔT2?T1-T2<ΔT1?取T1、T2 YY 停止B1，L1灭 Y NNT3TMAX2?取T3 Y 启动B1，L1亮 YT3TMAX3?停止电加热，L3灭 N YT4TMAX4?停止采暖循泵B2，L4灭 N YT5TMAX5?停止伴热带，L5灭 N 图4.4 温差循环控制流程图 TT而在连续阴雨天的情况下，集热器内的温度达不到设定的上限温度1MAX1时，就不能启动温差循环。这时，在满足下面的条件下，就需要启动电加热器给 TT蓄热水箱中的水进行加热。水箱温度的加热下限温度，设定为40?；水MIN33 TT,TT箱温度的加热上限温度，设定为55?。当水箱出水温度时，就33MIN3MAX3 TTT,会启动电加热器给水箱加热；直到水箱出水温度满足时，就会通过333MAX继电器断开电加热器，保证了采暖系统的正常工作。 T在采暖系统中，控制系统控制采暖循环泵，给用户供暖。为采暖交换器温4 TTTT度，采暖温度的上限温度为，设定为50?；采暖温度的下限温度为,MAX444MIN4 BTTT,设定为40?。当采暖温度满足时，就会启动采暖循环泵；当采暖2444MIN TT,BT温度满足时，就会通过继电器控制采暖循环泵关闭。达到给室内44MAX24 的目的。 本设计的温差循环还包括了防冻保护，以防在寒冷的冬季，太阳能热水器的 TTT集热器和连接管道被冻坏。为连接的管道温度，管道温度的温度上限，55MAX5 TTT设定为8?；管道温度的温度上限，设定为4?。当管道温度满足MIN555TT,TTT,时，伴热带启动加热；当管道温度满足时，伴热带停止加55MIN555MAX 热，起到了保护管道的作用。 据介绍，峰谷电价将每天的用电时间划分成峰、平、谷三类：高峰段（每天 的10?00－12?00与18?00－22?00，共6个小时）；平段（即每日的8?00－10?00、12?00－18?00、22?00－24?00，共10个小时）；低谷段（每天的 0?00－8?00，共8个小时）。高峰电价约为平段电价的1．8倍，低谷电价则为平段电价的48％。 由于存在着峰谷电价差，所以本设计可以在凌晨5：00时，判断水箱的水温 TC,40T达到40C，如果水箱中的水温满足，就需要启动电加热器加热，直33 TC,55到水箱中的水温满足，停止电加热器加热。这样，将温度比较高的水保3 存在水箱里，以便用户在早晨使用。 软件的主要功能是完成对硬件的控制，上位机软件设计主要实现温度、液位 参数的显示，日历时钟的显示，参数设置的功能，主要流程如图4.5所示。上位机中的显示控制模块采用四线电阻式触摸屏，用手指或其他物体触摸安装在显示 器前端的触摸屏时，所触摸的位置(以坐标形式)由触摸屏控制器RA8806检测， 并通过接口送到PIC单片机，从而确定输入的信息，执行相应的命令。 开始 I/O初始化 DS1302、触摸屏初始化 显示主界面 N触摸否？ Y 参数设置子程序 手动控制子程序 与下位机通信 图4.5 上位机总体流程 上位机的主界面（初始运行界面）是在触摸屏的液晶显示模块上实时显示北 京时间，显示下位机从采暖系统采集来的各点温度、液位，显示采暖系统上水阀、 循环泵、伴热带的运行状态。温度液位显示流程如图4.6所示。上位机置于控制室内，工作人员无需到采暖现场便可知道系统当前的运行状态，根据控制要求进 行适当的参数设置。上位机主界面流程如图4.7所示。 开始 I/O口、触摸屏初始化 对分查找温度值 LCD清屏 写入LCD起始地址 写命令到LCD 将RAM的温度、液位信息送到LCD 图4.6 温度、液位显示流程 开始 I/O初始化 LCD初始化 LCD清屏 控制寄存器设置 写命令寄存器设置 写DS1302时间子程序 写温度、液位子程序 写控制状态 返回 图4.7 主界面显示流程 本设计具有24h定时和实时显示功能，因此硬件设计上已经具有一个实时时 钟DS1302来为系统提供准确的基准时间，在软件上则要定时地读出当前的时间， 并同设定时间相比较以决定系统的工作情况。