摘要：為滿足太陽能熱水工程遠距離測控的需要，設計了一個基于單片機控制的溫度和水位遠程測控系統(tǒng)。系統(tǒng)的主機和從機均以ATmega16為控制器，二者通過RS-485通信，距離可以超過1 km。用NTC熱敏電阻作測溫元件，使用單片機內置的10位A／D轉換模塊實現(xiàn)多路溫度的測量。通過非對稱式多諧振蕩器電路把水位轉換為振蕩頻率，再用計數(shù)器測量頻率來實現(xiàn)水位的測量。給出了主機和從機的完整電路及功能，較詳細地介紹了水位和溫度的測量電路以及傳感器參數(shù)。
關鍵詞：RS-485；ATmega16；水位；溫度；遠程

    目前，與太陽能集熱熱水工程配套的控制器基本上都是單機工作，需要安裝在離太陽能熱水工程現(xiàn)場較近的位置，而太陽能熱水工程一般是安裝在工廠、賓館和居民樓的樓頂上，因此管理人員必須爬上樓頂才能完成信息查看和功能操作，管理和操作十分便。為滿足太陽能熱水工程遠距離測控的需求，本設計采用ATmega16單片機，利用RS-485通信技術、NTC熱敏傳感器和多諧振蕩器測量水位方法，研制開發(fā)了溫度水位遠距離測控系統(tǒng)，解決了太陽能熱水工程需要遠距離測控的問題。

1 系統(tǒng)結構和工作原理
    遠距離溫度和水位測控系統(tǒng)用于選擇功能，設置參數(shù)，測量和顯示太陽能熱水工程儲水箱中的水溫和水位、集熱器的溫度、溫差循環(huán)管道溫度和出水溫度，控制上水、溫差循環(huán)換能、輔助電加熱、管道防凍等。系統(tǒng)主要由主機、從機、溫度和水位傳感器及電氣控制部分組成，遠程溫度和水位測控系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。主機以ATmega16單片機為控制芯片，通過RS-485與從機通信，完成基本功能設置，用LCD顯示工作狀態(tài)、水位、多路溫度等數(shù)據(jù)，并把設置的參數(shù)和控制信息傳送給從機。從機也是以ATmega16為控制芯片，主要負責完成水位、溫度等現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和電氣控制。

2 系統(tǒng)硬件設計
    ATmega16單片機內置10位A／D模塊，可直接實現(xiàn)多達8個通道模擬信號的A／D轉換輸入，有兩個8位和一個16位的計數(shù)器，帶有512的E2PROM，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)掉電保護，ATmega16還帶有串行接口，可以接485轉換芯片實現(xiàn)RS-485通信。
2．1 主機電路
    主機的主要功能是接收從機采集的儲水箱水位、4路溫度數(shù)據(jù)、在128x64的液晶上顯示水位、溫度和工作狀態(tài)。主機的另外一個功能是完成參數(shù)的設置，然后把設置的參數(shù)發(fā)送給從機。圖2是主機的電路圖，其主要由RS-485通信、鍵盤輸入和LCD顯示等幾個部分組成。

2．1．1 RS-485通信
    RS-485總線通信模式由于具有結構簡單、價格低、通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率適當?shù)膬?yōu)點而被廣泛應用于樓宇控制、監(jiān)控報警等領域。但RS-485總線存在自適應、自保護功能差等缺點，如一些細節(jié)處理不好，常會出現(xiàn)通信失敗等故障，因此提高RS-485總線的可靠性十分重要。在該電路中使用的接口芯片MAX485是Maxim公司的一種RS-485芯片，采用單+5 V電源工作，額定電流為300 μA，采用半雙工通訊方式，它的結構和引腳簡單，內部含有一個驅動器和接收器。RO和DI端分別是接收器的輸出和驅動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可。RE和DE端分別是接收和發(fā)送的使能端，當RE為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)，當DE為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳PD2控制這兩個引腳即可。A端和B端分別是接收和發(fā)送的差分信號端，當A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1，當A的電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。同時將A和B端之間加匹配電阻R9，一般可選120 Ω的電阻。在圖2中使用四位一體的光電耦合器TLP521讓單片機與MAX485之間實現(xiàn)了完全的電隔離，消除了相互干擾，提高了電路的可靠性。
2．1．2 鍵盤輸入和輸出顯示電路
    液晶顯示選用的OCM128x64是128x64點陣型液晶顯示模塊，可顯示各種字符及圖形，可顯示四行漢字，滿足本設計的要求，可與單片機直接接口，具有8位標準數(shù)據(jù)總線、6條控制線及電源線。鍵盤輸入和顯示輸出電路如圖2中所示，LCD與單片機的連接使用數(shù)據(jù)串行輸入方法，數(shù)據(jù)通過PA7和LCD串行輸入端輸入，PA4、PA5為片選信號，PA6為讀寫使能信號。輸入按鍵為8個，用2x4鍵盤接PC0～PC5實現(xiàn)。
2．2 從機電路
    從機的主要功能是完成一路水位和四路溫度的測量，并通過RS-485通信將這些數(shù)據(jù)傳送給主機，接收主機發(fā)送來的參數(shù)和控制信息，通過繼電器組控制上水、溫差循環(huán)、輔助電加熱、管道防凍和恒溫供水等。從機電路如圖3所示。

