室內暖氣智能調節系統

劉　琪　王　利　侯　杰

(中北大學機電工程學院1，山西 太原　030051；濟南輸油管理處2，山東 濟南　250000)

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室內暖氣智能調節系統

劉琪1王利1侯杰2

(中北大學機電工程學院1，山西 太原030051；濟南輸油管理處2，山東 濟南250000)

針對現有供暖系統不能根據室內溫度變化、用戶供暖需求來靈活設置供熱方式及供暖時間段而造成能源嚴重浪費這一問題，設計了一套基于程序控制暖氣流量且具有自動、低溫、舒適和手動四種工作模式的室內暖氣智能調節系統。該系統能夠不斷采集室內溫度，控制微型電動閥開度，調節流入室內管網熱流量，實現室內溫度與設定溫度的調節控制。試驗結果表明，該系統能精準地控制室內溫度，達到了為用戶分時按需供熱、節約能源的目的。

溫度傳感器供暖系統暖氣流量溫度控制閉環控制溫度采集智能調節

0　引言

冬季供暖是我國北方地區必不可少的民生措施，目前主要采用全天集中供暖的方式。但是在這種供暖形式下，室內溫度無法按照用戶的需求設定，容易造成身體不適；全天供暖能源利用率比較低，容易造成嚴重資源浪費。目前，國內外對暖氣節能的研究較多，但是成本高、單一化，不能滿足不同用戶的需求。為了解決暖氣系統存在的上述問題，本文設計了一種溫度控制準確、功能齊全、成本低、操作簡單的分時按需智能調節系統。

系統共分四種工作模式。

①自動工作模式。它是針對用戶上班的情況進行的控制，在上班時間段按舒適溫度供暖，保持舒適的室溫；其余時間段進行低溫供暖。

②舒適工作模式。它是針對用戶周末放假在家的情況進行的控制，全天都按舒適溫度供暖。

③低溫工作方式。它是針對用戶出游不在家、公司放假等室內無人的情況進行的控制，即全天24h都以較低的溫度供暖，維持管道內水的循環。

④手動工作方式。它是針對特殊情況進行的控制，可以手動調節供暖的時間和方式，以滿足用戶的不同需求。

這四種工作模式解決了傳統供暖存在的能源浪費的問題，使供暖更加合理，最大限度地降低了暖氣的耗費。此外，系統采用閉環回路控制，對室內溫度的控制更加準確[1]。

1　系統概述

1.1系統設計原理

系統設計原理如圖1所示。

圖1　系統設計原理圖

系統可同時檢測用戶家中任意兩處室內溫度，由模擬開關對兩路溫度進行切換，通過液晶顯示器顯示溫度，計算兩路溫度平均值，并與設定溫度比較。根據比較結果控制電動閥開度，最終將室內溫度控制在設定溫度，存在0.2K的偏差[2]。

1.2系統總體結構設計

系統主要包括溫度采集模塊、人機交換模塊、時間模塊、微型電動閥控制模塊和電源模塊。人機交互換模塊包括按鍵模塊和液晶顯示模塊[3]。

采用單片機C8051F020作為主要控制單元，通過溫度傳感器Pt1000熱敏電阻，把采集到的溫度(模擬量)經過單片機內部的A/D轉換器轉換成數字量;然后再由單片機根據采集到的溫度值來控制其他量，并將結果傳送到單片機控制的主控器件上；溫度通過液晶顯示屏顯示，并可以通過按鍵來調整。

2　系統硬件設計

2.1硬件選擇

C8051F020器件是Cygnal公司推出的一種混合信號系統級單片機。C8051F020內部集成了A/D轉換器，轉換器內部還有增益放大器，使用非常方便[4]。

DS1302是一種涓細電流充電的實時時鐘芯片,可以通過與芯片的通信來訪問芯片內的31B靜態RAM和實時時鐘/日歷,進而獲取實時的日期和時間[5]。

CD4052是一種多路模擬選擇開關，它最多可控制四條電路，并且只允許其中一條電路導通或者沒有電

路導通。

12864液晶顯示屏是一種帶中文字庫的液晶顯示模塊，它內部置有ASCII碼和漢字，便于進行文字顯示。

TA8050P是一個能驅動1.5A直流電動機的芯片，它的兩個輸入端口受TTL電平控制，故能直接被單片機的I/O口控制。

2.2主要硬件設計

2.2.1時間電路設計

使用時間芯片DS1302時，引腳X1和X2需要外接32.768kHz晶振，GND接數字地[6]。Vcc2接+5V電源。為了使時間芯片在Vcc2斷電后仍能正常運行一段時間，系統在器件的Vcc1引腳接了一個大的電解電容。當正常工作時，電解電容處于充電狀態，一旦電源斷電，電解電容便會慢慢放電，以維持芯片繼續工作。此外，DS1302的SCLK、SIO、CE引腳分別與單片機的P3.5、P3.6、P3.7引腳連接。

