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(jià)電能轉(zhuǎn)換成熱能并存儲在儲熱磚中，非低價(jià)電時(shí)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(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、操作簡單、實(shí)用性強(qiáng)，具有一定的市場前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 儲熱；溫度采集；單片機(jī)；時(shí)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(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(jià)的指導(dǎo)意見的通知》[1]，電價(jià)按“峰、谷”段（或者“峰、平、谷”段）區(qū)分收費(fèi)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(jì)利用用電“谷”期電力公司提供的低價(jià)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(shí)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(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(jì)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(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(shí)時(shí)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(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(diǎn)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(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/℃，熱電偶輸出電勢為：
設(shè)計(jì)將端點(diǎn)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(shí)時(shí)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(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(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(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)動信號為高電平時(shí)，將實(shí)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(shí)行總控，只有當(dāng)此鍵為“開”時(shí)加熱系統(tǒng)才能工作，這樣可以避免用戶長時(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)際問題的知識，利用C語言進(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)自動對電熱管加熱若干小時(shí)（對應(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/關(guān)”、“加熱”按鍵，這里簡稱為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/關(guān)”為“開”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(shí)停止加熱；若為“關(guān)”，則應(yīng)在溫度小于12 ℃時(shí)自動加熱，溫度上升至16 ℃時(shí)停止加熱。這是一個(gè)循環(huán)反復(fù)的過程，整個(gè)系統(tǒng)時(shí)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(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[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(jì)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(shí)期實(shí)行電價(jià)優(yōu)惠。
本文設(shè)計(jì)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(jià)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(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(shí)現(xiàn)時(shí)鐘和溫度顯示的同時(shí)，針對電熱管設(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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