太阳能热水器控制系统的设计 下载本文

内容发布更新时间 : 2024/12/24 20:26:21星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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可以只使用一根电缆传输温度数据,通信方便,传输距离远且抗干扰性好,与用传统的温度传感器系统相比系统得以简化。系统扩充维护十分方便。

3.3 水压传感器及A/D转换

水位传感器输出的信号为模拟信号,由于输出量微弱,要经过放大器的放大转化为0~5V的电压信号,才能送入ADC0832中进行转换,输出为串行数字数据,送入单片机89S52处理。传感器和AD转换原理图如下图3-4所示:

图3-4 模拟量输入及AD转换电路结构

3.3.1 水压传感器

力学传感器的种类繁多,如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、电感式压力传感器、压阻式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器,它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。在水箱的最底部安装压力传感器,水位的不同,传感器检测到的压力值就不同,采集到的模拟量信号经过处理和计算,就能换算成水位的高低,经过单片机显示[3]。 3.3.2 ADC0832结构及原理

图3-5 ADC0832芯片引脚图

芯片各引脚说明:

1) CS_ 片选使能,低电平芯片使能。

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2) CH0 模拟输入通道0,或作为IN+/-使用。 3) CH1 模拟输入通道1,或作为IN+/-使用。 4) GND 芯片参考0 电位(地)。 5) DI 数据信号输入,选择通道控制。 6) DO 数据信号输出,转换数据输出。 7) CLK 芯片时钟输入。

8) Vcc/REF 电源输入及参考电压输入(复用)。

ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片,其最高分辨可达256级,可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用,使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS,据有双数据输出可作为数据校验,以减少数据误差,转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入,使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端,可以轻易的实现通道功能的选择。

单片机对ADC0832 的控制原理:

正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线,分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的,所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832没有工作时其CS输入端为高电平,此时芯片禁用,CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时,须先将CS使能端为低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作,同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲,DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必为高电平,表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端输入2 位数据用于选择通道功能,当此2 位数据为“1” 、“0”时,只对CH0 进行单通道转换。当2位数据为“1” 、“1”时,只对CH1进行单通道转换。当2 位数据为“0”、“0”时,将CH0作为正输入端IN+,CH1作为负输入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”、“1”时,将CH0作为负输入端IN-,CH1 作为正输入端IN+进行输入。到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用,此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7,随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0,一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据,即从第11个字节的下沉输出DATA0。随后输出8位数据,到第19个脉冲数据输出完成,也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片,直接将转换后的数据进行处理就可以了[3]。

3.4 电磁开关电路及原理

要实现自动控制,就要有能自动闭合的开关,这里用到的是电磁开关(继电器),继电器上有电流时,由于电磁感应就会在铁心上产生磁性,将开关弹片吸引,使外部电

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路导通。为了在电磁继电器上有稳定的电流流过,前端就要有相应的控制元器件,我选择的是光电隔离器件,隔离掉了不稳定的因素。使光电隔离前端的发光稳定,信号的前端还需要驱动,提供稳定的信号电流。只有发光部分的稳定,后面的信号才能得到稳定输出。控制加热装置和上水装置的电路如图3-6所示[4]。

控制电路工作原理:单片机根据处理的结果,从控制端口输出低电平控制信号,通过正向驱动器,得到稳定的信号,使得光电隔离前端的发光二极发光,电路接通,后续电路工作,输出电压经分压,三极管导通,电磁继电器工作,弹片向下吸引,开关闭合,后面的电路开始工作。

图3-6 电磁开关控制电路

3.4.1 光电隔离器的原理

光电隔离器(optical coupler,英文缩写为OC)亦称光耦合器,简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用,所以,它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。这就完成了电到光再到电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。

在发光二极管上提供一个偏置电流,再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上,这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号,其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态,传输脉冲信号。在传输脉冲信号时,输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间,不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。

由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端是电流型工作的低阻元件,因而具有很强的共模抑制能力。所以,它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高