2.2.2溫度采集電路設計

溫度采集模塊選擇溫度傳感器Pt1000熱敏電阻，0 ℃時，其阻值為1 000Ω，阻值隨著溫度上升而勻速增大[7]。

由歐姆定律可知，當恒定的電流流過Pt1000熱敏電阻時，電阻兩端電壓與電阻成正比，故可利用C8051F020單片機中的A/D轉換器直接讀取Pt1000熱敏電阻兩側的電壓值。通過計算和查表，即可得出此時熱敏電阻的阻值及對應溫度。

溫度采集模塊電路設計如圖2所示。

圖2　溫度采集模塊電路設計圖

下文具體介紹溫度采集模塊每一部分的電路設計原理。

①恒壓源。運用LM336Z-5.0穩壓二極管，從12V的電源中提取出5V電壓，為運算放大器(U1A和U1B)的輸入端提供電壓。

②恒流源。運用LM358芯片內的一個運放，由12V的電源為其供電。在電壓電流轉換電路中，R4要遠遠大于負載電阻阻值。由于負載電阻約為2kΩ，故可以選擇阻值為1MΩ的電阻。流過R23的電流是恒定的，為0.5mA；流過R2的電流很小，可以忽略不計，故此電路可以作為一個恒流源。

③模擬開關控制。模擬開關與兩路溫度傳感器相連，是把兩路溫度轉化到一條電路上的關鍵。CD4052芯片的X引腳和Y引腳共有四個，它的A、B兩個引腳接主控制器，由單片機控制通道的打開與閉合。該接線可以測出溫度的準確值，在同一溫度下，測量得到的電壓幾乎是完全相同的。

④差動放大電路。該電路可提高系統測量的準確性，使系統達到最優化。由測量得到鉑電阻兩端的電壓約為0.4～0.7V，因為單片機輸入端的電壓最大不能超過3V，直接放大電壓僅能放大4倍，不能使系統最優化。為提高系統測量準確性，可使用減法運算電路，即在集成運算放大器的反向輸入端加上0.4V的電壓，把采集后的電壓減去0.4V后再進行放大，就能夠放大十倍。為使單片機不受損害，在接入單片機A/D轉換器端口處使用一個3V的穩壓二極管,起到保護作用。

2.2.3電動閥電路設計

電動閥電路模塊選用型號為CWX-20P-CR01-12V的微型電動閥。其電動機受兩線控制，供電電源是12V直流電壓。將TA8050A芯片的DI1、DI2端分別與單片機的P2.1和P2.2連接，直接控制芯片，進而控制電動閥。DI1、DI2為控制端，M(+)、M(-)為輸出端。輸出端控制電動閥內小型直流電動機的正轉反轉及停止。具體描述如下：

當DI1=1、DI2=1時，M(+)=0 、M(-)=0，電動機停止；當DI1=0、DI2=1時，M(+)=0 、M(-)=1，電動機反轉；當DI1=1、DI2=0時，M(+)=1、M(-)=0，電動機正轉；當DI1=0、DI2=0時，M(+)、M(-)呈高阻狀態，電動機停止。

普通發光二極管作為指示燈，將其串聯1 kΩ限流電阻，然后并連到M(+)、M(-)兩端。當電動機正轉時，D2發光二極管亮；當電動機反轉時，D1發光二極管亮[8]。

2.2.4人機交換模塊

人機交換模塊的電路設計主要是按鍵電路部分。按鍵電路設計中可使用的單片機I/O口很多，且按鍵數非常少，為使編程簡單化，可采用獨立式鍵盤。具體設計原理如下。當沒有鍵按下時，單片機和鍵盤相連的六個輸入/輸出口接收到的電平都為高電平；一旦按下某一按鍵，與此按鍵相連的輸入輸出口就會被下拉成低電平。此時八位與非門芯片74HC30只要接收到一個低電平，就會向外輸出高電平；經兩位與非門芯片74HC00轉變后變成低電平，由此觸發單片機的中斷。單片機中斷后，檢查六個I/O便可知是哪個按鍵被按下，最后作出相應的響應[9]。

