摘 要： 提出了一種新興的供暖技術(shù)——儲(chǔ)熱式電暖器。這種裝置能將夜間低價(jià)電能轉(zhuǎn)換成熱能并存儲(chǔ)在儲(chǔ)熱磚中,，非低價(jià)電時(shí)再釋放出來(lái),。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(cè)溫元件，以LCD12864與DS1302構(gòu)成顯示電路,，實(shí)現(xiàn)了時(shí)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(jià)電時(shí)對(duì)電熱管加熱若干小時(shí)（不同月份加熱時(shí)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(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng),，具有一定的市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值,。
關(guān)鍵詞： 儲(chǔ)熱；溫度采集,；單片機(jī),；時(shí)鐘芯片；溫度控制
長(zhǎng)久以來(lái),，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(diǎn)：(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(fèi)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(chǎng)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(wèn)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(guó)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(jià)的指導(dǎo)意見(jiàn)的通知》[1],，電價(jià)按“峰,、谷”段（或者“峰、平,、谷”段）區(qū)分收費(fèi)勢(shì)在必行,。在這樣的大形勢(shì)下，儲(chǔ)熱式電暖器應(yīng)運(yùn)而生。本設(shè)計(jì)利用用電“谷”期電力公司提供的低價(jià)電,，以裝入儲(chǔ)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(chǔ)存在磚體中保存,。到了用電非“谷”期再將熱能釋放出來(lái),，為房間供暖，此時(shí)將不再消耗電能,。儲(chǔ)熱磚是一種具有良好熱導(dǎo)性能的相變儲(chǔ)熱材料[2],，它能在電熱管加熱時(shí)積聚大量的熱量，也能在電熱管停止加熱時(shí)釋放出大量的熱量,。該種材料無(wú)毒,、無(wú)味、不腐蝕,、不污染環(huán)境,。與傳統(tǒng)采暖方式相比，本設(shè)計(jì)具有不占室內(nèi)空間（可將儲(chǔ)熱磚嵌入墻內(nèi)）,、能源清潔無(wú)污染,、節(jié)約資源、無(wú)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(diǎn)；且分戶供暖,，設(shè)計(jì)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(wú)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(dòng)電路組成,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
溫度采集電路實(shí)時(shí)檢測(cè)電熱管和室內(nèi)溫度，經(jīng)過(guò)放大,、模數(shù)轉(zhuǎn)換后將信號(hào)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(dòng)信號(hào)，配合固體繼電器對(duì)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(shí)鐘芯片構(gòu)成,，可實(shí)現(xiàn)當(dāng)前時(shí)間和室內(nèi)溫度的顯示,，運(yùn)用時(shí)鐘芯片“看門狗”功能可以為電熱管設(shè)置加熱時(shí)間。此外,，考慮到人性化因素,，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了控制電路。
2 硬件設(shè)計(jì)
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(jì)目的[3-4],。
2.1 溫度采集電路
系統(tǒng)需要對(duì)室內(nèi)溫度和電熱管溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。為了確保溫度采集準(zhǔn)確無(wú)誤差,，對(duì)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(duì)這一范圍內(nèi)的溫度采集使用K型(鎳鉻—鎳硅)熱電偶測(cè)溫法,。其主要優(yōu)點(diǎn)有：構(gòu)造簡(jiǎn)單,、使用方便；敏感性強(qiáng),、測(cè)量精度高,；測(cè)量范圍寬(-200 ℃～1 300 ℃)等。測(cè)溫電路如圖2所示,。
其測(cè)溫原理是通過(guò)測(cè)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(gè)端點(diǎn)1、2(兩個(gè)端點(diǎn)溫度分別為T,、T0)之間的溫差電勢(shì)而得到兩個(gè)端點(diǎn)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(shì)為：
設(shè)計(jì)將端點(diǎn)1置于電熱管內(nèi)部,，對(duì)UO進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送到單片機(jī)端口,，經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)算后即可得到電熱管實(shí)時(shí)溫度。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路這里就不詳述了,。
對(duì)室內(nèi)溫度的檢測(cè)運(yùn)用型號(hào)為DS18B20的溫度傳感器,，該傳感器性能優(yōu)越穩(wěn)定，且測(cè)溫精度高,。
2.2 顯示電路
顯示電路由時(shí)鐘芯片DS1302[5],、顯示屏LCD12864和溫度傳感器DS18B20組成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)溫度和時(shí)間的顯示,。各芯片與單片機(jī)的接口如圖4所示,。
DS18B20是美國(guó)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(jiǎn)單,，不需要外接電路, 可將被測(cè)溫度直接轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)輸出,，無(wú)需信號(hào)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。測(cè)溫范圍在-55 ℃～
