电真空热管热水锅炉控制器的研究

朴京海，朴相吉

（1 延边大学工学院 吉林 延吉 133002； 2 延边体育馆，吉林 延吉 133002）

0 引言

随着现代化城市的发展需要和人民生活水平的不断提高，每年的家用电采暖设备市场需求量正呈增长态势。但在别墅等独立式建筑长期不住人，期间仍需要采暖，把室温设定高值，利用锅炉往复的工作使循环水源源不断地散发出热量。这种运行方式虽然能够满足采暖温度的需要，但是会造成严重的资源浪费，运行中的耗电量也是一个不可忽视的问题，很高的耗电量会给锅炉用户带来很大的经济负担，因此节能又引起了很多人的注意。根据现代人们的生活需要以及对能源的节省方面考虑，随时随地对锅炉进行远程控制，具有现实的意义[1]。

怎样采取一切可行性高新技术措施，提高传热效率，随时随地对锅炉进行控制，合理控制运行电费，是当前急需解决的技术难关和技术关键问题。本文针对上述问题设计出多功能热水锅炉控制器，用来进行各种节能控制和远程控制。

1 控制器结构与工作原理

电真空热管热水锅炉控制器由电话接口电路、语音提示电路、报警电路、锅炉控制电路、温度检测电路、电流检测电路、电机控制电路、电磁阀驱动电路、键盘输入与显示等组成。该控制器原理框图如图1所示。

图1 电真空热管热水锅炉控制器原理框图

单片机AT89C51是整个控制器的核心，控制器所有电路都是在它的控制下工作。采用AT24C64与AT89C51连接，扩展了64K的外部存储空间，存储一些重要的数据信息，如控制器自动拨号报警时所需要的电话号码，控制锅炉时所需要的密码以及设定的室内温度值等数据。

为了满足系统的接口数量的需要，扩展Intel公司生产的可编程并行输入/输出接口芯片8255；采用DALLAS半导体公司生产的智能温度传感器DS18B20作为温度检测元件；利用固态继电器控制电真空热管的启、停；采用WBKI011D1交流电流有无检测传感器进行电流检测；电话接口电路中，DTMF编解码电路使用了MT8888芯片；系统时钟采用具有内部供电功能的并行时钟芯片DS12887，为显示器提供有效的时间和日期；系统为了实现显示汉字的功能，采用了MGLS12864作为液晶显示模块。

本系统采用ZCW系列电磁阀，单片机不能直接控制电磁阀，应该加个中间环节，即驱动电路，同时应注意电磁干扰。电磁阀由导通转到截止时，电磁阀线圈会产生逆电趋势变化，为了保护电磁阀，防止误导通，在电磁阀的两端并一个二极管[2]。

2 控制器硬件设计

2.1 温度检测电路与电真空热管、电机控制电路

本系统采用了美国DALLAS半导体公司生产的数字温度传感器DS18B20作为检测元件。

4只DS18B20直接并接在单总线上，所有DS18B20的VDD引脚都与地线相连，采用寄生电源供电方式。在寄生电源供电方式下，当总线信号为高电平时，DS18B20从总线上获得能量并存储在内部电容上；当总线信号为低电平时，由电容向DS18B20供电。当DS18B20进行温度转换或处于写存储器操作时，总线上必须有强力的上拉。本电路中采用一个MOSFET管把P1.2口直接拉到电源上，实现对DS18B20总线上的上拉。当接收到温度转换命令后，开始启动转换。

本系统以两个电真空热管为一个组进行供热循环水温度的控制。由于过零型固态继电器内部以有光电耦合电路隔离输入输出电路，所以电路中不需另加隔离措施[3]。单片机的P3.0为控制信号输出端。电真空热管的工作电流在正常工作范围内的条件下，需要启动电真空热管组时，P3.0输出为低电平。输入为低电平时，三极管Q18的集电极输出为高电平，因此三极管Q13导通，固态继电器的输入端有输入电压，输出端接通。需要停止电真空热管组时，P3.0输出为高电平。电机控制电路的工作原理与电真空热管启动电路的工作原理相同。AT89C51与GJ20-W型固态继电器的接口电路如图2所示。

王姐连忙向老婆挤了挤眼睛，说：老妹，你别冲动，还是出去和妹夫好好商量一下，我还有几句话和段主任唠。不用问，她是要把我支走。

图2 AT89C51与GJ20-W型固态继电器的接口电路

2.2 电真空热管热水锅炉的远程控制

本设计中使用了DTMF拨号方式，采用MT8888芯片来发送和接收DTMF信号。

AT89C51单片机P0口的低4位作为数据传输口与MT8888的数据总线D0～D3端口连接，用来完成数据的传输和控制命令的输入，状态的读出。中断模式下当发送或接收了有效的DTMF信号，CP端输出低电平，利用这个原理可以控制音频信号的收发[4]。AT89C51与MT8888的接口电路如图3所示。

GS为增益选择端，连接反馈电阻，调节运放增益，其输入电压增益AV=R17/R16=1。OSC1、OSC2为振荡器输入、输出端，外接3.5796MHz晶振，负责产生全部16种标准双音信号。

用户话机的摘挂机状态是通过对直流环路上电流的通断来实现的。用户挂机空闲时，直流环路断开，馈电电流为0mA；反之，用户摘机后，直流环路接通，馈电电流在20mA以上[5]。