3　系統軟件設計

系統軟件部分主要有溫度采集模塊、時間模塊和微型調節閥開度控制模塊。系統主程序流程如圖3所示。

圖3　系統主程序流程框圖

首先，由于這是智能暖氣調節系統，故要對溫度進行采集和分析，需要有獲取溫度的子程序。其次，實現系統對溫度按時間的智能控制，就必須獲取時間信息，需要有從時間芯片中讀取時間信息和向時間芯片中寫入數據的子程序。再次，為了對時間進行調整、對系統進行設置，需要一個進行人機交互的裝置，所以讀取按鍵相應的子程序也是必不可少的。最后，由主程序來調度各個子程序的運行，從而實現相應功能。

3.1DS1302時間程序

有關時間的子程序主要有時間的初始化子程序、寫入時間和日期的子程序及讀取日期和時間的子程序。在時間的初始化子程序中，主要是設置時間的形式。寫入時間和日期的子程序主要是應用在時間和日期需要改變時(如系統剛運行時要對時間和日期賦予初值)、當采用鍵盤對時間和日期進行調整時。讀取時間和日期子程序是最重要的，因為時間一直顯示當前的值，所以讀取程序就必須一直保持循環運行。

3.2溫度采集過程

采用Pt1000溫度傳感器來檢測溫度，用一套電路測量兩路溫度，由模擬多路開關CD4052芯片對兩路溫度進行切換，并通過液晶顯示器對溫度進行顯示。兩路溫度的切換受單片機控制，模擬多路開關的CHS_A引腳受單片機P1.1引腳控制，CHS_B引腳受單片機的P2.6引腳控制。單片機可通過控制兩個引腳的高低電平來開啟不同通路，采集不同的溫度。前提是第六引腳INH為低電平。如果第六引腳為高電平，則無論A引腳與B引腳怎么組合，都沒有任何一個通路導通。

在本系統中，當CHS_A為高電平、CHS_B為低電平時，采集室內1的溫度；當CHS_A、CHS_B為高電平時，采集室內2的溫度。

3.3微型電動閥開度控制

暖氣流量大小由微型電動閥開度大小決定。為提高室內溫度控制的準確度，系統采用閉環回路控制，不斷采集兩處室內溫度，并進行理論計算得出檢測溫度。

在舒適模式下，當檢測溫度高于設定溫度1 ℃時，電動閥完全閉合；當檢測溫度低于設定溫度1 ℃時，電動閥完全打開；當溫度在設定溫度上下浮動1 ℃時，以0.2 ℃為單位基準。當室內溫度低于設定溫度0.8～1 ℃時，電動機反轉，微型電動閥開始緩慢開啟，經過設定時間0.034 4 s后停止；當室內溫度低于設定溫度0.6～0.8 ℃時，電動機反轉，微型電動閥開度進一步增大，設定時間到達后停止。以此類推，當室內溫度上升到設定溫度、上下浮動0.2℃時，電動機停止轉動，微型電動閥開度保持不變。當室內溫度高于設定溫度0.2～0.4 ℃時，電動機正轉，微型電動閥開度緩慢減小，設定時間到達后停止。

舒適模式程序代碼如下。

void comfort()

{if((TE<(ST+1))||(TE>(ST-1)))

{if((TE>(ST-1))&&(TE<=(ST-0.8)))

{out1=0;out2=1;

for(k=10;k>0;k--)

for(k=110;k>0;k--)

for(k=500;k>0;k--);

out1=out2=0;}

if((TE>(ST-0.8))&&(TE<=(ST-0.6)))

……

if((TE>=(ST-0.2))&&(TE<=(ST+0.2)))

{out1=out2=0;}

if((TE>(ST+0.2))&&(TE<=(ST+0.4)))

{out1=1;out2=0;

……}

if(TE>=(ST+1))

{DAValue=4095;

out1=1;

out2=0;}

if(TE<=(ST-1))

{DAValue=0;

out1=0;

out2=1;}}}

低溫模式時，以1 ℃為單位基準，系統低溫模式的溫度設置為20 ℃。當溫度在19～21 ℃時，微型電動閥開度不變；當溫度高于21 ℃時，電動閥完全閉合；當溫度低于19 ℃時，電動閥完全打開[10]。

低溫模式代碼如下。

void low()

{ if((TE<(20+1))||(TE>(20-1)))

{out1=0;

out2=0;}

if(TE>=21)

{out1=1;

out2=0;}

if(TE<=19)

