◎劉豐年

(三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息傳媒學(xué)院，河南 三門(mén)峽 472000)

我國(guó)北方地區(qū)冬季嚴(yán)寒干燥，取暖主要依賴(lài)于24小時(shí)的集中供暖，為人民營(yíng)造了舒適的生活環(huán)境。然而，由于人為損壞或管道老化，管道漏水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，另外現(xiàn)有暖氣供應(yīng)系統(tǒng)智能溫度調(diào)節(jié)功能的缺失和按面積收費(fèi)的暖氣管理模式的弊端[1]，無(wú)法實(shí)現(xiàn)分時(shí)段按需供暖，更無(wú)從談起節(jié)能環(huán)保，供熱效率較低，資源浪費(fèi)現(xiàn)象甚為嚴(yán)重[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年供暖耗煤1億噸，耗能熱達(dá)到100W/m2，相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家的3倍[3]。

為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境，就必須研究設(shè)計(jì)一種更合理、經(jīng)濟(jì)、人性化的供暖方式，及時(shí)監(jiān)控阻止漏水故障，真正實(shí)現(xiàn)智能化分時(shí)段按需供暖調(diào)節(jié)。為此，筆者以STC12C5A60S2單片機(jī)和Q941F電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為控制執(zhí)行單元，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種家庭暖氣智能監(jiān)測(cè)調(diào)控系統(tǒng)，通過(guò)CAMRY TS-2超聲波流量傳感器采集進(jìn)水出水流量，DS18B20溫度傳感器采集室內(nèi)溫度，根據(jù)流量、室內(nèi)溫度和設(shè)定溫度，調(diào)整電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，從而阻止漏水，分時(shí)段智能化調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，達(dá)到節(jié)能、人性化供暖目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

從生活中使用暖氣的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)控漏水，實(shí)現(xiàn)分時(shí)段差異化溫度的智能調(diào)節(jié)，提高暖氣利用率，節(jié)能減排，為人們創(chuàng)造舒適人性化的生活環(huán)境為目標(biāo)，本著準(zhǔn)確、可靠、兼容、可擴(kuò)展、操作方便的原則，采用信息傳感技術(shù)和控制技術(shù)，本系統(tǒng)應(yīng)包括：控制模塊、水流檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、動(dòng)作執(zhí)行模塊、時(shí)鐘模塊、人機(jī)交互模塊。

具體漏水故障監(jiān)控工作過(guò)程為：進(jìn)水流量傳感器采集15次進(jìn)水流量，延遲15秒后出水流量傳感器采集15次出水流量，將出水流量平均值與進(jìn)水流量平均值的90%進(jìn)行比較，若出水流量平均值小于進(jìn)水流量平均值的90%，則判斷為暖氣管道漏水，蜂鳴器報(bào)警，單片機(jī)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉進(jìn)水，人工排除漏水故障。溫度調(diào)節(jié)工作過(guò)程為：由于人們白天一般外出，家中無(wú)人，所以通過(guò)單片機(jī)設(shè)置早上7:00～下午5:00為關(guān)暖模式，溫度設(shè)定為14℃～16℃，下午5:00～早上7:00為開(kāi)暖模式，溫度上下限根據(jù)需要自行設(shè)定，如果白天家中有人，也可以通過(guò)人工干預(yù)方式調(diào)整關(guān)暖段和開(kāi)暖段，另外在客廳、臥室、衛(wèi)生間各布置一個(gè)DS18B20溫度傳感器實(shí)時(shí)采集室內(nèi)溫度，單片機(jī)根據(jù)3個(gè)采集溫度值的平均值與溫度上下限進(jìn)行比較，若室內(nèi)溫度平均值高于溫度上限，則控制Q941F電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)小15度，減小水流量，若室內(nèi)溫度平均值低于溫度下限，則控制Q941F電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)大15度，增大水流量。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)家庭暖氣的智能監(jiān)測(cè)調(diào)控，硬件設(shè)計(jì)必須遵循穩(wěn)定可靠、低功耗、可擴(kuò)展、易操作、兼容性好的原則，確保部件之間協(xié)調(diào)一致。

2.1 控制模塊

控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，也是決定系統(tǒng)功能好壞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)高速度、低功耗、抗干擾的要求，本系統(tǒng)選擇了完全與8051指令集兼容的增強(qiáng)版STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制單元。STC125A60S2單片機(jī)擁有1280字節(jié)RAM，4個(gè)16位定時(shí)器，8個(gè)速度可達(dá)到250K/S的10位精度ADC，2路PWM，7個(gè)外部I/O中斷口，3個(gè)時(shí)鐘輸出口，雙串口，工作電壓為5.5～3.3V，性?xún)r(jià)比較高。

單片機(jī)復(fù)位電路采用的是自動(dòng)復(fù)位，在復(fù)位引腳連接了一個(gè)10KΩ的下拉電阻和一個(gè)10μF的電容。晶振電路并聯(lián)兩個(gè)30pF電容實(shí)現(xiàn)，接入到單片機(jī)的P1.4和P1.5引腳。