DS1302的读写流程如图4.8所示。 根据控制要求，上位机向DS1302写入控制命令和初始时间，在其内部的RAM 中进行处理并存储，然后上位机读出初始时间在触摸屏的液晶显示模块上进行实 时的显示。日历时钟显示流程如图4.9所示。 开始开始 B口、D口初始化B口、D口初始化 DS1302初始化DS1302初始化 启动DS1302启动DS1302 将54H中的控制指令最低将54H中的控制指令最低 位写到DS1302位写到DS1302 设置SCLK上升沿设置SCLK上升沿 控制指令右移一位控制指令右移一位 NN右移8次？右移8次？ YY 将54H中的数据最低位写将DS1302中的数据最低位 到DS1302读到RE1 设置SCLK上升沿设置SCLK上升沿 数据右移一位数据右移一位 NN右移8次？右移8次？ YY 结束调用LCD显示函数 图4.8 DS1302的读写流程图 开始 I/O、DS1302、LCD初始化 LCD清屏 调用DS1302写子程序 调用DS1302读子程序 写入LCD起始地址80H 写入控制命令 写数据 N写入14次？ Y 图4.9 日历时钟显示流程 为完成触控并进行参数设置的功能，首先应完成对触摸屏息的处理：状态信 息、坐标信息。状态信息有两种，分别为单击和双击，是用户对触摸屏进行操作 时的行为决定的。对于状态的检测，主要是根据中断信号来处理的，如图4.10 所示，由于双击屏幕的操作理论上是对屏幕同一点的连续两次操作，但是实际上， 双击操作是对屏幕某一小区域的连续两次操作。所以两次坐标是不会完全一样 的，这就需要程序进行处理。 开始 等待触控 N触控中断标志？ Y 取触摸屏坐标（X,Y） N触控中断标志？ Y 触摸屏坐标N （X+7,Y+7）? Y 延迟10ms N触控中断标志？状态判定：单击 Y 触摸屏坐标N （X+7,Y+7）? Y 状态判定：双击 返回 图4.10 触摸屏状态判断图 对坐标信息进行处理的控制器选用RA8806，首先是分别向X,Y电极对施加电压，并把测量电极上的电压信号转换为相应触点的（X,Y）坐标，通过中断请求向上位机表示有触摸发生，上位机通过I/O口的配合来获取坐标数据，并做相 应的处理。当操作者在触摸屏上的有效区域点击时，触摸屏的X方向输出电阻和Y方向输出电阻分别随X和Y呈线性变化，RA8806将其分别转换为10位数 据，其X,Y坐标读取流程如图4.11所示。通过中断请求上位机接收数据，上位 机收到数据进行分析处理。上位机中断接收数据流程如图4.12所示。 开始 触摸屏初始化 开始触摸侦测 N触控中断发生？ Y 启动10位A/D 送读X坐标控制字 读X坐标，存储到TPXR和TPZR 送读Y坐标控制字 读Y坐标，存储到TPYR和TPZRY继续侦测？ N 关闭触控功能 结束 图4.11 X,Y坐标采集流程 开始 PIC初始化 N触摸发生？ Y 保护现场 延时10ms N触摸发生？ Y 调用触控面板读取子程序 保存X、Y坐标到RAM 调用按键处理子程序 调用显示子程序 返回 图4.12 上位机接收数据中断流程 上位机通过触控屏采集到(X,Y)坐标，经过RA8806内部的10位A/D转换， 判断触控的位置。通过触控屏使上位机产生中断，进入参数设置界面，执行参数 设置子程序，参数设置流程图如图4.13所示。 例如，设定水箱温度上限时，手指按下触摸屏参数设置按键进入参数设置界 面，通过LAST和NEXT选定参数，再按UP和DOWN键，可以增大或减小其数值，最后按SET键完成参数设定并返回主界面。 开始 LCD初始化 显示主界面子程序 N参数设置？ Y YYLAST=1？UP=1？参数加1 NNY DOWN=1？参数减1 N YYNEXT=1？UP=1？参数加1 NN YDOWN=1？