{out1=0;

out2=1;}

}

4　試驗結果

試驗結果表明，系統具有操作簡單、功能齊全、室溫控制準確度高等特點。

(1)操作簡單、功能齊全。

系統操作簡單主要體現在人機交換模塊。中文液晶顯示屏可以顯示時間、日期、兩處室內溫度、用戶設定溫度、工作模式等運行參數。六個按鍵負責轉換各種工作模式，調整時間、日期以及各時間段工作狀態等。

系統功能齊全主要體現在工作模式有自動、低溫、舒適和手動四種，能對不同模式下的溫度進行差異化設置。①舒適模式下，當檢測溫度低于設定溫度1 ℃以上時，閉環回路不斷對室內溫度檢測，控制電動機反轉約0.034 4 s，電動閥開度增大；反之，檢測溫度高于設定溫度1 ℃時，閉環回路不斷對室內溫度檢測，控制電動機正轉約0.034 4 s，電動閥開度減小。②低溫模式下，檢測溫度在設定溫度上下浮動1 ℃時，電動閥開度不變;檢測溫度低于設定溫度1 ℃時，電動閥完全開啟；檢測溫度高于設定溫度1 ℃時，電動閥完全閉合。③手動模式下，可根據用戶需要設定舒適時間段的低溫時段。④自動模式下，可根據用戶需要設定舒適時間段和低溫時間段。

(2)室溫控制準確度高。

通過測量一天中不同時刻下兩室內溫度，計算室溫平均值與設定溫度之間的相對誤差。測量結果如表1所示。

表1不同時刻的實際溫度和設定溫度

Tab.1The actual temperature and the set temperature on different times

時刻T設/℃T室1/℃T室2/℃相對誤差/%0:0025.025.224.60.3982:0025.025.024.51.0105:0025.025.124.70.3987:0025.024.824.61.2158:0016.016.316.52.43910:0016.016.016.30.04512:0016.015.817.01.23514:0016.015.916.40.92916:0016.015.816.71.53818:0025.024.625.50.20020:0025.024.925.50.79422:0025.025.125.40.990

在8：00～17：00之間設定低溫為16 ℃，其他時間段設定舒適溫度為25 ℃，室溫均值的相對誤差在2.5%以內。設定溫度與兩室內溫度吻合較好，故系統對室內溫度控制的準確度高。

5　結束語

本文介紹了一種基于程序控制暖氣流量大小，且

具有自動、低溫、舒適和手動四種工作模式的室內暖氣智能調節系統。系統采用閉環回路，能精準地控制室內溫度。系統根據室內設定溫度與測控電路測得的實際溫度，自動調節電動閥的開度大小，保證穩定的供水流量，避免因用戶室內持續滿流量而造成的能源浪費。系統的四種工作模式能滿足不同用戶的需求，可用于家庭、辦公室、工廠等場所，實現了暖氣的智能控制[8-13]，能有效改善傳統集中供暖方式的能源浪費情況，節約資源。從長遠角度分析，系統有效地運用了智能控制原理。該系統在暖氣節能方面有顯著的社會意義和經濟意義，市場應用前景廣泛。

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IntelligentRegulationSystemofIndoorHeating

Theexistingheatingsystemscannotflexiblysetuptheheatingmodeandheatingperiodaccordingtotheinteriortemperaturechangeandtheheatingrequirementsofusers，thuscauseseriousenergywastage.Tosolvetheseproblems,asetofintelligentregulationsystemofindoorheatingisdesigned.Thesystemcontrolstheheatingflowbyprogramming,andoffersfourkindsofworkingmodes,includingautomatic,lowtemperature,comfortable,andmanualoperations.Thissystemcancontinuouslycollecttheindoortemperature,regulateopeningofthemicro-electricvalve,adjustheatingflowoftheindoorpipeline,andrealizethecontrolandregulationofindoortemperatureandsetpointoftemperature.Experimentalresultsshowthatthesystemcanaccuratelycontroltheindoortemperature,andthesystemisachievingthepurposesoftimesharingandon-demandheatingforusersaswellasenergysavings.

TemperaturesensorHeatingsystemHeatingflowTemperaturecontrolClosed-loopcontrolTemperatureacquisitionIntelligentregulation

劉琪(1990—)，女，現為中北大學機械電子專業在讀碩士研究生；主要從事機電控制技術的研究。

TH7;TP271+.5

ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201609023

中北大學研究生科技基金資助項目(編號：20151204)。

修改稿收到日期：2016-01-18。