2.2 水流檢測(cè)模塊

水流檢測(cè)模塊主要使用了兩個(gè)流量傳感器，一個(gè)采集進(jìn)水流量，一個(gè)采集出水流量。依據(jù)系統(tǒng)對(duì)材質(zhì)、精度、尺寸、安裝的要求，通過(guò)對(duì)各種類(lèi)型流量傳感器優(yōu)缺點(diǎn)的比較，筆者選擇了CAMRY TS-2超聲波流量傳感器，該傳感器精度在±1%，供電電壓為8～36V，流速為0～±30m/s，溫度為-40℃～150℃，數(shù)據(jù)接口為RS232，輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，所以必須通過(guò)信號(hào)調(diào)整電路LM324調(diào)整后接入單片機(jī)的ADC0和ADC1引腳[4]。在電路中通過(guò)串聯(lián)一個(gè)250Ω的電阻，將流量傳感器輸出的4～20mA電流轉(zhuǎn)換為1～5V電壓信號(hào)，運(yùn)放輸出與單片機(jī)的ADC0和ADC1引腳間分別串聯(lián)一個(gè)100KΩ的電阻。流量傳感器電路如圖2所示。

安裝時(shí)需采用外夾式V法，將暖氣管道外壁清理干凈，沿著與管道平行的方向?qū)⒘髁總鞲衅骼υ喂獭?/p>

2.3 溫度檢測(cè)模塊

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

圖2 流量傳感器電路

溫度檢測(cè)模塊主要用于采集室內(nèi)溫度，核心部件就是溫度傳感器。按照低功耗、穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)、體積小的要求，通過(guò)對(duì)各種溫度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，本文選擇了DALLAS發(fā)明的DS18B20溫度傳感器，該傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)就是通過(guò)一根數(shù)據(jù)線就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)它的讀寫(xiě)操作，直接輸出數(shù)字溫度，供電范圍為3～5V，可以直接通過(guò)總線供電，無(wú)需額外增加電源，可以選擇寄生工作方式，工作周期為750ms，溫度范圍在-55℃～+125℃，可以設(shè)定最大最小溫度閾值并報(bào)警，靈敏度好，性?xún)r(jià)比高，使用方便，接線簡(jiǎn)單，可以將多個(gè)DS18B20溫度傳感器連接到一個(gè)單片機(jī)上，單片機(jī)通過(guò)DS18B20溫度傳感器的編號(hào)來(lái)進(jìn)行識(shí)別[5]。連接時(shí)在VCC端連接+5V電源，DQ端接10KΩ的上拉電阻，GND接地。DS18B20溫度傳感器電路如圖3所示。

2.4 動(dòng)作執(zhí)行模塊

動(dòng)作執(zhí)行模塊主要是根據(jù)單片機(jī)的控制指令調(diào)節(jié)暖氣水流量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)漏水阻斷或溫度調(diào)節(jié)。動(dòng)作執(zhí)行模塊主要由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和電壓型D/A轉(zhuǎn)換器組成。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是用來(lái)控制流量的一種儀表，有驅(qū)動(dòng)裝置和閥體兩部分組成，驅(qū)動(dòng)裝置接收大小不同的動(dòng)力信號(hào)推動(dòng)閥體轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)水流大小。根據(jù)系統(tǒng)調(diào)控性能強(qiáng)、抗腐蝕性好、體積小的要求，本系統(tǒng)選擇了上海威爾頓閥門(mén)公司生產(chǎn)的Q941F電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，該調(diào)節(jié)閥采用304不銹鋼材質(zhì)，輸入信號(hào)為1-5V，電壓不同閥門(mén)的開(kāi)度也不同。本設(shè)計(jì)中使用了AD558電壓型D/A轉(zhuǎn)換器，芯片一側(cè)與單片機(jī)相連，另一側(cè)與電源、地和輸出相連。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制電路如圖4所示。

2.5 時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊主要是為系統(tǒng)提供各種定時(shí)服務(wù)，根據(jù)低功耗、高性?xún)r(jià)比的要求，本系統(tǒng)選擇了由DALLAS公司生產(chǎn)的DS1302時(shí)鐘芯片，其內(nèi)部自帶一個(gè)31×8的RAM，工作電壓2～5.5V，采用串行傳輸方式，一次可以傳送多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，接口簡(jiǎn)單，使用很方便，在連接時(shí)只需將DS1302時(shí)鐘芯片的I/O、RST和SCLK通過(guò)10KΩ的上拉電阻連接到單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2引腳上。

2.6 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊主要負(fù)責(zé)時(shí)間溫度的設(shè)定、數(shù)據(jù)的顯示和漏水報(bào)警，具體應(yīng)包括按鍵、液晶顯示屏和蜂鳴器。