参数减1 N YSET=1？ N NBACK=1？ Y 返回主界面 图4.13 触摸屏参数设置流程 太阳能采暖以其安全、经济、适用、无污染等特点逐渐被城乡居民所接受， 然而太阳能采暖还一直处于研究与开发阶段，存在的问题主要有显示界面的控制 系统不够人性化，为了进一步完善，本设计在控制室内选用了功能强大的触摸屏 作为显示模块和控制模块，上位机不仅能完成自动控制的功能，而且设置了手动 控制和停止按键，这样根据不同的需求方便用户使用。手动控制流程如图4.14所示。 系统运行后，上位机进入主界面，没有检测到按键发生时，实时显示采暖系 统中的各点温度、水位、北京时间，以及自动控制过程中的循环泵、辅助电加热 器、伴热带、上水阀的运行状态。当检测到手动加热按键按下时，上位机就会将 状态信息STATE=1，通过串行通信传送给下位机，启动辅助电加热器。若按下 停止按键，就会停止现在执行的命令，停止辅助电加热加热。延时一段时间后， 没有检测到有键按下，就会执行自动控制下的设定温度上限，以保持水温不过高。 其它的按键与辅助电加热键类似。 开始 显示主界面 NN手动加热停止自动状态 YY STATE=1STATE=5 NN手动上水停止自动状态 YY STATE=2STATE=5 NN手动采暖循环泵停止自动状态 YY STATE=3STATE=5 NN手动伴热带停止自动状态 YY STATE=4STATE=5 Y 返回 图4.14 手动控制流程 下位机和上位机通过485串行通信，具体的通信格式见4.4节通信 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 说明。下位机和上位机都采用主动发送，中断接收的方法。当系统上电或有参数设置更 改时，首先由上位机向下位机发送设置的参数组，下位机产生串行通信中断，接 收数据并进行相应的处理。下位机把采集到的数据主动发送给上位机，上位机中 断接收并显示。其中上位机相应的中断处理程序流程图如图4.15所示，下位机 的如图4.16所示。 上位机串口中断 保护中断现场 N数据？ Y 接收数据 计算校验和 N校验和正确？ Y 调用LCD显示 N接收完？发送重发命令重发设置参数组 Y 清除中断标志 返回 图4.15 上位机接收中断流程图 下位机串口中断 保护中断现场 NY参数组？ STATE=1?开启辅助电加热YNY 接收参数组STATE=2?启动采暖循环泵N Y 计算校验和STATE=3?开启伴热带N YN校验和正确？STATE=4?打开上水阀N YY STATE=5?下位机急停N保存参数组，启动下位机 N Y接收完？重发命令显示运行状态 清除中断标志 返回 图4.16 下位机接收中断流程图 头：ABUF[0] = 0x68; 功能：ABUF[1]=0x00(数据)，ABUF[1]=0x01(功能命令) 数据：70个数据 ，STATE的值（功能项） 和效验：ABUF[]=0x××; 尾：ABUF[0] = 0x16; 通信格式见表4.1。 4.1 起始标志 控制码 数据 校验和 结束标志 70字节0x68 1字节 1字节 0x16 /STATE 头：ABUF[0] = 0x68; 功能：ABUF[1]=0x00(数据发送)； 数据：8个字节（3个温度，1个液位，1个运行状态）； 和效验：ABUF[]=0xXX; 尾：ABUF[0] = 0x16; 通信格式见表4.2。 4.2 起始标志 控制码 数据 校验和 结束标志 0x68 1字节 8字节 1字节 0x16 头：ABUF[0] = 0x68; ABUF[1] = 0xFF 尾：ABUF[2] = 0x16; [12]通信格式见表4.3。 4.3 起始标志 控制码 结束标志 0x68 0xFF 0x16 6.1温度采集电路的调试结果与分析 6.2时钟显示电路的显示结果 6.3触摸屏显示