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信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件,可以大大增加计算机工作的可靠性。光耦合器的主要优点是:信号单向传输,输入端与输出端完全实现了电气隔离,输出信号对输入端无影响,抗干扰能力强,工作稳定,无触点,使用寿命长,传输效率高[5]。

电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种干扰,使通道上的信号稳定性大为提高,主要有以下几方面的原因:

(1)光电耦合器的输入阻抗很小,只有几百欧姆,而干扰源的阻抗较大,通常为105~106Ω。据分压原理可知,即使干扰电压的幅度较大,但馈送到光电耦合器输入端的干扰电压会很小,只能形成很微弱的电流,由于没有足够的能量而不能使二极体发光,从而被抑制掉了。

(2)光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系,也没有共地;之间的分布电容极小,而绝缘电阻又很大,因此回路一边的各种干扰都很难通过光电耦合器馈送到另一边去,避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。

(3)光电耦合器可起到很好的安全保障作用,即使当外部设备出现故障,甚至输入信号线短接时,也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。 3.4.2 电磁继电器的原理

继电器是一种电子控制器件,它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路),通常应用于自动控制电路中,它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。电磁继电器的工作原理并不复杂,它主要是利用电磁感应原理而工作的。当线圈通以电流时,线圈便产生磁场,线圈中间的铁心被磁化产生磁力.从而使衔铁在电磁吸力的作用下吸向铁心,此时衔铁带动支杆将板簧推开,使两个常闭的触点断开。当断开继电器线圈的电流时,铁心便失去磁性,衔铁在板簧的作用下恢复初始状态,触点则又闭合。

触点的形式一般分为三种:一种是继电器线圈未通电时处于接通状态的静触点,为常闭触点。二种是处于断开状态的静触点,称为常开触点,还有一种是一个动触点与一个静触点常闭,而同时与一个静触点常开,形成一开一闭的转换触点形式。常闭触点在线圈通电时由闭合状态断开,所以又称为动断触点,而把常开触点称为动合触点转换触点有两种情况,即先合后断的转换触点和先断后合的转换触点[6]。

先了解必要的条件:(1)控制电路的电源电压,能提供的最大电流;(2)被控制电路中的电压和电流;(3)被控电路需要几组、什么形式的触点。选用继电器时,一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流,否则继电器吸合是不稳定的。

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3.5 单片机控制系统

单片机系统有基本的时钟电路和复位电路,单片机的频率一般为11.0592M,复位电路有手动和上电自动复位电路,RST复位信号复位端,当此引脚保持两个机器周期的高电平时,就可以完成复位操作。复位电路如图:

图3-7手动复位电路 图3-8自动复位电路

单片机的时钟信号是由外部接的晶振产生,晶振的连接电路如图:

图3-9单片机晶振电路

单片机芯片上集成了各种功能部件:中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、定时/计数器、和各种输入/输出(I/O)接口等。它们之间相互连接,构成一个完整的单片机。89S52单片机采用40引脚的双列直插封装(DIP方式),在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚,2条外接晶体振荡的引脚,4条控制与其它电源复用的引脚,32条输入/输出(I/O)引脚[7]。

AT89S52单片机是一种低功耗高性能的COMS8位微控制器,内置8KB可在线编程闪存。该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产,其指令与工业标准的80C51指令集兼容。片内程序存储器允许重复在线编程,允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或通同用的非易失性存储器改写。通过把通过的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上,AT89S52便成为一个高效的微型计算机。它的应用范围广,可用于解决复杂的控制问题,且成本较低。AT89S52的主要特性有:兼容MCS51产品,8K字节可擦写1000次的在线可编程ISP闪存,3级程序存储加密,256字节内部RAM,3个16位定时/计数器,8个中断源,低功耗空闲方式和掉电方式,看门狗定时器,双数据指针,灵活的在线编程。其芯片引脚如图3-10所示: