電真空熱管熱水鍋爐控制器的研究

樸京海，樸相吉

（1 延邊大學工學院 吉林 延吉 133002； 2 延邊體育館，吉林 延吉 133002）

0 引言

隨著現代化城市的發展需要和人民生活水平的不斷提高，每年的家用電采暖設備市場需求量正呈增長態勢。但在別墅等獨立式建筑長期不住人，期間仍需要采暖，把室溫設定高值，利用鍋爐往復的工作使循環水源源不斷地散發出熱量。這種運行方式雖然能夠滿足采暖溫度的需要，但是會造成嚴重的資源浪費，運行中的耗電量也是一個不可忽視的問題，很高的耗電量會給鍋爐用戶帶來很大的經濟負擔，因此節能又引起了很多人的注意。根據現代人們的生活需要以及對能源的節省方面考慮，隨時隨地對鍋爐進行遠程控制，具有現實的意義[1]。

怎樣采取一切可行性高新技術措施，提高傳熱效率，隨時隨地對鍋爐進行控制，合理控制運行電費，是當前急需解決的技術難關和技術關鍵問題。本文針對上述問題設計出多功能熱水鍋爐控制器，用來進行各種節能控制和遠程控制。

1 控制器結構與工作原理

電真空熱管熱水鍋爐控制器由電話接口電路、語音提示電路、報警電路、鍋爐控制電路、溫度檢測電路、電流檢測電路、電機控制電路、電磁閥驅動電路、鍵盤輸入與顯示等組成。該控制器原理框圖如圖1所示。

圖1 電真空熱管熱水鍋爐控制器原理框圖

單片機AT89C51是整個控制器的核心，控制器所有電路都是在它的控制下工作。采用AT24C64與AT89C51連接，擴展了64K的外部存儲空間，存儲一些重要的數據信息，如控制器自動撥號報警時所需要的電話號碼，控制鍋爐時所需要的密碼以及設定的室內溫度值等數據。

為了滿足系統的接口數量的需要，擴展Intel公司生產的可編程并行輸入/輸出接口芯片8255；采用DALLAS半導體公司生產的智能溫度傳感器DS18B20作為溫度檢測元件；利用固態繼電器控制電真空熱管的啟、停；采用WBKI011D1交流電流有無檢測傳感器進行電流檢測；電話接口電路中，DTMF編解碼電路使用了MT8888芯片；系統時鐘采用具有內部供電功能的并行時鐘芯片DS12887，為顯示器提供有效的時間和日期；系統為了實現顯示漢字的功能，采用了MGLS12864作為液晶顯示模塊。

本系統采用ZCW系列電磁閥，單片機不能直接控制電磁閥，應該加個中間環節，即驅動電路，同時應注意電磁干擾。電磁閥由導通轉到截止時，電磁閥線圈會產生逆電趨勢變化，為了保護電磁閥，防止誤導通，在電磁閥的兩端并一個二極管[2]。

2 控制器硬件設計

2.1 溫度檢測電路與電真空熱管、電機控制電路

本系統采用了美國DALLAS半導體公司生產的數字溫度傳感器DS18B20作為檢測元件。

4只DS18B20直接并接在單總線上，所有DS18B20的VDD引腳都與地線相連，采用寄生電源供電方式。在寄生電源供電方式下，當總線信號為高電平時，DS18B20從總線上獲得能量并存儲在內部電容上；當總線信號為低電平時，由電容向DS18B20供電。當DS18B20進行溫度轉換或處于寫存儲器操作時，總線上必須有強力的上拉。本電路中采用一個MOSFET管把P1.2口直接拉到電源上，實現對DS18B20總線上的上拉。當接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換。

