基于單片機(jī)控制的熱水供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李玉蘭

摘要：目前，商場(chǎng)酒店企業(yè)等大中型公共建筑中集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)在集中供應(yīng)冷熱水混合水溫控制中存在很多問題。針對(duì)現(xiàn)有問題，結(jié)合現(xiàn)有單片機(jī)實(shí)訓(xùn)考核裝置，本文在單片機(jī)控制的基礎(chǔ)上分析了熱水供應(yīng)系統(tǒng)的硬件和軟件，進(jìn)行了熱水供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，來避免供水水溫忽冷忽熱，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水、降低成本、減少污染的目的。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 熱水供應(yīng)系統(tǒng) 物料搬運(yùn)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）12-0009-02

Abstract：At present， the central hot water supply system in large and medium sized public buildings， such as Arcades Hotel， has a lot of problems in the centralized supply of cold and hot water temperature control. In view of the existing problems， the author design the use of single-chip hot water supply system， to avoid the temperature of supply water to water conservation sometimes hot and sometimes cold， achieving the purpose of saving water、 reducing costs and reducing pollution.

Key Words：single chip microcomputer；hot water supply syste；materials handling

目前，商場(chǎng)酒店企業(yè)等大中型公共建筑中集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)在集中供應(yīng)冷熱水混合水溫控制中存在很多問題。利用單片機(jī)進(jìn)行熱水供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以避免供水水溫忽冷忽熱，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水、降低成本、減少污染的目的。結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備情況，選用YL-236型單片機(jī)實(shí)訓(xùn)考核裝置來完成單片機(jī)控制的熱水供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 單片機(jī)控制的熱水供應(yīng)系統(tǒng)的需求分析整體方案設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制的熱水供應(yīng)系統(tǒng)主要由3個(gè)子系統(tǒng)來組成：加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和用水計(jì)量系統(tǒng)。為了保證整個(gè)熱水供應(yīng)系統(tǒng)能夠正常工作，單片機(jī)控制的熱水供應(yīng)系統(tǒng)要滿足人們?nèi)粘Ｉ顚?duì)熱水的需求分析，從而確定每個(gè)子系統(tǒng)所要完成的基本功能，如下所述：

（1）加熱系統(tǒng)：能根據(jù)需要添加燃料將室溫的自來水加熱，使加熱水溫度的變化范圍在20-50℃內(nèi)變化。

（2）用水計(jì)量系統(tǒng)：根據(jù)各個(gè)水管出口處的水表，來計(jì)量出相應(yīng)的用水量，水量傳感器的電壓與儲(chǔ)水量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖所示。

（3）控制系統(tǒng)：能夠?qū)φ麄€(gè)熱水供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。能夠控制自來水加熱的開始、暫?；蚶^續(xù)，能夠控制加熱溫度的調(diào)節(jié)。

2 單片機(jī)控制的熱水供應(yīng)系統(tǒng)的硬件分析

根據(jù)對(duì)本系統(tǒng)的功能分析確定，本文所設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制的熱水供應(yīng)系統(tǒng)基于YL-236型單片機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置所需要的模塊如圖1所示。

2.1 電源模塊

電源模塊的作用主要是控制系統(tǒng)電源通斷，用紐子開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。紐子開關(guān)手柄向上為“打開”，向下為“關(guān)斷”。電源模塊工作正常相對(duì)應(yīng)的電源指示燈就會(huì)亮。在內(nèi)部電源指示燈就是一個(gè)發(fā)光二極管，當(dāng)電源接通，發(fā)光二極管正向?qū)〞?huì)發(fā)光，否則會(huì)熄滅。

2.2 MCU01主機(jī)模塊

在主機(jī)模塊中使用的單片機(jī)是AT89C51單片機(jī)。AT89C51單片機(jī)的管腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。它是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。

2.3 MCU04顯示模塊

顯示模塊的顯示方式有LED燈顯示、數(shù)碼管顯示、液晶屏顯示和點(diǎn)陣顯示屏，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇LED燈顯示、數(shù)碼管顯示和液晶顯示模塊做為本設(shè)計(jì)的顯示模塊。