按鍵：本系統(tǒng)采用的是獨(dú)立式按鍵，通過(guò)按鍵來(lái)設(shè)置暖氣開(kāi)放和關(guān)閉的時(shí)間，設(shè)置溫度的閾值，調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)。

圖3 DS18B20溫度傳感器電路

圖4 Q941F電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制電路

液晶顯示屏：按照低功耗、低電壓的要求，本系統(tǒng)選擇了12864液晶顯示屏，主要負(fù)責(zé)時(shí)間溫度設(shè)置狀態(tài)顯示、時(shí)間顯示、室溫顯示，12864液晶顯示屏擁有并行或串行多種接口方式，有豐富的漢字和字符集，分辨率為128×64，自帶DC/CD轉(zhuǎn)換電路，連接使用非常方便。12864液晶顯示屏電路如圖5所示。

蜂鳴器：蜂鳴器主要是對(duì)漏水故障信號(hào)進(jìn)行報(bào)警。蜂鳴器報(bào)警電路如圖6所示。

圖5 12864液晶顯示屏電路

圖6 蜂鳴器報(bào)警電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件是在keil μvision5環(huán)境下，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)的，整個(gè)程序主要就是實(shí)現(xiàn)漏水監(jiān)控和分時(shí)段室內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，具體應(yīng)包括主程序、溫度調(diào)節(jié)程序和漏水監(jiān)控程序。主程序流程如圖7所示。

溫度調(diào)節(jié)程序工作流程為首先判斷是否在下午5:00～早上7:00范圍內(nèi)，如果在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)就進(jìn)入開(kāi)暖模式，將溫度傳感器采集到的溫度平均值與溫度上下限（可以自行設(shè)定）進(jìn)行比較，如果高于上限，則控制Q941F電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)小15度，減小水流量，調(diào)低溫度，否則如果低于下限，則控制Q941F電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)大15度，增大水流量，調(diào)高溫度；如果不在下午5:00～早上7:00范圍內(nèi)，執(zhí)行關(guān)暖模式，過(guò)程與開(kāi)暖段程序類(lèi)似。溫度調(diào)節(jié)程序流程如圖8所示。

漏水監(jiān)控程序工作流程為進(jìn)水流量傳感器采集15次進(jìn)水流量，延遲15秒出水流量傳感器采集15次出水流量，單片機(jī)處理采集數(shù)據(jù)，將出水流量平均值與進(jìn)水流量平均值的90%進(jìn)行比較，若出水流量平均值小于進(jìn)水流量平均值的90%，則判斷為暖氣管道漏水，蜂鳴器報(bào)警，單片機(jī)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉進(jìn)水，阻斷漏水。漏水監(jiān)控程序流程如圖9所示。

圖7 主程序流程

圖8 溫度調(diào)節(jié)程序流程

圖9 漏水監(jiān)控程序流程

4 系統(tǒng)仿真測(cè)試

本系統(tǒng)的調(diào)試主要包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)合調(diào)試。硬件調(diào)試環(huán)境為proteus v8.2，按照硬件電路的設(shè)計(jì)方案，在proteus v8.2環(huán)境中完成硬件電路繪制，并測(cè)試通過(guò)。然后在keil μvision5環(huán)境中完成軟件的調(diào)試編譯，并將生產(chǎn)的HEX文件加載到STC125A60S2單片機(jī)中進(jìn)行模擬仿真，仿真效果符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

設(shè)置系統(tǒng)開(kāi)暖段（下午5:00～早上7:00）的溫度上限為22℃，溫度下限為20℃，關(guān)暖段（早上7:00～下午5:00）的溫度上限為16℃，溫度下限為14℃，在面積為126的房間中用溫度計(jì)分別采集衛(wèi)生間、客廳、主臥中一天內(nèi)不同時(shí)間的溫度值，測(cè)試結(jié)果如下表所示。

溫度測(cè)試結(jié)果表

通過(guò)上表可以看出各時(shí)間點(diǎn)的溫度均在控制溫度范圍內(nèi)，衛(wèi)生間溫度最高，主臥溫度最低，符合實(shí)際。系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，控制準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了解決傳統(tǒng)家庭供暖系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)漏水監(jiān)控和按需供暖造成的能源浪費(fèi)問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種家庭暖氣智能監(jiān)測(cè)調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)和Q941F電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為控制執(zhí)行單元，通過(guò)CAMRY TS-2超聲波流量傳感器采集進(jìn)水出水流量，DS18B20溫度傳感器采集室內(nèi)溫度，根據(jù)流量、室內(nèi)溫度和設(shè)定溫度，調(diào)整電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，從而阻止漏水，分時(shí)段智能化調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，達(dá)到節(jié)能、人性化供暖目的。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行穩(wěn)定，真正實(shí)現(xiàn)了漏水監(jiān)控和分時(shí)段人性化的室溫調(diào)控，節(jié)能效果明顯，應(yīng)用前景廣闊，具有一定的實(shí)際推廣價(jià)值。