太陽能熱水器溫度采集和溫差循環(huán)控制系統(tǒng)的設計

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 太陽能熱水器溫度采集和溫差循環(huán)控制系統(tǒng)的設計 太陽能熱水器以其安全、經(jīng)濟、適用、無污染等特點逐漸被城鄉(xiāng)居民所承受，而其溫度采集系統(tǒng)又是設計的關鍵。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，所以本設計采用鉑電阻作為太陽能熱水器的溫度傳感器。 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（PIC16F877）置于集熱現(xiàn)場，主要實現(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（PIC16F877

2、）開展485通信，將采集的溫度水位信息送到上位機去顯示。 系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。 基于太陽能熱水器溫度采集和溫差循環(huán)控制系統(tǒng)的設計 硬件電路設計 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開展兩級放大，及非線性AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成能夠識別的數(shù)字量，暫存在單片機的存儲器中。 .1 溫度采集電路設計 溫度采集電路是將單片機的RA2、RA3、RA4連接多路選擇芯片CD4051的地址位A、B、C端口，由單片機設定采集哪一路溫度信息，將RA0設定為模擬通道。 .2 放大倍數(shù)的計算 本設計放大電路選用MCP602作為放大器，

3、由其構成的放大電路圖如圖2所示。其中：VREF=0 V，R1=300 k，R2=10 k，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，需要開展適當?shù)姆糯?，才能轉(zhuǎn)換成單片機所能識別的0 V到5 V的信號。為此，要合理地設定可變電阻RG的值來選擇合適的放大倍數(shù)。選擇過程如下： 當RG=20 k，放大倍數(shù)約為61倍。在溫度T=99時，PT1000的阻值為R=1381.26，則得到VOUT=2.806 V。盡管VOUT在界限05 V之內(nèi)，但靈敏度較小，故將RG調(diào)整到10 k。 當RG=10 k，放

4、大倍數(shù)為91倍。在溫度T=99時，PT1000的阻值為R=1381.26時：VOUT=4.186 V。此時，在099溫度范圍內(nèi)電橋的輸出是04.186 V，VOUT在05 V范圍內(nèi)，符合設計要求。因此設計中選擇尺RG=10 k，放大倍數(shù)為91倍。 .3 溫度測量中的誤差分析及解決方法 當用鉑電阻傳感器開展溫度測量時，存在一定的誤差。它的誤差主要有4個：鉑電阻自身的非線性；鉑電阻電橋輸出的非線性；鉑電阻的引線電阻；測溫電路本身帶來的影響。 ）鉑電阻的非線性 對于鉑電阻PT1000，在0650溫度范圍內(nèi)其阻值與溫度的關系為： 此時，鉑電阻阻值與溫度是線性關系。在100時，若只記線性值Rt*=1 3

5、90.8 ，而R1=1 385.0， 誤差為5.8，相對誤差為4.2，回代到式（2）中，溫度誤差超過1.4。顯然鉑電阻的非線性給測量帶來了誤差。 ）鉑電阻電橋輸出的非線性 ）鉑電阻的引線電阻 因為測溫電路是不平衡電橋。鉑電阻作為電橋的一個橋臂電阻，其連接導線（從鉑電阻到控制單元）也作為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，造成測量誤差。但由于鉑電阻PT1000的阻值較大，所以這個因素可以忽略。 ）測溫電路本身的影響 由于電源電壓的抖動、外界于擾，AD通道的互相干擾等都會造成溫度測量的不確定性，因此必須通過合理的電路設計才能消除這些因素的影響。 考慮到鉑電阻阻值和溫度的非線性以

6、及電橋電路本身的非線性，本文提出兩種方案，下面分別加以介紹。 方案1：查表法 由鉑電阻的電阻-溫度分度表查出每一度對應的電阻值Ri，帶入式（3）中可以得到電橋?qū)妮敵鲭妷篣（i），再根據(jù)式（4）就可以得到對應的AD轉(zhuǎn)換值AD（i）。 式中，K為MCP602的放大倍數(shù)。本文選擇91。UREF為單片機內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換的參考電壓，等于5 V。 將計算得到的AD轉(zhuǎn)換值是按照溫度大小做成表格存放在單片機的存儲器中。當測量溫度時，先讀取AD轉(zhuǎn)換值，然后采用對分查找的算法用單片機的AD轉(zhuǎn)換結果AD（t）與EEPROM中存放的表格值AD（i）作比較，每次取表格的中間值AD（m），如果AD（t）AD（m），則下次

7、比較時取表格的后半部的中間值做比較，如果AD（t）AD（m），則下次比較時取表格的前半部的中間值做比較，直到AD（n）AD（t）AD（n+1）時停止，得到了溫度的整數(shù)部分M（t）=n。接著采用線性插值法計算溫度的小數(shù)部分，由AD（t）-N（t）除以AD（n+1）-AD（n）的值得到小數(shù)部分。由于本設計對溫度要求不高，因此不用計算小數(shù)部分，可以將此方法用于其他應用領域中。 方案2： 二乘法 由于鉑電阻阻值和溫度的非線性以及電橋電路本身的非線性，使得溫度和電橋輸出電壓之間的關系變得很復雜，而且也沒有一個相應的函數(shù)來描述它們之間的關系，下面就介紹 二乘法，利用 二乘參數(shù)估計理論來建立溫度傳感器的數(shù)學

8、模型。 對太陽能熱水器的水箱溫度在標定點開展溫度實測（可用標準電阻箱或電位器來模擬鉑電阻在各個標定點實測），得到幾組數(shù)據(jù)，即（V1，T1），（Vi，Ti），（Vn，Tn）。其中輸入量為電橋輸出電壓Vi，輸出量為溫度Ti。 設有一個m次多項式： 求解采用計算機遞推法求解，先設m=1，將測量值帶入矩陣公式中計算A。逐點計算誤差i=Ti-T（Vi），看是否超差，如果超差則升階，令m=2，重新計算A，直到不超差為止，此時多項式模型即為傳感器數(shù)學模型。 此方法的優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)所建立的數(shù)學模型整體優(yōu)化，適合非線性較大的傳感器模型的建立。但應用于本文時需要擬合出高階的數(shù)學模型，其運算量較大。另外，在以主頻為

9、4MHz的單片機上做運算，其速度較慢（多次加、乘運算），所以本文采用方案1。 系統(tǒng)軟件實現(xiàn) 溫度采集處理的軟件流程如圖5所示，其中包括了啟動溫度電路、存放器的配置、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀出、查找得溫度等部分。首先開展AD初始化設置，將點電源電壓VCC作為比較電壓，同時設定RA0作為模擬輸入通道，開啟入水口溫度采樣通道之后，啟動AD轉(zhuǎn)換。當AD轉(zhuǎn)換允許位GODONE=1時，將得到的采樣值送入到折半查找程序中，得出其溫度的整數(shù)部分M（t），從而求出溫度t的數(shù)值。計算完畢后返回。 實驗結果與討論 使用標準電阻箱模擬鉑電阻溫度傳感器，每一個電阻值對應著一個溫度，構成測溫電橋的橋臂，得到差動電壓，通過萬用表測量。經(jīng)過MCP602放大后，送入單片機開展AD轉(zhuǎn)換。由于單片機內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換是十位的，因此分別存儲在存放器ADRSEH和ADRSEL中，再通過對分查表法，將對應的溫度值事先在觸摸屏上顯示出來。采集的溫度和實際的