摘 要: 提出了一種新興的供暖技術(shù)——儲熱式電暖器,。這種裝置能將夜間低價電能轉(zhuǎn)換成熱能并存儲在儲熱磚中,,非低價電時再釋放出來,。裝置控制系統(tǒng)以AT89C51為核心元件,采用DS18B20與K型熱電偶作為測溫元件,,以LCD12864與DS1302構(gòu)成顯示電路,,實現(xiàn)了時鐘、溫度顯示,、用戶控制,、電熱管溫度控制、室內(nèi)溫度控制等功能,。每天低價電時對電熱管加熱若干小時(不同月份加熱時間不一),,保證室內(nèi)恒溫舒適,不干燥,。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定,、成本低廉、操作簡單,、實用性強(qiáng),,具有一定的市場前景和經(jīng)濟(jì)價值。
關(guān)鍵詞: 儲熱,;溫度采集,;單片機(jī);時鐘芯片,;溫度控制
長久以來,,北方許多城市一直采用傳統(tǒng)的集中供暖方式。這種傳統(tǒng)的供熱方式主要有以下缺點:(1)政府基礎(chǔ)設(shè)施投入巨大,;(2)不可再生資源消耗多且浪費嚴(yán)重,;(3)供暖舒適穩(wěn)定性有待加強(qiáng);(4)不具有用戶操作性,。近幾年市場上出現(xiàn)了諸多分戶供暖的方式,,在一定程度上解決了用戶不能控制室內(nèi)溫度的問題,且更加舒適,。但這些方式投入成本較大,,不利于大規(guī)模推廣。
此外,,國家發(fā)改委于2011年發(fā)布了《關(guān)于居民生活用電試行階梯電價的指導(dǎo)意見的通知》[1],,電價按“峰、谷”段(或者“峰,、平,、谷”段)區(qū)分收費勢在必行,。在這樣的大形勢下,儲熱式電暖器應(yīng)運(yùn)而生,。本設(shè)計利用用電“谷”期電力公司提供的低價電,,以裝入儲熱磚的電熱管為加熱元件,在夜間將電能轉(zhuǎn)化為熱能,,并儲存在磚體中保存,。到了用電非“谷”期再將熱能釋放出來,為房間供暖,,此時將不再消耗電能,。儲熱磚是一種具有良好熱導(dǎo)性能的相變儲熱材料[2],它能在電熱管加熱時積聚大量的熱量,,也能在電熱管停止加熱時釋放出大量的熱量,。該種材料無毒、無味,、不腐蝕,、不污染環(huán)境。與傳統(tǒng)采暖方式相比,,本設(shè)計具有不占室內(nèi)空間(可將儲熱磚嵌入墻內(nèi)),、能源清潔無污染、節(jié)約資源,、無鍋爐和熱源網(wǎng)等附屬設(shè)備,,節(jié)省基礎(chǔ)設(shè)施投資等優(yōu)點;且分戶供暖,,設(shè)計人性化,,適合普通家庭使用;可以解決北方現(xiàn)有集中供暖的諸多詬病,,也可以在很大程度上使南方城市擺脫冬季無固定采暖方式的窘境,。
1 基本原理
本系統(tǒng)由單片機(jī)、溫度采集電路,、顯示電路,、控制電路、驅(qū)動電路組成,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
溫度采集電路實時檢測電熱管和室內(nèi)溫度,經(jīng)過放大,、模數(shù)轉(zhuǎn)換后將信號傳送給單片機(jī),。經(jīng)由單片機(jī)內(nèi)部軟件程序處理生成驅(qū)動信號,配合固體繼電器對電熱管的加熱進(jìn)行控制,,以達(dá)到室內(nèi)溫度舒適(8 ℃~20 ℃之間),、保護(hù)電熱管(溫度不大于800 ℃)的目的,。顯示電路由單片機(jī)及外圍LCD顯示屏、時鐘芯片構(gòu)成,,可實現(xiàn)當(dāng)前時間和室內(nèi)溫度的顯示,,運(yùn)用時鐘芯片“看門狗”功能可以為電熱管設(shè)置加熱時間。此外,,考慮到人性化因素,,系統(tǒng)還設(shè)計了控制電路,。
2 硬件設(shè)計
本系統(tǒng)以AT89C51為核心器件,,外圍配置DS18B20、DS1302,、LCD12864為基本器件,,所選器件可以達(dá)到設(shè)計目的[3-4]。
