節(jié)能型供熱溫度控制器設(shè)計(jì)

摘要大型公共建筑高能耗已成為建筑節(jié)能發(fā)展的瓶頸，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能型的供熱溫度控制，文中采用了基于89C51單片機(jī)和CAN總線的設(shè)計(jì)方法，給出了供熱溫度控制器的總體設(shè)計(jì)方案，以及主要電路原理圖的引腳連接，并根據(jù)功能要求和實(shí)際電路設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟件，給出了主要程序的流程圖。最終對單片杌進(jìn)行了軟硬件聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)功能。
關(guān)鍵詞供熱溫度控制器；單片機(jī)；CAN總線；電路原理圖；系統(tǒng)軟件

建設(shè)部要求城鎮(zhèn)新建公共建筑和居民建筑，凡使用集中供熱設(shè)施的，均需設(shè)計(jì)、安裝具有分戶計(jì)量及室溫調(diào)控功能的供暖系統(tǒng)。節(jié)能型供熱溫度控制器是利用自動控制技術(shù)，將節(jié)能措施與熱計(jì)量功能融為一體，從以人為本的角度提出的一種新型節(jié)能理念和方法，使集中供暖用戶既可通過控制器設(shè)定、調(diào)整并與配套設(shè)備共同完成對室內(nèi)溫度的自動控制和遠(yuǎn)程控制，又可隨時(shí)了解室內(nèi)溫度、熱消耗量，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計(jì)
一個(gè)完整的大型公建節(jié)能型供熱溫度控制器由兩部分組成：溫度測控系統(tǒng)和通信模塊系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)溫度測控的硬件包括：單片機(jī)、溫度傳感器、信號放大器、A／D轉(zhuǎn)換器及D／A轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器、顯示驅(qū)動芯片和數(shù)碼管等。系統(tǒng)通信模塊的硬件包括CAN控制器和CAN收發(fā)器。

1．1 溫度控制的工作原理
在溫度測控系統(tǒng)中，穩(wěn)壓器完成對單片機(jī)的供電，數(shù)碼管完成溫度的顯示。系統(tǒng)的被測參數(shù)是溫度，被測溫度首先由傳感器測量后得到mV信號，再經(jīng)放大器放大后變?yōu)?～5 V電壓信號，送入A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號供給單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。一方面，與所設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差信號，單片機(jī)根據(jù)預(yù)定的PID算法計(jì)算出相應(yīng)的控制量，用控制量控制電氣閥的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)溫度控制；另一方面，將實(shí)時(shí)測量得到的溫度送至數(shù)碼管顯示，同時(shí)用戶也可通過鍵盤來設(shè)定理想溫度。
1．2 CAN通信模塊的工作原理
當(dāng)CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其以報(bào)文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)。對每個(gè)節(jié)點(diǎn)而言，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，均對其進(jìn)行接收。每組報(bào)文開頭有11位字符作為標(biāo)識符，其規(guī)定了報(bào)文的優(yōu)先級，這種格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識符是唯一的，不可能有兩個(gè)站發(fā)送具有相同標(biāo)識符的報(bào)文。當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)競爭總線讀取時(shí)，這種配置尤為重要。當(dāng)一個(gè)站要向其他站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該站的CPU要將發(fā)送的數(shù)據(jù)和自身的標(biāo)識符傳送給本站的CAN控制器，并處于準(zhǔn)備狀態(tài)；當(dāng)收到總線分配時(shí)，轉(zhuǎn)為發(fā)送報(bào)文狀態(tài)。CAN控制器將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報(bào)文格式發(fā)出，此時(shí)網(wǎng)上的其他站點(diǎn)處于接收狀態(tài)。每個(gè)處于接收狀態(tài)的站對接收到的報(bào)文進(jìn)行檢測，判斷是否接收這些報(bào)文。通常每個(gè)CAN模塊都是南不同的功能單元構(gòu)成。CAN控制器與物理總線間需要一個(gè)接口CAN接收發(fā)送器，CAN接收發(fā)送器將來自CAN控制器的邏輯電平信號轉(zhuǎn)換為總線上的物理電平。再將總線上的物理電平轉(zhuǎn)換為CAN控制器能接收的邏輯電平信號。CAN接收發(fā)送器的上一層是CAN控制器，該控制器執(zhí)行完整的CAN協(xié)議，包括信息緩沖和接收濾波。

2 各部分模塊設(shè)計(jì)
2．1 主要芯片選擇
系統(tǒng)單片機(jī)采用8位AT89C51，因控制器所需的單片機(jī)，無需在語音、圖像進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理，且對速度要求較低，無需高位單片機(jī)。溫度傳感器該產(chǎn)品采用美國Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。選用此類溫度傳感器可省去信號放大部分及A／D轉(zhuǎn)換器，使得該溫度控制器結(jié)構(gòu)變得簡單、清晰。穩(wěn)壓器采用三端LM7805供給單片機(jī)電源。LM7805為正穩(wěn)壓電路，TO-220封裝，可提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。D／A轉(zhuǎn)換器選擇DAC0832。其是8分辨率的D／A轉(zhuǎn)換集成芯片與微處理器完全兼容。顯示芯片采用PS7219，是一種新型的串行接口的8位數(shù)字靜態(tài)顯示芯片，可與任何單片機(jī)方便接口，并可同時(shí)驅(qū)動8位LED。
2．2 單片機(jī)溫度采集電路
溫控系統(tǒng)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)和測溫傳感器。單片機(jī)最小系統(tǒng)中，復(fù)位電路采用12 MHz晶振，復(fù)位電路由復(fù)位按鈕控制，同時(shí)提供單片機(jī)AT89C51、CAN控制器SJA1000和顯示接口器件PS7219的復(fù)位信號。單片機(jī)溫度采集電路如圖2所示，從RST引出線，分別與各芯片的復(fù)位信號線相連采用上電復(fù)位模式。

2．3 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路
對輸出信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換中，DAC0832采用單緩沖工作方式。DAC0832的兩級寄存器的寫信號WR1和WR2均由單片機(jī)的WR引腳控制。當(dāng)單片機(jī)的地址線選擇DAC0832后，只要輸出WR控制信號，便可同時(shí)完成數(shù)字陽的輸入鎖存和D／A轉(zhuǎn)換輸出。由于DAC0832是電流輸出型，所以為了得到電壓信號，需在DAC0832的輸出端接入運(yùn)算放大器。接入一級運(yùn)算放大器可得到負(fù)的電壓信號，接入二級運(yùn)算放大器，得到正的電壓信號。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

2．4 CAN通信模塊電路
SJA1000作為CAN的控制部分，在與單片機(jī)連接時(shí)，其數(shù)據(jù)線AD0～AD7與單片機(jī)的輸入輸出管腳P0口連接，片選信號CS接地，低電壓允許訪問，RST、1NT、WR、WD、ALE管腳分別與單片機(jī)的相應(yīng)管腳連接，控制器的收發(fā)端RX0、TX0分別接收發(fā)器CTM1050的收發(fā)端RXD、TXD引腳相連。系統(tǒng)通信模塊電路如圖4所示。