基于STC單片機(jī)的溫控?zé)嵊?jì)費(fèi)采暖閥門(mén)的設(shè)計(jì)

李開(kāi)元 ，劉洪運(yùn) ，王衛(wèi)東 ，劉光榮

（1.解放軍總醫(yī)院生物醫(yī)學(xué)工程研究室，北京100853；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049）

目前市場(chǎng)上供熱系統(tǒng)按熱量消耗單獨(dú)計(jì)費(fèi)及根據(jù)室內(nèi)溫度調(diào)控?zé)崃抗┙o的產(chǎn)品，大多都是通過(guò)溫度測(cè)量反饋調(diào)整室內(nèi)暖氣入水口閥門(mén)開(kāi)啟程度來(lái)調(diào)控室溫，而用熱的計(jì)費(fèi)則是根據(jù)閥門(mén)開(kāi)啟大小估算熱水流量并結(jié)合供熱時(shí)間來(lái)計(jì)費(fèi)。室內(nèi)熱量的消耗即為流過(guò)室內(nèi)各組暖氣的熱水放出的熱量，它與熱水的流量、進(jìn)出戶的水溫差以及時(shí)間成正比，而熱量的計(jì)費(fèi)應(yīng)當(dāng)是綜合上述諸多因素，僅僅以流量或使用時(shí)間進(jìn)行計(jì)費(fèi)有失準(zhǔn)確。當(dāng)然這種熱量消耗與供熱的取暖效果也不完全一致，它還取決于房間的布局以及散熱等多重因素[2]。

針對(duì)市場(chǎng)上大部分產(chǎn)品的缺陷，本文提出了一種基于STC單片機(jī)的溫控采暖閥門(mén)的設(shè)計(jì)，其室溫調(diào)控仍采用通過(guò)對(duì)室溫的測(cè)量調(diào)節(jié)入水流量的方案，而供熱計(jì)費(fèi)則充分考慮了入水流量及進(jìn)出戶水溫度差，供熱計(jì)費(fèi)引入的供熱系數(shù)，則由當(dāng)?shù)厝剂蟽r(jià)格、燃料燃燒值、供熱效率等綜合因素確定。閥門(mén)電路的核心器件為STC系列單片機(jī)，具有功耗低、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，比較適用于供熱環(huán)境。

1 閥門(mén)總體設(shè)計(jì)

1.1 基本功能

溫控采暖閥門(mén)具備如下兩個(gè)基本功能，室溫調(diào)控和供熱計(jì)費(fèi)。

供熱系統(tǒng)的入室閥門(mén)設(shè)在住戶室外的管道井中，因此需有無(wú)線連接的遙控器配合調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，遙控器內(nèi)置的溫度傳感器測(cè)量室內(nèi)溫度，根據(jù)用戶設(shè)定的需求溫度來(lái)調(diào)節(jié)室外管井中閥門(mén)的熱水流量，從而達(dá)到室溫調(diào)節(jié)的目的。

圖1 溫控閥門(mén)系統(tǒng)框圖

供熱計(jì)費(fèi)系統(tǒng)由流量計(jì)、入水口/出水口溫度傳感器組成，微控制器按一定周期采集實(shí)時(shí)的流量和溫度差，用以計(jì)算產(chǎn)生的費(fèi)用，計(jì)算如公式(1)。其中M為t1到t2時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的用熱費(fèi)用，K為供熱系數(shù)，由地方供熱部門(mén)根據(jù)各地實(shí)際情況確定，Tin，Tout為入水/出水口溫度，I為當(dāng)時(shí)測(cè)量的流速。

1.2 附加功能

考慮到該閥門(mén)應(yīng)用于家庭用戶，但管理者為當(dāng)?shù)毓┡块T(mén)，因此針對(duì)使用和管理雙方利益，增加如下功能。

1.2.1 IC卡預(yù)付費(fèi)功能

通過(guò)IC卡實(shí)現(xiàn)購(gòu)買(mǎi)供熱熱量并對(duì)閥門(mén)進(jìn)行充值操作，閥門(mén)根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)費(fèi)情況進(jìn)行費(fèi)用扣除，供暖季結(jié)束后，用戶可通過(guò)IC卡將閥門(mén)剩余金額回寫(xiě)到IC卡內(nèi)，用于退費(fèi)。

