摘 要： 提出了一种新兴的供暖技术——储热式电暖器。这种装置能将夜间低价电能转换成热能并存储在储热砖中，非低价电时再释放出来。装置控制系统以AT89C51为核心元件，采用DS18B20与K型热电偶作为测温元件，以LCD12864与DS1302构成显示电路，实现了时钟、温度显示、用户控制、电热管温度控制、室内温度控制等功能。每天低价电时对电热管加热若干小时（不同月份加热时间不一），保证室内恒温舒适，不干燥。该系统性能稳定、成本低廉、操作简单、实用性强，具有一定的市场前景和经济价值。
关键词： 储热；温度采集；单片机；时钟芯片；温度控制
长久以来，北方许多城市一直采用传统的集中供暖方式。这种传统的供热方式主要有以下缺点：(1)政府基础设施投入巨大；(2)不可再生资源消耗多且浪费严重；(3)供暖舒适稳定性有待加强；(4)不具有用户操作性。近几年市场上出现了诸多分户供暖的方式，在一定程度上解决了用户不能控制室内温度的问题，且更加舒适。但这些方式投入成本较大，不利于大规模推广。
此外，国家发改委于2011年发布了《关于居民生活用电试行阶梯电价的指导意见的通知》[1]，电价按“峰、谷”段（或者“峰、平、谷”段）区分收费势在必行。在这样的大形势下，储热式电暖器应运而生。本设计利用用电“谷”期电力公司提供的低价电，以装入储热砖的电热管为加热元件，在夜间将电能转化为热能，并储存在砖体中保存。到了用电非“谷”期再将热能释放出来，为房间供暖，此时将不再消耗电能。储热砖是一种具有良好热导性能的相变储热材料[2]，它能在电热管加热时积聚大量的热量，也能在电热管停止加热时释放出大量的热量。该种材料无毒、无味、不腐蚀、不污染环境。与传统采暖方式相比，本设计具有不占室内空间（可将储热砖嵌入墙内）、能源清洁无污染、节约资源、无锅炉和热源网等附属设备，节省基础设施投资等优点；且分户供暖，设计人性化，适合普通家庭使用；可以解决北方现有集中供暖的诸多诟病，也可以在很大程度上使南方城市摆脱冬季无固定采暖方式的窘境。
1 基本原理
本系统由单片机、温度采集电路、显示电路、控制电路、驱动电路组成。系统结构如图1所示。
温度采集电路实时检测电热管和室内温度，经过放大、模数转换后将信号传送给单片机。经由单片机内部软件程序处理生成驱动信号，配合固体继电器对电热管的加热进行控制，以达到室内温度舒适(8 ℃～20 ℃之间)、保护电热管（温度不大于800 ℃）的目的。显示电路由单片机及外围LCD显示屏、时钟芯片构成，可实现当前时间和室内温度的显示，运用时钟芯片“看门狗”功能可以为电热管设置加热时间。此外，考虑到人性化因素，系统还设计了控制电路。
2 硬件设计
本系统以AT89C51为核心器件，外围配置DS18B20、DS1302、LCD12864为基本器件，所选器件可以达到设计目的[3-4]。
2.1 温度采集电路
系统需要对室内温度和电热管温度进行实时采集。为了确保温度采集准确无误差，对不同目标采用不同采集方法。
电热管的保护温度是800 ℃，对这一范围内的温度采集使用K型(镍鉻—镍硅)热电偶测温法。其主要优点有：构造简单、使用方便；敏感性强、测量精度高；测量范围宽(-200 ℃～1 300 ℃)等。测温电路如图2所示。
其测温原理是通过测量由不同导体(镍鉻、镍硅)组成的闭合回路中置于不同温度环境的两个端点1、2(两个端点温度分别为T、T0)之间的温差电势而得到两个端点的温差(如图3所示)。已知K型热电偶电压变化率为41 μV/℃，热电偶输出电势为：
设计将端点1置于电热管内部，对UO进行模数转换后传送到单片机端口，经过单片机内部运算后即可得到电热管实时温度。模数转换电路这里就不详述了。
对室内温度的检测运用型号为DS18B20的温度传感器，该传感器性能优越稳定，且测温精度高。
2.2 显示电路
显示电路由时钟芯片DS1302[5]、显示屏LCD12864和温度传感器DS18B20组成，实现了对室内温度和时间的显示。各芯片与单片机的接口如图4所示。
DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线数字式温度传感器，该器件体积小、结构简单，不需要外接电路, 可将被测温度直接转换成单片机能识别的数字信号输出，无需信号放大和模数转换。测温范围在-55 ℃～