图3 AT89C51与MT8888的接口电路

当单片机在指定的时间内检测到事先设定的7次振铃次数后，单片机P3.5口输出低电平，三极管Q6、Q7饱和，用三极管驱动继电器K2，继电器常开触点闭合，电话网接入变压器T1，相当于电话摘机。当P3.5口输出高电平，三极管Q6、Q7截止，继电器常开触点断开。二极管D4是继流二极管，防止继电器断开时继电器线圈反电势击穿三极管Q6。

2.3 语音提示电路

在单片机AT89C51与ISD1420的接口电路中，用单片机的数据总线与ISD1420的A0～A7地址线相连。通过A0～A7地址线不同的电平组合，可实现任意分段，用来调整录音与放音的起始地址。本系统采用地址模式。A6、A7有一个是低电平，A0～A7输入全解释为地址位。地址位仅作为输入端，在操作过程中不能输出内部地址信息[6]。AT89C51与ISD1420的接口电路如图4所示。

图4 AT89C51与ISD1420的接口电路

SP+、SP-为音频信号输出端，可以驱动8～16Ω扬声器。ISD1420输出的音频信号经音频功率放大器LM386，由扬声器输出，实现放音操作。D1为录音指示发光二极管，脚为录音控制端。PA0口为低电平，LED指示二极管D1亮，提示芯片进入录音状态，选择地址段，芯片进行该段录音操作。这时从话筒拾取的信号就开始被固化到ISD1420内部的EEPROM之中，直到PA0口为高电平。这时即使芯片脱离电路，录入的内容也不消失[7]。如要修改录入内容，只要重复上述操作即可。

3 控制器软件设计

电真空热管热水锅炉控制器的软件设计主要包括：控制器主程序设计，DTMF信号接收、发送子程序设计，温度检测与控制子程序设计，液晶显示器的程序设计，语音芯片ISD1420的程序设计等等。

参数设定子程序包括：室温设定，报警电话号码设定，控制器密码设定，时钟设定等。

无人接听电话时，等待7次振铃后，控制器自动摘机并延时500ms，判断输入的密码是否正确。密码正确则接收DTMF信号，否则结束程序。判断是否修改电话号码。如果是存储新电话号码并显示，否则判断是否修改密码。如果是存储新密码并显示。否则判断输入的温度设定值是否有效。若有效存储新温度设定值并显示。若无效则直接返回。

当有报警信号时，控制器自动摘机，单片机首先判断交换机是否供电正常。若供电正常，把电话号码的每一位发送给MT8888，转变成对应得DTMF信号发送到电话线上，实现自动拨号。若交换机供电不正常则1分钟以后再次报警。

用户设定完室内温度值后，将显示并存储此温度值，然后单片机复位所有的DS18B20，向数据线发送一个64位序列编码，只有与序列号匹配的DS18B20才会被激活，接收单片机的内存访问指令，进行读写操作，完成温度的采集[9]。

液晶显示操作的主要程序包括：发送命令到液晶子程序，发送数据到液晶子程序，读液晶状态子程序，液晶初始化子程序等。由于MGLS12864液晶显示器没有内部字符发生器，所以在屏幕上显示的任何字符、汉字等须自己建立点阵字模库，然后均按图形方式进行显示。MGLS12864液晶显示屏由两片HD61202控制，LCD显示中应尽量避免一个字符一半在左半屏显示，另一半在右半屏显示的情况。

4 实验研究

电真空热管热水锅炉控制器设计完成之后，在真实住宅内的热水锅炉器上安装运行，并与同类产品的相应电功率、采暖面积、耗电量、采暖室内温度和热效率进行记录比较。根据实验结果分析，得到以下主要技术性能指标，对比如表1所示。

表1 主要技术性能指标对比

实验中还考查了设备的运行状况以及各种远程控制功能。当有电话打入时，其控制器检测到有振铃并判断是否有7次振铃，直到有7次正常振铃后，控制器自动摘机，并在语音提示下依次输入用户的操作密码和操作指令。若输入密码错误达3次以上，或按键时间已过，控制器自动挂断电话；确认密码正确时，按语音提示依次完成一系列操作。

5 结论

本系统利用了公众电话网传输信息，但是与电话互相独立不会影响其正常使用，具有良好的保密性，即在不知道密码的情况下，任何人都无法实现遥控操作。并且可以对电真空热管进行电流检测，在别墅等地可作为防盗、防火的报警器来使用，如果电流低于正常工作电流，则会拨打用户电话号码进行报警。因此，可以随时判断其工作状态，及时进行维修。该系统实现了人们生活的舒适、安全、方便，而且随时随地可以根据需要控制锅炉，因此避免了不必要的能源浪费。

[1]刘福海.电热锅炉的市场前景和发展方向[J].黑龙江电力,2002,24(3):196-202.

[2]米伦. 固态继电器在加热器中的应用设计[J].低压电器,2006(10):48-50.

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

[4]肖质红.基于公用电话网络的远程遥控家电设备[J].浙江万里学院学报,2006,19(2):44-47.

[5]李平,李亚荣,关天民.基于ISD1420的高响度语音电路设计[J].仪表技术,2005(1): 75-76.

[6]蒋怀伟,尹志强. ISD1420语音芯片在单片机系统中的应用[J].电子世界,2002(12): 34-36.

[7]李业德,唐诗.单片机和DS18B20组成的多点温度测控系统[J].山东工程学院学报,2001,15(4):15-18.

[8]魏英智,关宇东,禄晓飞.定时控温发酵器的单片机控制[J].传感技术学报,2005,18(1): 153-156.