2.3.1 LED燈顯示模塊

LED燈顯示模塊在內(nèi)部就是一個(gè)發(fā)光二極管指示燈，當(dāng)電源接通，發(fā)光二極管正向?qū)〞?huì)發(fā)光，否則會(huì)熄滅。根據(jù)本設(shè)計(jì)任務(wù)要求需要選用4個(gè)LED燈分別作為電源指示燈、加熱指示燈、進(jìn)水指示燈和報(bào)警指示燈。提示當(dāng)初始狀態(tài)時(shí)電源指示燈亮，其余指示燈都是不亮的。當(dāng)系統(tǒng)開始加熱水溫時(shí)對(duì)應(yīng)的加熱指示燈是亮的。當(dāng)系統(tǒng)開始進(jìn)水時(shí)對(duì)應(yīng)的進(jìn)水指示燈是亮的。當(dāng)任何情況下，若爐內(nèi)水量低于50L，報(bào)警指示燈以0.5s的間隔閃爍報(bào)警，此時(shí)用戶不能用水，代表用戶水表的按鍵失效。若爐內(nèi)水量高于900L。報(bào)警指示燈以0.2s的間隔閃爍報(bào)警。若進(jìn)燃料時(shí)燃料區(qū)無燃料，則報(bào)警以0.5s的間隔閃爍報(bào)警，有燃料時(shí)自動(dòng)停止報(bào)警。

2.3.2 液晶顯示模塊

液晶顯示不僅可以顯示數(shù)字，還可以顯示圖形和漢字，所以在便攜式儀表、消費(fèi)類產(chǎn)品、娛樂器材等多種裝置上都可以看到它的應(yīng)用。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求選用128*64液晶顯示屏作為本次設(shè)計(jì)各水表用水量的顯示。用水量單位是升，顯示四位。而且要求所有的字體必須使用12*16宋體顯示，標(biāo)點(diǎn)符號(hào)和數(shù)字符號(hào)均使用全角字符。

2.3.3 數(shù)碼管顯示模塊

數(shù)碼管顯示模塊是8位LED七段數(shù)碼管，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，LED七段數(shù)碼管的顯示方式有兩種：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。靜態(tài)顯示常用于顯示位數(shù)不多的情況，所謂動(dòng)態(tài)，就是利用循環(huán)掃描的方式，分時(shí)輪流選通各顯示器的公共端，使各個(gè)顯示器輪流導(dǎo)通。根據(jù)本設(shè)計(jì)任務(wù)要求需要使用8位數(shù)碼管從左到右分別來顯示加熱爐內(nèi)的實(shí)際水量3位（單位是升）、第四位數(shù)碼管一直顯示L、溫度傳感器監(jiān)測(cè)到的當(dāng)前室溫（單位是℃）兩位、最后兩位數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的是預(yù)加熱到水溫度值（單位是℃，初始值是20，即20℃）。所以選用動(dòng)態(tài)顯示，并且爐內(nèi)水量的檢測(cè)刷新速度應(yīng)不低于0.5S。實(shí)際上是使用了7位數(shù)碼管來完成本次設(shè)計(jì)的顯示任務(wù)。基于YL-236型單片機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置使用的數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示是共陽極數(shù)碼管，所以編程時(shí)要注意定義共陽極字形編碼表然后送至改位顯示的字段。8位的數(shù)碼管通過74LS377鎖存器芯片和單片機(jī)的接口電路進(jìn)行連接。

2.4 指令模塊

使用指令模塊中的獨(dú)立按鍵作為對(duì)應(yīng)所使用的7位數(shù)碼管顯示的操作按鍵。7個(gè)按鍵從左到右分別對(duì)應(yīng)“開始”“停止”、“暫停/繼續(xù)”、“確認(rèn)”、“水量/水費(fèi)”、設(shè)置溫度“+”、 設(shè)置溫度“-”。 在滿足20℃≤預(yù)設(shè)熱水溫度值≤50℃的條件下，按下“開始”按鍵，系統(tǒng)進(jìn)入下面的水加熱過程。根據(jù)數(shù)碼管顯示的爐內(nèi)實(shí)時(shí)水量，系統(tǒng)進(jìn)入進(jìn)水作業(yè)工作流程。當(dāng)爐內(nèi)水量為200L時(shí)按下“確認(rèn)”按鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入投放燃料狀態(tài)。當(dāng)按下“水量/水費(fèi)”按鍵，則由用水量顯示界面轉(zhuǎn)換到水費(fèi)顯示界面。其中，假設(shè)熱水的價(jià)格為每升0.05元，則應(yīng)把實(shí)際用水量轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的用水費(fèi)用金額。使用“+”或“—”鍵來調(diào)節(jié)所要加熱熱水的溫度值，每按一次“+”或“—”鍵，數(shù)碼管顯示的預(yù)設(shè)熱水溫度值加2℃或減1℃。當(dāng)設(shè)定的水溫值達(dá)到50℃后再按“+”鍵，“+”鍵就沒有反應(yīng)，然后按“—”達(dá)到規(guī)定的預(yù)設(shè)溫度值；若設(shè)定的水溫值達(dá)到20℃后再按“—”鍵，“—”鍵就沒有反應(yīng)，設(shè)定的水溫值仍為20℃。如果水溫不在這一范圍內(nèi)，系統(tǒng)就不能進(jìn)行下一步工作。