2．2．1 水位測量
    先用非對稱式多諧振蕩器電路把水位傳感器的阻值大小轉換為振蕩信號的頻率，再用單片機內部的計數(shù)器測量信號的頻率來測量水位。如圖4所示，非對稱式多諧振蕩器電路由74HC04、C1、R5～R7和水位傳感器的電阻Rw組成。該振蕩器的振蕩頻率為f=1／[2．2(R5+R6+Rw)C1]?？蛇x用四個電阻相串聯(lián)，在電阻引線處引出5個水位探測電極，作為4水位測量傳感器。由于水有導電性，水位的變化引起水位探測電極間的短路，改變水位傳感器的電阻Rw的阻值，使振蕩頻率f發(fā)生變化。該振蕩信號經(jīng)非門隔離后接單片機的引腳PB1，由Tmega16片內16位計數(shù)器T1對振蕩信號的頻率f計數(shù)來測量水位高低。通過大量實驗，對上述多諧振蕩器電路和參數(shù)，當選用阻值分別為30、10、10、10 kΩ的4個電阻串聯(lián)組成測量水位傳感器時，振蕩信號的頻率f的值在60～415 Hz之間，用于水位測量，效果很好。

2．2．2 溫度測量
    四路測溫電路完全相同，選用NTC熱敏電阻器測溫傳感器，每一路都是用一個阻值固定的電阻(如R1)與一個熱敏電阻(如RT1)串聯(lián)，對5 V電源電壓分壓，利用熱敏電阻上的壓降隨溫度變化而變化實現(xiàn)溫度的測量。在圖4中，四個熱敏電阻RT1～RT4上的電壓分別接到引腳AD0～AD3上。通過ATmega16內置的多通道10位A／D轉換器轉換為數(shù)字信號后由程序讀取，分別用于測量儲水箱水溫、集熱器溫度、溫差循環(huán)管道溫度和供水溫度。NTC熱敏電阻具有電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，體積小，響應速度快，能進行精密溫度測量的優(yōu)點，缺點是熱電特性非線性現(xiàn)象嚴重。如使用TG408503(25℃時，阻值50kΩ，B值4050K，玻璃封裝)NTC熱敏電阻，在0～99℃范圍內，電阻的靈敏度約為8500～100Ω／℃。因此使用時一般要進行線性補償。通過計算和分析，在RT1～RT4選用玻璃封裝。精度為50 kΩ±0．5％，B值為4 050K±1％的NTC熱敏電阻，電阻R1～R4選用精度為20 kΩ±0．5％的金屬膜電阻時，測溫精度可達±1℃。
2．2．3 控制電路
    從機通過PB0、PB2～PB4控制4路繼電器，分別用來控制溫差循環(huán)泵、輔助電加熱、防凍電伴熱帶、上水電磁閥等。如在主機按“上水”鍵，主機將把信號發(fā)給從機，從機再將PB4置高，啟動手動上水，再次按“上水”鍵，程序使PB4輸出低電平口，手動關閉上水。其它功能和“上水”，基本相同。在PB0、PB2～PB4與繼電器之間加入光電耦合器TLP521，用于隔離繼電器的干擾。

3 系統(tǒng)軟件設計
    測控系統(tǒng)的程序用C語言編寫，程序并不復雜，主要包含有LCD顯示，RS-485通信，行列鍵盤輸入，A／D數(shù)據(jù)處理，繼電器控制等幾個程序模塊。在該設計中雖然只是雙機通信，但是為了將來擴展的需要，通信采用輪詢方式。首先主機發(fā)送指令，從機接收指令，根據(jù)指令，判斷執(zhí)行相應動作。指令總共3種，所以用兩位二值代碼，代碼有：00為查詢，01為設置參數(shù)，02為手動指令傳輸。485通信流程如下：主機隔
50 ms發(fā)查詢幀一>從機返回傳感器數(shù)值數(shù)據(jù)幀；設置參數(shù)、狀態(tài)等：主機發(fā)設置參數(shù)幀，啟動定時器定時20 ms一>從機返回設置確認幀；若在定時時間內沒有收到從機返回數(shù)據(jù)，則重新發(fā)送，一直等到從機返回正確數(shù)據(jù)。

4 結論
    太陽能集熱熱水工程現(xiàn)已大量安裝于工廠、賓館、居民樓等需要提供大量熱水的場所，與其配套使用的控制系統(tǒng)是不可缺少的部分。本系統(tǒng)以ATmega16為控制芯片，使用RS-485通信，主機和從機之間通信距離可達1 km以上。系統(tǒng)采用NTC熱敏電阻和A／D轉換測溫的方案，電路簡單，能滿足太陽能集熱熱水工程中多路測溫的精度要求。用非對稱多諧振蕩器電路測量水位的辦法，水位傳感器制作容易，成本低，可以實現(xiàn)水位的可靠測量。本系統(tǒng)功能實用，人機對話界面直觀，操作簡便，測控可靠，較好地解決了太陽能熱水工程或其它一些場合對水位、溫度的遠距離測控的問題。