+125 ℃，符合设计条件，在单片机的配合下可以显示当前温度。DS1302是由美国DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗的时钟芯片，内置12个寄存器，可分别对年、月、日、时、分、秒、星期进行计时，内含看门狗，且具有闰年补偿功能，在单片机的配合下能够显示当前时间，产生任意长度的定时输出，由此可按月份设置不同的加热时间。LCD12864液晶显示屏内置8 192个16×16点汉字和128个16×8点ASCII字符集，可显示8×4行16×16点阵汉字。设计显示格式如图5所示。
2.3 驱动电路
对电热管加热采用直流固体继电器（SSR）驱动，固态继电器是一种触点电子继电器，与传统的机械继电器相比，具有外接元器件少、控制电压低、过零触发、抗干扰强、易于与单片机接口的特点。电路如图6所示。
当固态继电器SSR的“-”端为低电平时，SSR控制导通。即驱动信号为高电平时，将实现对电热管的加热。
此外，出于人性化考虑，系统设置了用户功能按键：“开/关”键对系统工作实行总控，只有当此键为“开”时加热系统才能工作，这样可以避免用户长时间外出时造成资源浪费；“加热”键可以使用户根据自己的需求在非低谷电价时选择对电热管充电，确保用户需求。
3 软件设计
软件设计部分利用单片机自身成熟的开发工具和充足的硬件资源，结合认知心理学解决实际问题的知识，利用C语言进行设计，整个程序可分为主程序和子程序。
软件设计思路：(1)保证每天在“谷”价电时自动对电热管加热若干小时（对应不同月份的冷暖程度应设置不同的加热时间段）；(2)电热管温度不能超过800 ℃；(3)为了保证室内恒温，且处于舒适温度范围(通常在8 ℃～20 ℃，但夜间温度可以偏高一些)，因此，“谷”电加热时段温度上下限为16 ℃～24 ℃，非“谷”电时段亦须设置温度限制，在温度小于12 ℃时应立即对电热管加热，待温度上升至16 ℃时停止加热；(4)设置用户控制功能，预设“开/关”、“加热”按键，这里简称为KEY1、KEY2，但加热时要以保护电热管为前提。
3.1 总体设计
总体程序流程图如图7所示。
当微机上电和初始化之后，读取并显示时钟信息和室内温度信息。当用户“开/关”为“开”时，读取当前月份信息和加热时间段。然后判断当前时间是否在“谷”价加热时段，这里分两种情况：(1)当前时段为“谷”价加热时段，此时只要再满足电热管温度小于800 ℃且室内温度不高于24 ℃，就需要对电热管进行加热。而一旦电热管温度高于800 ℃或室内温度高于24 ℃则将立即停止加热，直到温度降到16 ℃再加热；(2)当前时段为非“谷”价加热时段时需判定“加热”按键的开关状态。若为“开”，则应按用户需求进行加热，但是当电热管温度大于800 ℃时停止加热；若为“关”，则应在温度小于12 ℃时自动加热，温度上升至16 ℃时停止加热。这是一个循环反复的过程，整个系统时刻处在是否对电热管加热的判断之中。根据具体情况改变电热管的加热状态，达到了设计目的。
3.2 关于农历的显示
本系统采用的DS1302时钟芯片本不具有存储农历信息功能，而农历显示的实现是由公历信息转换而得来[6]。具体方法是在程序中利用查表法，对照公历信息查找农历信息，程序设计中查找100年农历信息只需300 B空间。
在我国不少大中城市，“高峰期用电紧张，负荷居高不下，而低谷期富余却鲜有人问津”的现象普遍存在。为了鼓励广大群众更多地利用低谷期电能，全国多数大中城市都在低谷电时期实行电价优惠。
本文设计的储热式电暖器装置充分考虑这一有利政策，运用低电价对电热管进行加热，装置将热能存储在储热砖中。在保证一天24小时都有供暖的情况下大大地节省了电费。如能大规模推广，将有效减少峰值区间和谷值区间负荷差值，也将大大减少电能的浪费。
储热式电暖器的控制系统利用单片机及其外围电路实现了对电热管加热的驱动，并可根据具体条件判定加热状态。在实现时钟和温度显示的同时，针对电热管设置了保护温度。用户控制功能使设计更显人性化。软硬件设计合理，经检验性能稳定，达到了预期的效果。
参考文献
[1] 国家发展与改革委员会.关于居民生活用电试行阶梯电价的指导意见的通知[J].中国物价，2012(2)：75.
[2] 朱教群，张炳，周卫兵.储热材料的研究进展及其应用[J].能源工程，2007(3)：48-52.
[3] 李秋桂，郭金光，王国峰，等.PIC单片机在家用电暖气中的应用[J].电子产品世界，2002(4)：44-46.
[4] 俞欣滢，曾志强，孙仪彬.基于单片机的温度控制系统设计[J].电气应用，2009，28(20)：50-52.
[5] 能昌会.时钟芯片DS1302在单片机系统中的应用[J].电子制作，2007(11)：39-40.
[6] 杨河理，熊晓东.电子万年历中公历农历互换算法研究[J].长江大学学报(自然科学版)，2006，3(4)：87-88.