本系統以兩個電真空熱管為一個組進行供熱循環水溫度的控制。由于過零型固態繼電器內部以有光電耦合電路隔離輸入輸出電路，所以電路中不需另加隔離措施[3]。單片機的P3.0為控制信號輸出端。電真空熱管的工作電流在正常工作范圍內的條件下，需要啟動電真空熱管組時，P3.0輸出為低電平。輸入為低電平時，三極管Q18的集電極輸出為高電平，因此三極管Q13導通，固態繼電器的輸入端有輸入電壓，輸出端接通。需要停止電真空熱管組時，P3.0輸出為高電平。電機控制電路的工作原理與電真空熱管啟動電路的工作原理相同。AT89C51與GJ20-W型固態繼電器的接口電路如圖2所示。

王姐連忙向老婆擠了擠眼睛，說：老妹，你別沖動，還是出去和妹夫好好商量一下，我還有幾句話和段主任嘮。不用問，她是要把我支走。

圖2 AT89C51與GJ20-W型固態繼電器的接口電路

2.2 電真空熱管熱水鍋爐的遠程控制

本設計中使用了DTMF撥號方式，采用MT8888芯片來發送和接收DTMF信號。

AT89C51單片機P0口的低4位作為數據傳輸口與MT8888的數據總線D0～D3端口連接，用來完成數據的傳輸和控制命令的輸入，狀態的讀出。中斷模式下當發送或接收了有效的DTMF信號，CP端輸出低電平，利用這個原理可以控制音頻信號的收發[4]。AT89C51與MT8888的接口電路如圖3所示。

GS為增益選擇端，連接反饋電阻，調節運放增益，其輸入電壓增益AV=R17/R16=1。OSC1、OSC2為振蕩器輸入、輸出端，外接3.5796MHz晶振，負責產生全部16種標準雙音信號。

用戶話機的摘掛機狀態是通過對直流環路上電流的通斷來實現的。用戶掛機空閑時，直流環路斷開，饋電電流為0mA；反之，用戶摘機后，直流環路接通，饋電電流在20mA以上[5]。

圖3 AT89C51與MT8888的接口電路

當單片機在指定的時間內檢測到事先設定的7次振鈴次數后，單片機P3.5口輸出低電平，三極管Q6、Q7飽和，用三極管驅動繼電器K2，繼電器常開觸點閉合，電話網接入變壓器T1，相當于電話摘機。當P3.5口輸出高電平，三極管Q6、Q7截止，繼電器常開觸點斷開。二極管D4是繼流二極管，防止繼電器斷開時繼電器線圈反電勢擊穿三極管Q6。

2.3 語音提示電路

在單片機AT89C51與ISD1420的接口電路中，用單片機的數據總線與ISD1420的A0～A7地址線相連。通過A0～A7地址線不同的電平組合，可實現任意分段，用來調整錄音與放音的起始地址。本系統采用地址模式。A6、A7有一個是低電平，A0～A7輸入全解釋為地址位。地址位僅作為輸入端，在操作過程中不能輸出內部地址信息[6]。AT89C51與ISD1420的接口電路如圖4所示。

圖4 AT89C51與ISD1420的接口電路

SP+、SP-為音頻信號輸出端，可以驅動8～16Ω揚聲器。ISD1420輸出的音頻信號經音頻功率放大器LM386，由揚聲器輸出，實現放音操作。D1為錄音指示發光二極管，腳為錄音控制端。PA0口為低電平，LED指示二極管D1亮，提示芯片進入錄音狀態，選擇地址段，芯片進行該段錄音操作。這時從話筒拾取的信號就開始被固化到ISD1420內部的EEPROM之中，直到PA0口為高電平。這時即使芯片脫離電路，錄入的內容也不消失[7]。如要修改錄入內容，只要重復上述操作即可。

3 控制器軟件設計

電真空熱管熱水鍋爐控制器的軟件設計主要包括：控制器主程序設計，DTMF信號接收、發送子程序設計，溫度檢測與控制子程序設計，液晶顯示器的程序設計，語音芯片ISD1420的程序設計等等。

