单片机与MCGS组态软件在全自动中央供暖系统中的应用

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        利用单片机与MCGS组态软件组成监控平台，实现对整个中央供暖系统的动态测试、检测与报警，具有直观、调控容易、技术先进和价格低等优点。
　　中央供暖热水器一般使用于北方地区需要采暖系统和热水供应的场所，是方便、安全、节能的时尚产品。除可对采暖系统进行供热外，还可多点供应热水，具有供热量充足的特点。特别是其单片机控制系统配上全中文MCGS组态软件，可迅速构成上位机监控系统，运行嵌入式实时操作系统，可以完成复杂逻辑控制，并可根据实际工况灵活组态，形成良好的人机界面，具有直观、操作方便、控制灵活等优点，可有效地对系统进行监控和管理。
　　1 系统的性能与原理
　　系统工作示意图如图1所示。本系统是在中央热水系统的基础上增加恒温供暖功能，既可作为提供生活用水的中央热水系统，也可作为供热水和采暖供热的多功能系统。



　　1.1采暖热水器
　　采暖热水器配有循环泵，将热水反复送到各个散热器，达到热水循环供暖的目的。
　　1.2 储水内胆及恒温供热循环蓄水系统
　　该系统是配有专业设计的不锈钢储水内胆及恒温供热循环蓄水的系统，系统设定：当罐内水温低于设定温度时，恒温水泵工作，将罐内的水送进热水器加热，循环加热后，罐内的水温将逐步升高，到设定温度时，水泵停止工作，热水器也同时停止工作，热水器加温至默认的温度后进入自动恒温状态。
　　1.3 中央供热/供暖系统
　　该系统主要采用快速热水器为基本加热源，配优质发热管作辅助热体，整机安全、可靠。
　　2 控制技术要求
　　本设备有供热、供暖两项控制要求，具有自动、手动两种控制功能。
　　2.1自动控制功能
　　执行默认设置，热水器进入加热状态，加温至默认的75°C后，停止加热。水温温度低至55°C时，快速热水器自动加热，温度达到75°C时停止加热。
　　2.2 手动功能
　　可按用户的要求设置，可自行设定温度。
　　· 供暖控制功能：当选择供暖功能时，首先将内胆水温加热至默认的75°C，停止加热，5分钟后，再检测回流水温度，回流水温降至50°C时，再加热并启动循环泵，将回流温度控制在50°C"75°C的范围内，周而复始，不断对采暖系统进行供热。
　　· 定时开关机控制功能：用户可在24小时范围内任意设置定时开机与关机功能。
　　· 时间显示控制功能：4位数码屏显示，按△、▽键可设置小时数、分钟数。
　　3 控制系统的设计方案与实现
　　3.1 总体方案
　　全自动中央供暖热水器的控制与检测系统包括上位机和下位机两部分。下位机是一个以89S51单片机为核心的数据采集系统。温度测量采用AD7416数字温度传感器、JWS温度变送器，输出信号为标准0"5V的直流电压信号。89S51单片机的接口为标准I2C总线接口。通信采用75LBC180全双工485芯片。上位机由一台微机构成，采用VB6.0完成组态软件设计。上位机和下位机直接通过485并行总线连接。
　　3.2 功能模块的硬件实现
　　图2为系统部分功能模块的电路原理图，其中，AD7416完成温度采样。AT24C01完成温度门限值的存储，系统掉电后数据不会丢失。MAX485是RS485通信的电平转换器件。按键1"4完成温度门限值的设定，12V继电器及相关的外围电路完成通道的控制。TLC1543 11通道A/D转换器完成直流电压、交流电压以及房间恒温的测量，与单片机89S51通过4线SPI总线接口，24小时时钟显示，依靠单片机中的定时器完成计时。



　　3.3 主程序流程设计
　　图3是温度控制系统的主程序流程图。主程序首先对各个数据寄存器及外围接口芯片进行初始化，然后通过读EEPROM数据存储器AT24C01将原先通过键盘设定的温度门限值存入到温度门限寄存器中；随后调用AD7416温度采样和TLC1543模/数转换子程序，并将结果经数值转换后通过4位LED数码管显示。程序运行当中可随时通过调用键盘子程序来更改温度上下限值，并将该限值保存到AT24C01数据存储芯片中。当测量的温度值超过预先设定的门限值时，调用后向通道控制子程序启动继电器打开各种负载。



