太阳能热水器温度采集和温差循环控制系统的设计

1、【Word版本下载可任意编辑】 太阳能热水器温度采集和温差循环控制系统的设计 太阳能热水器以其安全、经济、适用、无污染等特点逐渐被城乡居民所承受，而其温度采集系统又是设计的关键。常用的温度传感器包括：热电偶、热敏电阻、集成式温度传感器，热电阻等。由于铂电阻在氧化介质和高温下的物理化学性能极其稳定，而且太阳能热水器置于室外，工作环境恶劣，所以本设计采用铂电阻作为太阳能热水器的温度传感器。 系统工作原理 由于太阳能热水器的工作环境限制，将下位机（PIC16F877）置于集热现场，主要实现温度采集功能，温差循环控制功能，即控制循环泵、上水阀、辅助电加热器、伴热带的启停，并与上位机（PIC16F877

2、）开展485通信，将采集的温度水位信息送到上位机去显示。 系统的整体框图如图1所示。 基于太阳能热水器温度采集和温差循环控制系统的设计 硬件电路设计 温度采集处理电路的主要功能是将铂电阻传感器采集的温度信号，经桥式信号检测电路转换为电压信号，再经弱信号仪表放大器MCP602开展两级放大，及非线性AD转换，转换成能够识别的数字量，暂存在单片机的存储器中。 .1 温度采集电路设计 温度采集电路是将单片机的RA2、RA3、RA4连接多路选择芯片CD4051的地址位A、B、C端口，由单片机设定采集哪一路温度信息，将RA0设定为模拟通道。 .2 放大倍数的计算 本设计放大电路选用MCP602作为放大器，

3、由其构成的放大电路图如图2所示。其中：VREF=0 V，R1=300 k，R2=10 k，这是一个简单的2级放大电路，通过调节可变电阻RG可以改变其放大倍数，便于以后的调试。两级放大后的输出电压VOUT： 通过电桥电路采集来的信号比较微弱，需要开展适当的放大，才能转换成单片机所能识别的0 V到5 V的信号。为此，要合理地设定可变电阻RG的值来选择合适的放大倍数。选择过程如下： 当RG=20 k，放大倍数约为61倍。在温度T=99时，PT1000的阻值为R=1381.26，则得到VOUT=2.806 V。尽管VOUT在界限05 V之内，但灵敏度较小，故将RG调整到10 k。 当RG=10 k，放

4、大倍数为91倍。在温度T=99时，PT1000的阻值为R=1381.26时：VOUT=4.186 V。此时，在099温度范围内电桥的输出是04.186 V，VOUT在05 V范围内，符合设计要求。因此设计中选择尺RG=10 k，放大倍数为91倍。 .3 温度测量中的误差分析及解决方法 当用铂电阻传感器开展温度测量时，存在一定的误差。它的误差主要有4个：铂电阻自身的非线性；铂电阻电桥输出的非线性；铂电阻的引线电阻；测温电路本身带来的影响。 ）铂电阻的非线性 对于铂电阻PT1000，在0650温度范围内其阻值与温度的关系为： 此时，铂电阻阻值与温度是线性关系。在100时，若只记线性值Rt*=1 3

5、90.8 ，而R1=1 385.0， 误差为5.8，相对误差为4.2，回代到式（2）中，温度误差超过1.4。显然铂电阻的非线性给测量带来了误差。 ）铂电阻电桥输出的非线性 ）铂电阻的引线电阻 因为测温电路是不平衡电桥。铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从铂电阻到控制单元）也作为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。但由于铂电阻PT1000的阻值较大，所以这个因素可以忽略。 ）测温电路本身的影响 由于电源电压的抖动、外界于扰，AD通道的互相干扰等都会造成温度测量的不确定性，因此必须通过合理的电路设计才能消除这些因素的影响。 考虑到铂电阻阻值和温度的非线性以

6、及电桥电路本身的非线性，本文提出两种方案，下面分别加以介绍。 方案1：查表法 由铂电阻的电阻-温度分度表查出每一度对应的电阻值Ri，带入式（3）中可以得到电桥对应的输出电压U（i），再根据式（4）就可以得到对应的AD转换值AD（i）。 式中，K为MCP602的放大倍数。本文选择91。UREF为单片机内部AD转换的参考电压，等于5 V。 将计算得到的AD转换值是按照温度大小做成表格存放在单片机的存储器中。当测量温度时，先读取AD转换值，然后采用对分查找的算法用单片机的AD转换结果AD（t）与EEPROM中存放的表格值AD（i）作比较，每次取表格的中间值AD（m），如果AD（t）AD（m），则下次

7、比较时取表格的后半部的中间值做比较，如果AD（t）AD（m），则下次比较时取表格的前半部的中间值做比较，直到AD（n）AD（t）AD（n+1）时停止，得到了温度的整数部分M（t）=n。接着采用线性插值法计算温度的小数部分，由AD（t）-N（t）除以AD（n+1）-AD（n）的值得到小数部分。由于本设计对温度要求不高，因此不用计算小数部分，可以将此方法用于其他应用领域中。 方案2： 二乘法 由于铂电阻阻值和温度的非线性以及电桥电路本身的非线性，使得温度和电桥输出电压之间的关系变得很复杂，而且也没有一个相应的函数来描述它们之间的关系，下面就介绍 二乘法，利用 二乘参数估计理论来建立温度传感器的数学

8、模型。 对太阳能热水器的水箱温度在标定点开展温度实测（可用标准电阻箱或电位器来模拟铂电阻在各个标定点实测），得到几组数据，即（V1，T1），（Vi，Ti），（Vn，Tn）。其中输入量为电桥输出电压Vi，输出量为温度Ti。 设有一个m次多项式： 求解采用计算机递推法求解，先设m=1，将测量值带入矩阵公式中计算A。逐点计算误差i=Ti-T（Vi），看是否超差，如果超差则升阶，令m=2，重新计算A，直到不超差为止，此时多项式模型即为传感器数学模型。 此方法的优点是能够实现所建立的数学模型整体优化，适合非线性较大的传感器模型的建立。但应用于本文时需要拟合出高阶的数学模型，其运算量较大。另外，在以主频为

9、4MHz的单片机上做运算，其速度较慢（多次加、乘运算），所以本文采用方案1。 系统软件实现 温度采集处理的软件流程如图5所示，其中包括了启动温度电路、存放器的配置、转换数据读出、查找得温度等部分。首先开展AD初始化设置，将点电源电压VCC作为比较电压，同时设定RA0作为模拟输入通道，开启入水口温度采样通道之后，启动AD转换。当AD转换允许位GODONE=1时，将得到的采样值送入到折半查找程序中，得出其温度的整数部分M（t），从而求出温度t的数值。计算完毕后返回。 实验结果与讨论 使用标准电阻箱模拟铂电阻温度传感器，每一个电阻值对应着一个温度，构成测温电桥的桥臂，得到差动电压，通过万用表测量。经过MCP602放大后，送入单片机开展AD转换。由于单片机内部的AD转换是十位的，因此分别存储在存放器ADRSEH和ADRSEL中，再通过对分查表法，将对应的温度值事先在触摸屏上显示出来。采集的温度和实际的