2.1 溫度采集電路
系統(tǒng)需要對室內(nèi)溫度和電熱管溫度進(jìn)行實時采集,。為了確保溫度采集準(zhǔn)確無誤差,,對不同目標(biāo)采用不同采集方法。
電熱管的保護(hù)溫度是800 ℃,,對這一范圍內(nèi)的溫度采集使用K型(鎳鉻—鎳硅)熱電偶測溫法,。其主要優(yōu)點有:構(gòu)造簡單、使用方便,;敏感性強(qiáng),、測量精度高;測量范圍寬(-200 ℃~1 300 ℃)等,。測溫電路如圖2所示,。
其測溫原理是通過測量由不同導(dǎo)體(鎳鉻、鎳硅)組成的閉合回路中置于不同溫度環(huán)境的兩個端點1,、2(兩個端點溫度分別為T,、T0)之間的溫差電勢而得到兩個端點的溫差(如圖3所示)。已知K型熱電偶電壓變化率為41 μV/℃,,熱電偶輸出電勢為:
設(shè)計將端點1置于電熱管內(nèi)部,,對UO進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送到單片機(jī)端口,經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)算后即可得到電熱管實時溫度,。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路這里就不詳述了,。
對室內(nèi)溫度的檢測運(yùn)用型號為DS18B20的溫度傳感器,該傳感器性能優(yōu)越穩(wěn)定,,且測溫精度高,。
2.2 顯示電路
顯示電路由時鐘芯片DS1302[5]、顯示屏LCD12864和溫度傳感器DS18B20組成,,實現(xiàn)了對室內(nèi)溫度和時間的顯示,。各芯片與單片機(jī)的接口如圖4所示,。
DS18B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字式溫度傳感器,該器件體積小,、結(jié)構(gòu)簡單,,不需要外接電路, 可將被測溫度直接轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識別的數(shù)字信號輸出,無需信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換,。測溫范圍在-55 ℃~
+125 ℃,,符合設(shè)計條件,在單片機(jī)的配合下可以顯示當(dāng)前溫度,。DS1302是由美國DALLAS公司推出的一款高性能,、低功耗的時鐘芯片,內(nèi)置12個寄存器,,可分別對年,、月、日,、時,、分、秒,、星期進(jìn)行計時,,內(nèi)含看門狗,且具有閏年補(bǔ)償功能,,在單片機(jī)的配合下能夠顯示當(dāng)前時間,,產(chǎn)生任意長度的定時輸出,由此可按月份設(shè)置不同的加熱時間,。LCD12864液晶顯示屏內(nèi)置8 192個16×16點漢字和128個16×8點ASCII字符集,,可顯示8×4行16×16點陣漢字。設(shè)計顯示格式如圖5所示,。
2.3 驅(qū)動電路
對電熱管加熱采用直流固體繼電器(SSR)驅(qū)動,,固態(tài)繼電器是一種觸點電子繼電器,與傳統(tǒng)的機(jī)械繼電器相比,,具有外接元器件少,、控制電壓低、過零觸發(fā),、抗干擾強(qiáng),、易于與單片機(jī)接口的特點。電路如圖6所示,。
當(dāng)固態(tài)繼電器SSR的“-”端為低電平時,,SSR控制導(dǎo)通。即驅(qū)動信號為高電平時,將實現(xiàn)對電熱管的加熱,。
此外,,出于人性化考慮,系統(tǒng)設(shè)置了用戶功能按鍵:“開/關(guān)”鍵對系統(tǒng)工作實行總控,,只有當(dāng)此鍵為“開”時加熱系統(tǒng)才能工作,,這樣可以避免用戶長時間外出時造成資源浪費;“加熱”鍵可以使用戶根據(jù)自己的需求在非低谷電價時選擇對電熱管充電,,確保用戶需求,。
