太陽能熱水器溫度采集系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)研究

摘要：介紹了太陽能熱水器溫度采集系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究。鉑電阻的阻值隨溫度的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，調(diào)理電路對電壓信號進(jìn)行放大、變換，輸出0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號，送下位機(jī)后進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，再通過串行通信上傳給上位機(jī)進(jìn)行存儲、顯示。系統(tǒng)采用對分查找的算法，得到不同溫度區(qū)間上的標(biāo)度變換算法。鉑電阻溫度的對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)的測量精度優(yōu)于±1℃，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。
關(guān)鍵詞：太陽能熱水器；PT1000；溫度采集；最小二乘法

太陽能熱水器以其安全、經(jīng)濟(jì)、適用、無污染等特點(diǎn)逐漸被城鄉(xiāng)居民所接受，而其溫度采集系統(tǒng)又是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。常用的溫度傳感器包括：熱電偶、熱敏電阻、集成式溫度傳感器，熱電阻等。由于鉑電阻在氧化介質(zhì)和高溫下的物理化學(xué)性能極其穩(wěn)定，而且太陽能熱水器置于室外，工作環(huán)境惡劣，所以本設(shè)計(jì)采用鉑電阻作為太陽能熱水器的溫度傳感器。

1 系統(tǒng)工作原理
由于太陽能熱水器的工作環(huán)境限制，將下位機(jī)(PIC16F877)置于集熱現(xiàn)場，主要實(shí)現(xiàn)溫度采集功能，溫差循環(huán)控制功能，即控制循環(huán)泵、上水閥、輔助電加熱器、伴熱帶的啟停，并與上位機(jī)(PIC16F877)進(jìn)行485通信，將采集的溫度水位信息送到上位機(jī)去顯示。
系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
溫度采集處理電路的主要功能是將鉑電阻傳感器采集的溫度信號，經(jīng)橋式信號檢測電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)弱信號儀表放大器MCP602進(jìn)行兩級放大，及非線性A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成能夠識別的數(shù)字量，暫存在單片機(jī)的存儲器中。
2．1 溫度采集電路設(shè)計(jì)
溫度采集電路是將單片機(jī)的RA2、RA3、RA4連接多路選擇芯片CD4051的地址位A、B、C端口，由單片機(jī)設(shè)定采集哪一路溫度信息，將RA0設(shè)定為模擬通道。
2．2 放大倍數(shù)的計(jì)算
本設(shè)計(jì)放大電路選用MCP602作為放大器，由其構(gòu)成的放大電路圖如圖2所示。其中：VREF=0 V，R1=300 kΩ，R2=10 kΩ，這是一個簡單的2級放大電路，通過調(diào)節(jié)可變電阻RG可以改變其放大倍數(shù)，便于以后的調(diào)試。兩級放大后的輸出電壓VOUT：

通過電橋電路采集來的信號比較微弱，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，才能轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所能識別的0 V到5 V的信號。為此，要合理地設(shè)定可變電阻RG的值來選擇合適的放大倍數(shù)。選擇過程如下：
當(dāng)RG=20 kΩ，放大倍數(shù)約為61倍。在溫度T=99℃時，PT1000的阻值為R=1381．26Ω，則得到VOUT=2．806 V。盡管VOUT在界限0～5 V之內(nèi)，但靈敏度較小，故將RG調(diào)整到10 kΩ。