參數設定子程序包括：室溫設定，報警電話號碼設定，控制器密碼設定，時鐘設定等。

無人接聽電話時，等待7次振鈴后，控制器自動摘機并延時500ms，判斷輸入的密碼是否正確。密碼正確則接收DTMF信號，否則結束程序。判斷是否修改電話號碼。如果是存儲新電話號碼并顯示，否則判斷是否修改密碼。如果是存儲新密碼并顯示。否則判斷輸入的溫度設定值是否有效。若有效存儲新溫度設定值并顯示。若無效則直接返回。

當有報警信號時，控制器自動摘機，單片機首先判斷交換機是否供電正常。若供電正常，把電話號碼的每一位發送給MT8888，轉變成對應得DTMF信號發送到電話線上，實現自動撥號。若交換機供電不正常則1分鐘以后再次報警。

用戶設定完室內溫度值后，將顯示并存儲此溫度值，然后單片機復位所有的DS18B20，向數據線發送一個64位序列編碼，只有與序列號匹配的DS18B20才會被激活，接收單片機的內存訪問指令，進行讀寫操作，完成溫度的采集[9]。

液晶顯示操作的主要程序包括：發送命令到液晶子程序，發送數據到液晶子程序，讀液晶狀態子程序，液晶初始化子程序等。由于MGLS12864液晶顯示器沒有內部字符發生器，所以在屏幕上顯示的任何字符、漢字等須自己建立點陣字模庫，然后均按圖形方式進行顯示。MGLS12864液晶顯示屏由兩片HD61202控制，LCD顯示中應盡量避免一個字符一半在左半屏顯示，另一半在右半屏顯示的情況。

4 實驗研究

電真空熱管熱水鍋爐控制器設計完成之后，在真實住宅內的熱水鍋爐器上安裝運行，并與同類產品的相應電功率、采暖面積、耗電量、采暖室內溫度和熱效率進行記錄比較。根據實驗結果分析，得到以下主要技術性能指標，對比如表1所示。

表1 主要技術性能指標對比

實驗中還考查了設備的運行狀況以及各種遠程控制功能。當有電話打入時，其控制器檢測到有振鈴并判斷是否有7次振鈴，直到有7次正常振鈴后，控制器自動摘機，并在語音提示下依次輸入用戶的操作密碼和操作指令。若輸入密碼錯誤達3次以上，或按鍵時間已過，控制器自動掛斷電話；確認密碼正確時，按語音提示依次完成一系列操作。

5 結論

本系統利用了公眾電話網傳輸信息，但是與電話互相獨立不會影響其正常使用，具有良好的保密性，即在不知道密碼的情況下，任何人都無法實現遙控操作。并且可以對電真空熱管進行電流檢測，在別墅等地可作為防盜、防火的報警器來使用，如果電流低于正常工作電流，則會撥打用戶電話號碼進行報警。因此，可以隨時判斷其工作狀態，及時進行維修。該系統實現了人們生活的舒適、安全、方便，而且隨時隨地可以根據需要控制鍋爐，因此避免了不必要的能源浪費。

[1]劉福海.電熱鍋爐的市場前景和發展方向[J].黑龍江電力,2002,24(3):196-202.

[2]米倫. 固態繼電器在加熱器中的應用設計[J].低壓電器,2006(10):48-50.

[3]Robins WP.ISD1400Series Single-Chip Voice Record-Playback Devices[J]. IEEE Trans,2004,10(3):75-78.

[4]肖質紅.基于公用電話網絡的遠程遙控家電設備[J].浙江萬里學院學報,2006,19(2):44-47.

[5]李平,李亞榮,關天民.基于ISD1420的高響度語音電路設計[J].儀表技術,2005(1): 75-76.

[6]蔣懷偉,尹志強. ISD1420語音芯片在單片機系統中的應用[J].電子世界,2002(12): 34-36.

[7]李業德,唐詩.單片機和DS18B20組成的多點溫度測控系統[J].山東工程學院學報,2001,15(4):15-18.

[8]魏英智,關宇東,祿曉飛.定時控溫發酵器的單片機控制[J].傳感技術學報,2005,18(1): 153-156.