+125 ℃,，符合設(shè)計(jì)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(guó)DALLAS公司推出的一款高性能,、低功耗的時(shí)鐘芯片,，內(nèi)置12個(gè)寄存器，可分別對(duì)年,、月,、日、時(shí),、分,、秒、星期進(jìn)行計(jì)時(shí),，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(shí)間,，產(chǎn)生任意長(zhǎng)度的定時(shí)輸出,，由此可按月份設(shè)置不同的加熱時(shí)間。LCD12864液晶顯示屏內(nèi)置8 192個(gè)16×16點(diǎn)漢字和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集,，可顯示8×4行16×16點(diǎn)陣漢字,。設(shè)計(jì)顯示格式如圖5所示。
2.3 驅(qū)動(dòng)電路
對(duì)電熱管加熱采用直流固體繼電器（SSR）驅(qū)動(dòng),，固態(tài)繼電器是一種觸點(diǎn)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(guò)零觸發(fā),、抗干擾強(qiáng),、易于與單片機(jī)接口的特點(diǎn)。電路如圖6所示,。
當(dāng)固態(tài)繼電器SSR的“-”端為低電平時(shí),，SSR控制導(dǎo)通。即驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí),，將實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kāi)/關(guān)”鍵對(duì)系統(tǒng)工作實(shí)行總控,，只有當(dāng)此鍵為“開(kāi)”時(shí)加熱系統(tǒng)才能工作,，這樣可以避免用戶長(zhǎng)時(shí)間外出時(shí)造成資源浪費(fèi)；“加熱”鍵可以使用戶根據(jù)自己的需求在非低谷電價(jià)時(shí)選擇對(duì)電熱管充電,，確保用戶需求,。
3 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)部分利用單片機(jī)自身成熟的開(kāi)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(shí)際問(wèn)題的知識(shí),，利用C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì),，整個(gè)程序可分為主程序和子程序。
軟件設(shè)計(jì)思路：(1)保證每天在“谷”價(jià)電時(shí)自動(dòng)對(duì)電熱管加熱若干小時(shí)（對(duì)應(yīng)不同月份的冷暖程度應(yīng)設(shè)置不同的加熱時(shí)間段）,；(2)電熱管溫度不能超過(guò)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(shí)段溫度上下限為16 ℃～24 ℃,，非“谷”電時(shí)段亦須設(shè)置溫度限制,，在溫度小于12 ℃時(shí)應(yīng)立即對(duì)電熱管加熱，待溫度上升至16 ℃時(shí)停止加熱,；(4)設(shè)置用戶控制功能,，預(yù)設(shè)“開(kāi)/關(guān)”、“加熱”按鍵,，這里簡(jiǎn)稱為KEY1,、KEY2，但加熱時(shí)要以保護(hù)電熱管為前提,。
3.1 總體設(shè)計(jì)
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(shí)鐘信息和室內(nèi)溫度信息,。當(dāng)用戶“開(kāi)/關(guān)”為“開(kāi)”時(shí),，讀取當(dāng)前月份信息和加熱時(shí)間段。然后判斷當(dāng)前時(shí)間是否在“谷”價(jià)加熱時(shí)段,，這里分兩種情況：(1)當(dāng)前時(shí)段為“谷”價(jià)加熱時(shí)段,，此時(shí)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(duì)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(shí)段為非“谷”價(jià)加熱時(shí)段時(shí)需判定“加熱”按鍵的開(kāi)關(guān)狀態(tài),。若為“開(kāi)”,，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(shí)停止加熱；若為“關(guān)”,，則應(yīng)在溫度小于12 ℃時(shí)自動(dòng)加熱,，溫度上升至16 ℃時(shí)停止加熱。這是一個(gè)循環(huán)反復(fù)的過(guò)程,，整個(gè)系統(tǒng)時(shí)刻處在是否對(duì)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(jì)目的,。
3.2 關(guān)于農(nóng)歷的顯示
本系統(tǒng)采用的DS1302時(shí)鐘芯片本不具有存儲(chǔ)農(nóng)歷信息功能,，而農(nóng)歷顯示的實(shí)現(xiàn)是由公歷信息轉(zhuǎn)換而得來(lái)[6]。具體方法是在程序中利用查表法,，對(duì)照公歷信息查找農(nóng)歷信息,，程序設(shè)計(jì)中查找100年農(nóng)歷信息只需300 B空間。
在我國(guó)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(wèn)津”的現(xiàn)象普遍存在,。為了鼓勵(lì)廣大群眾更多地利用低谷期電能,，全國(guó)多數(shù)大中城市都在低谷電時(shí)期實(shí)行電價(jià)優(yōu)惠。
本文設(shè)計(jì)的儲(chǔ)熱式電暖器裝置充分考慮這一有利政策,，運(yùn)用低電價(jià)對(duì)電熱管進(jìn)行加熱,，裝置將熱能存儲(chǔ)在儲(chǔ)熱磚中。在保證一天24小時(shí)都有供暖的情況下大大地節(jié)省了電費(fèi),。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(fèi),。
儲(chǔ)熱式電暖器的控制系統(tǒng)利用單片機(jī)及其外圍電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)電熱管加熱的驅(qū)動(dòng),，并可根據(jù)具體條件判定加熱狀態(tài)。在實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘和溫度顯示的同時(shí),，針對(duì)電熱管設(shè)置了保護(hù)溫度,。用戶控制功能使設(shè)計(jì)更顯人性化。軟硬件設(shè)計(jì)合理,，經(jīng)檢驗(yàn)性能穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的效果,。
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