一种掉电自动开阀的采暖室温控制器电路设计

摘要：交流低压供电的采暖温控器设计，可以通过M-Bus总线实现温度数据上报，利用法拉电容加分立H桥结合可实现掉电自动开阀，保证供暖正常进行。

总体方案

整个产品的框图大体如图1所示，电源部分支持12~24V交流/直流输入，MCU采用TI的低功耗单片机MSP430，M-BUS通讯芯片采用TI的TSS721A，并做光电隔离。电机驱动采用分立的H桥方案，测温则选用市场上常见的NTC热敏电阻。

电源电路

电源是基础，为了能实现交直流兼容，适应不同的工程电压总线的需要(常见的有DC12V，DC24C，AC12V，AC24V等)，则在电源的输入位置(标识L，N)，加入整流桥电路，将输入的电源全部变成直流;电源的输入位置也引入保险丝，防止工作时产生过流。

由于本产品输入电源可以是12~24V的交/直流供电，而单片机实际需要的工作电压低，则前后压差大，因此为了让单片机系统正常工作，本设计先将经过桥路整流过的电源，输入到DC/DC转换电路后，再经过一个LDO，转成单片机所需的3.0V电压。

DC/DC芯片，这里推荐使用利尔达的DC/DC芯片LSD2DC-6401ADJ，输出电压可调，根据VOUT=1.23*(1+R0/R11)，这里Vpower输出大约在6V左右，这个电压主要给后端阀门工作使用。

LDO选择：对MSP430而言，工作电压只需要3.0V ，Vpower有6V，不能直接输入，故在Vpower后端通过一个LDO降压成MSP430所需要的电压，这里选HT7530-1，HT7530-1是盛群的一款低功耗的LDO，性价比也不错，其特性足以满足温控器的需求，具体应用电路如图3所示。

　　主控电路

本方案以MSP430F4152为例(也可以选用其他的MCU)，利用其内部的硬件UART与M-BUS电路通讯，软件通讯协议，市场上在供热计量领域应用最多的是CJ/T188-2004规约与EN13757规约，可以根据自身的需要添加，复位电路采用普通的RC组合方式即可。

测温电路

本方案测温采用的是桥路测温，如下图5所示，测温元件采用的是NTC热敏电阻，阻值选用10kΩ。测温桥路一端采用高精度的电阻作为AD采样的参考值，而他们的工作电压采用的是VCC，VCC可以通过一个PNP的三极管控制导通/截止，以便进行功耗管理;AD是利用MSP430F4152内部的10-BIT的硬件数转换模块进行采样，参考电压也选用VCC;通过这种设置，可以消除VCC自身波动引起的测量误差。

M-Bus通讯电路

暖通领域里面，为了与热量表系统能兼容，大多数工程采用M-Bus通讯，所以，本设计里面有线远传通讯里面也采用此方案，具体电路如图6所示，在M-Bus总线输入端，加入TVS管保护;M-Bus通讯芯片采用TI的TSS721A方案;TSS721A与单片机MSP430之间的通讯用光耦隔离，由于TSS721A通讯时数据有反射，这里硬件没有做处理，反射的数据会直接进入MSP430，因此在对MSP430进行通讯操作时，需对这些反射数据进行处理，以便保证数据通讯的正确性。

阀门控制电路

本设计选用的阀门采用的是市场常见的5V电动球阀，球阀驱动采用的是分立器件搭成的H桥驱动，如图7所示。H桥分为两个半桥并分开接不同的电源，Q60的E极与Vmotor相接，Q61的E极与Vpower相接;Vmotor与Vpower用一个二极管1N4007相接。C13为1F的超级电容，用于存储掉电开阀所需的能量。

系统供电正常情况下，阀门动作完毕后，MCU控制阀门的控制口MOTOR_OPEN与MOTOR_CLOSE都处于低电平状态，两个半桥桥路都不导通，电机保持之前的状态;当系统掉电时，Vpower电压下降接近0V，Vmotor由于有超级电容C13而继续存在，此时Q10会导通，从而使得Q60、Q63、Q65导通，电动球阀则开始执行自动开阀的动作，C13存储的能量足以维持进行一次的开阀动作的时间，整个掉电自动开阀的电路不需要MCU参与，从硬件实现自动开阀。

市场上常用来控制阀门驱动的H桥电路的电源是合在一块的，即Vmotor与Vpower连接在一起，而本设计将其分开，因为实际的操作过程中也有可能出现阀门正在关阀的时候掉电，此时如果H桥的电源连在一块，则势必会浪费存储在C13上的能量去完成一次关阀操作，然后再执行开阀，这样会造成能量的浪费，因此本设计将H桥分开供电，使系统有足够的能量保证阀门的正常自动开阀。

参考文献：
　　[1] TI, MSP430x41x Mixed Signal Microcontroller (Rev. J)[Z].2008-10-11
　　[2] TI,TSS721A Meter-Bus Transceiver (Rev. B)[Z].2010-11-09
　　[3] TI, MSP430x4xx Family User's Guide (Rev. J)[Z].2010-07-12
　　[4] 沈建华,杨艳琴,翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004
　　[5] 胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003