　　4 上位机监控系统设计
　　4.1监控界面设计
　　全中文工控组态软件MCGS是一套基于Windows的平台，快速构成上位机监控系统，可运行于Microsoft Windows9598MENT2000等操作系统，MCGS有宠大标准的工业器件、设备、图形库，通过接口设计，支持各类型单片机等硬件设备。MCGS软件使用简单，操作方便，Windows图形功能完备，界面一次性好。本系统设计了五个界面，分别是主界面、流程监控、故障报警、报表输出、操作规程。图4所示的是中央供热/供暖系统流程监控界面。其中，流程监控是系统的整个工作流程的动态显示，包括每个接口的水温显示、流水的方向等；报表输出是通过组态软件的报表功能实现运行信息、故障信息的数据保存、显示与定期打印。
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　　4.2 单片机和上位PC机的RS—485通信接口
　　RS—485最大的优点在于它的多点总线互连功能，它可以连接一台主机和多台终端同时通信。由于它是半双工的工作方式，只能有一方发送，一方接收，而且它采用差动电平接收的方法提高抗干扰能力，适合在比较恶劣的环境下工作。在单片机系统中使用MAX485芯片，完成单片机和上位PC机的RS—485通信。芯片MAX485是RS—485 通信的低功率收发器，其驱动器变化率没有限制，最大传输率可达2.5Mbps，传输距离为1200米。MAX485芯片采用单+5V电源供电，总线上可挂接32个收发器。MAX485有8个引脚，当驱动器使能端DE和接收器使能端/RE禁止时，驱动器和接收器输出为高阻态。RO和DI分别为接收器输出端和驱动器输入端，只要A、B端通过电阻对应连接，即可实现信息传输。MAX485采用双线半双工通信方式，串行通信的波特率选为9600bps，AT89S51单片机的晶振相应地选为11.0592MHz，即可满足系统对波特率误差的要求。MAX232是RS-232收发器，用于实现TTL电平与微机串口的RS-232电平信号之间的转换。采用单+5V电源供电，数据传输率为120Kbps。
　　4.3 通信接口电路
　　在测控系统中，下位机的实时性较高，因而一般采用串行中断的方式进行通信。通信协议采用8个数据位、一个停止位，无奇偶校验位。AT89S51的串行口有四种工作方式，选取方式1即标准的10位异步通信方式，由串行口控制寄存器设置状态，将SCON设置为0X50H。采用定时器T1作为波特率发生器，工作于方式2。
　　4.4 PC机端组态软件通信脚本程序设计
　　组态软件的脚本程序用VB语言提供的通信控件MXCOMM可以方便地对串行通信的各项参数进行设置，包括串口状态、通信格式和协议等。一旦检测到有发送或接收数据发生，则触发OnComm事件，通过编程访问COM1的event属性了解通信事件的类型，并进行相应的处理。PC机串口对无线收发模块收发状态转换的控制，采用的是Visual Basic的开发环境，可通过设置MSComm控制的PTSEnable属性来实现。RTSEnble属性设为False时，串口RTS输出高电平，电平转换后将Ptr 2000置为发射状态；RTSEnble属性设为True时，串口RTS输出低电平，电平转换后将Ptr 2000置为接收状态。图5所示为计算机端的Visual Basic接收程序流程图。
　　本系统采用单片机控制，结构简单、性能可靠，特别是在单片机控制系统上配全中文MCGS组态软件，构成实时监控系统，根据实际工况灵活组态，作为良好的上位机人机界面，实现了动态测试、检测与报警，具有直观、操作方便、控制灵活等优点。经生产实践表明，该全自动中央供暖系统设计思路正确、运行可靠，能达到实际应用的要求，在自动化控制产品设计中应用越来越广泛。
　　参考文献
　　1 MCGS全中文组态软件.北京昆仑通态自动化软件科技有限公司, 2002:88～109
　　2 胡 辉.单片机应用系统设计与训练.北京：中国水利水电出版社,2001:246～      250
　　3 谢志萍.传感器与检测技术.北京：电子工业出版社，2004：55～67上一页  [1] [2]
         
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