3 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計部分利用單片機(jī)自身成熟的開發(fā)工具和充足的硬件資源,結(jié)合認(rèn)知心理學(xué)解決實際問題的知識,,利用C語言進(jìn)行設(shè)計,,整個程序可分為主程序和子程序。
軟件設(shè)計思路:(1)保證每天在“谷”價電時自動對電熱管加熱若干小時(對應(yīng)不同月份的冷暖程度應(yīng)設(shè)置不同的加熱時間段),;(2)電熱管溫度不能超過800 ℃,;(3)為了保證室內(nèi)恒溫,且處于舒適溫度范圍(通常在8 ℃~20 ℃,,但夜間溫度可以偏高一些),因此,,“谷”電加熱時段溫度上下限為16 ℃~24 ℃,,非“谷”電時段亦須設(shè)置溫度限制,在溫度小于12 ℃時應(yīng)立即對電熱管加熱,,待溫度上升至16 ℃時停止加熱,;(4)設(shè)置用戶控制功能,預(yù)設(shè)“開/關(guān)”,、“加熱”按鍵,,這里簡稱為KEY1、KEY2,,但加熱時要以保護(hù)電熱管為前提,。
3.1 總體設(shè)計
總體程序流程圖如圖7所示。
當(dāng)微機(jī)上電和初始化之后,,讀取并顯示時鐘信息和室內(nèi)溫度信息,。當(dāng)用戶“開/關(guān)”為“開”時,讀取當(dāng)前月份信息和加熱時間段,。然后判斷當(dāng)前時間是否在“谷”價加熱時段,,這里分兩種情況:(1)當(dāng)前時段為“谷”價加熱時段,此時只要再滿足電熱管溫度小于800 ℃且室內(nèi)溫度不高于24 ℃,,就需要對電熱管進(jìn)行加熱,。而一旦電熱管溫度高于800 ℃或室內(nèi)溫度高于24 ℃則將立即停止加熱,直到溫度降到16 ℃再加熱;(2)當(dāng)前時段為非“谷”價加熱時段時需判定“加熱”按鍵的開關(guān)狀態(tài),。若為“開”,,則應(yīng)按用戶需求進(jìn)行加熱,但是當(dāng)電熱管溫度大于800 ℃時停止加熱,;若為“關(guān)”,,則應(yīng)在溫度小于12 ℃時自動加熱,溫度上升至16 ℃時停止加熱,。這是一個循環(huán)反復(fù)的過程,,整個系統(tǒng)時刻處在是否對電熱管加熱的判斷之中。根據(jù)具體情況改變電熱管的加熱狀態(tài),,達(dá)到了設(shè)計目的,。
3.2 關(guān)于農(nóng)歷的顯示
本系統(tǒng)采用的DS1302時鐘芯片本不具有存儲農(nóng)歷信息功能,而農(nóng)歷顯示的實現(xiàn)是由公歷信息轉(zhuǎn)換而得來[6],。具體方法是在程序中利用查表法,,對照公歷信息查找農(nóng)歷信息,程序設(shè)計中查找100年農(nóng)歷信息只需300 B空間,。
在我國不少大中城市,,“高峰期用電緊張,負(fù)荷居高不下,,而低谷期富余卻鮮有人問津”的現(xiàn)象普遍存在,。為了鼓勵廣大群眾更多地利用低谷期電能,全國多數(shù)大中城市都在低谷電時期實行電價優(yōu)惠,。
本文設(shè)計的儲熱式電暖器裝置充分考慮這一有利政策,,運(yùn)用低電價對電熱管進(jìn)行加熱,裝置將熱能存儲在儲熱磚中,。在保證一天24小時都有供暖的情況下大大地節(jié)省了電費,。如能大規(guī)模推廣,將有效減少峰值區(qū)間和谷值區(qū)間負(fù)荷差值,,也將大大減少電能的浪費,。
儲熱式電暖器的控制系統(tǒng)利用單片機(jī)及其外圍電路實現(xiàn)了對電熱管加熱的驅(qū)動,并可根據(jù)具體條件判定加熱狀態(tài),。在實現(xiàn)時鐘和溫度顯示的同時,,針對電熱管設(shè)置了保護(hù)溫度。用戶控制功能使設(shè)計更顯人性化,。軟硬件設(shè)計合理,,經(jīng)檢驗性能穩(wěn)定,達(dá)到了預(yù)期的效果,。
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