2.5 物料搬運(yùn)模塊

物料搬運(yùn)模塊的基本組成：智能物料搬運(yùn)機(jī)構(gòu)支架、雙軸直線搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)構(gòu)和接供料機(jī)構(gòu)。在單片機(jī)控制的下使用機(jī)械手把燃料運(yùn)到燃燒爐加熱爐內(nèi)的水。使用YL-G001型智能物料搬運(yùn)裝置可以模擬燃料搬運(yùn)過程，燃料有3種類型：高燃燒值的、中燃燒值的和低燃燒值的。一包燃料可以使50升水溫度分別升高36℃、16℃、4℃。在該模塊中分別使用黑球、黃球和白球來代表這三種燃料。根據(jù)加熱的數(shù)量和溫度可以自由組合使用球的顏色和數(shù)量。機(jī)械手每搬運(yùn)走一個(gè)球在相同的工位會(huì)自動(dòng)補(bǔ)充相同燃料的球進(jìn)來。最好的設(shè)計(jì)方案就要使機(jī)械手搬運(yùn)小球的次數(shù)最少。特別提醒的是機(jī)械手的輸出信號(hào)，必須經(jīng)過傳感器配接模塊轉(zhuǎn)換在輸入到單片機(jī)中，同時(shí)單片機(jī)的控制信號(hào)，也必須經(jīng)過繼電器模塊轉(zhuǎn)換在接入機(jī)械手。

2.6 8255拓展模塊

8255是Intel公司生產(chǎn)的可編輯并行I/O口接口芯片。它的特點(diǎn)是I/O口多、工程強(qiáng)，與單片機(jī)配置，接口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，具有直接置位/復(fù)位能力，易于控制應(yīng)用接口，提高了直流驅(qū)動(dòng)能力。為了滿足本設(shè)計(jì)中單片機(jī)端口的需要，因此選用8255可編程外圍并行接口進(jìn)行拓展。

2.7 物料傳送模塊

物料傳送模塊就是步進(jìn)電機(jī)模塊，步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件是機(jī)電一體化控制技術(shù)的關(guān)鍵部件之一，應(yīng)用非常廣泛。本設(shè)計(jì)就是選用步進(jìn)電機(jī)來模擬指針式溫度計(jì)，指示爐內(nèi)的實(shí)時(shí)水溫值。步進(jìn)電機(jī)沒走1mm代表溫度變化0.5℃。如果步進(jìn)電機(jī)指針指示在40mm處，這時(shí)表示爐內(nèi)水溫為20℃。

2.8 繼電器模塊

繼電器的工作是通過單片機(jī)的I/O口輸出高低電平到輸入端KA6來實(shí)現(xiàn)的。輸出低電平，繼電器得電，否則，相反。在本設(shè)計(jì)里繼電器主要來控制機(jī)械手上下左右夾放動(dòng)作。

2.9 溫度檢測(cè)模塊

Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器?？捎糜诂F(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，以數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。本設(shè)計(jì)選用的溫度傳感器主要用于檢測(cè)當(dāng)前的室溫值（℃）。

2.10 傳感器配接模塊

機(jī)械手的傳感器是24V單片機(jī)，不能直接連接到單片機(jī)上，要用傳感器配接模塊轉(zhuǎn)換成5V。

2.11 A/D轉(zhuǎn)換模塊

單片機(jī)廣泛用于實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理。未處理器所加工和處理的信息是數(shù)字量，而被測(cè)或被控對(duì)象的有關(guān)參量往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、電壓、電流等。因此必須將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。在本設(shè)計(jì)中選用實(shí)訓(xùn)裝置中的ADC/DAC模塊上的電壓源的電壓來模擬水量檢測(cè)傳感器的檢測(cè)輸出電壓值。使用時(shí)手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)壓電位器得到某一輸出的電壓值，模擬水量檢測(cè)傳感器在該水量時(shí)的輸出電壓。

3 單片機(jī)控制的熱水供應(yīng)系統(tǒng)的軟件分析

根據(jù)單片機(jī)控制的熱水供應(yīng)系統(tǒng)連接實(shí)訓(xùn)裝置模塊，并接好系統(tǒng)電源。然后啟動(dòng)單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境，建立新工程，將編寫的程序?qū)氲焦こ讨校O(shè)置好工程的編譯參數(shù)，編譯得到hex格式的目標(biāo)文件。編譯完成后，連接仿真器，把程序下載進(jìn)去。測(cè)試并調(diào)試完成單片機(jī)控制的熱水供應(yīng)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和要求。

4 結(jié)語

本文根據(jù)單片機(jī)控制的熱水供應(yīng)系統(tǒng)的功能和要求分析，基于YL-236型單片機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置進(jìn)行了該系統(tǒng)所需要的硬件和軟件的分析和設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的功能要求。

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