1.2.2 防凍功能

當(dāng)閥門(mén)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)的費(fèi)用不足時(shí)，閥門(mén)在提示金額不足后關(guān)閉，為了避免室內(nèi)溫度過(guò)低凍壞管道，增加了防凍功能，即在出水口溫度低于8℃時(shí)，閥門(mén)開(kāi)啟一定角度，若溫度仍有下降，閥門(mén)逐漸開(kāi)大，以確保用戶長(zhǎng)時(shí)間離家無(wú)法充值或用戶自行關(guān)閉閥門(mén)設(shè)備后室內(nèi)管道上凍損壞。

1.2.3 除水垢功能

如果閥門(mén)長(zhǎng)期處于固定角度開(kāi)啟，則容易在閥門(mén)內(nèi)積生水垢，不但增大了閥門(mén)開(kāi)/閉的阻力，也容易造成驅(qū)動(dòng)閥門(mén)的電機(jī)過(guò)熱燒毀。因此微控制器定期將閥門(mén)旋轉(zhuǎn)數(shù)周，避免閥門(mén)內(nèi)水垢過(guò)多聚積。

1.2.4 供熱系數(shù)便捷修正功能

由于供熱系數(shù)為供熱部門(mén)或政府機(jī)構(gòu)根據(jù)當(dāng)年燃料因素、供熱效率甚至小區(qū)布局及樓層等方面確定，因此會(huì)造成逐年修正，為了避免修正系數(shù)帶來(lái)的程序升級(jí)的麻煩，本系統(tǒng)將供熱系數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)存放于IC卡內(nèi)，用戶在購(gòu)熱時(shí)，便由供暖部門(mén)將當(dāng)年的系數(shù)寫(xiě)入卡內(nèi)，用戶充值時(shí)，閥門(mén)系統(tǒng)即可讀出，用于熱量費(fèi)用計(jì)算。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

溫控閥門(mén)系統(tǒng)框圖如圖1所示，由閥門(mén)系統(tǒng)和遙控器構(gòu)成。閥門(mén)系統(tǒng)包括球閥、控制模塊、無(wú)線模塊、溫度采集模塊和流量采集模塊；遙控器主要包括溫度采集模塊、IC卡讀卡模塊、顯示模塊和無(wú)線模塊。

2.1 閥門(mén)系統(tǒng)

2.1.1 球閥與控制模塊

控制模塊采用STC系列單片機(jī)STC89LE52，這款3.3 V工作、PQFP封裝的小型單片機(jī)功耗低(工作電壓4 mA～7 mA)，抗干擾能力強(qiáng)(1.9 V～4 V可工作，抗2 000 V快速脈沖干擾)，自動(dòng)加密，且通過(guò)串口即可下載程序，方便升級(jí)。

單片機(jī)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片CR7010控制與球閥軸相連的減速電機(jī)正向/逆向旋轉(zhuǎn)[3]來(lái)調(diào)整閥門(mén)開(kāi)啟程度，與球閥同軸相連的一片鋸齒圓盤(pán)依靠光電開(kāi)關(guān)來(lái)限位，如圖2所示。

圖2 閥門(mén)開(kāi)啟控制

2.1.2 采集模塊

溫控閥門(mén)系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)為當(dāng)前的入水口溫度、出水口溫度和流量。

溫度傳感器采用LM75，這是一款價(jià)格低廉的I2C協(xié)議溫度傳感器[4]，精度為0.5℃，滿足水溫及室內(nèi)溫度測(cè)量。而根據(jù)使用習(xí)慣，本系統(tǒng)顯示的溫度值精度為1℃。流量傳感器采用韋根傳感器WG112，直接將閥門(mén)內(nèi)渦輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，由單片機(jī)計(jì)數(shù)器采集轉(zhuǎn)換，即可得到閥門(mén)流量。

2.1.3 無(wú)線模塊

遙控器與閥門(mén)的通信采用2.4 GHz射頻通信模式，射頻芯片采用nRF2401[5]，這款芯片功耗低(在-5 dBm的發(fā)射功率下工作電流僅為10.5 mA)，體積小(僅為5 mm×5 mm)。單片機(jī)與nRF2401間的通信為串行通信，射頻的頻道、校驗(yàn)地址碼和發(fā)射功率均由單片機(jī)串行配置。為了避免相鄰用戶間相互干擾，每個(gè)用戶的校驗(yàn)地址碼均在第一次購(gòu)買(mǎi)熱量時(shí)由管理中心按照用戶信息寫(xiě)在用戶的IC卡內(nèi)（同時(shí)作為用戶ID號(hào)），首次使用前用戶通過(guò)數(shù)據(jù)線將遙控器和閥門(mén)連接進(jìn)行地址注冊(cè)，即可為其配置好唯一的校驗(yàn)地址，避免了因每套設(shè)備單獨(dú)燒制校驗(yàn)地址帶來(lái)的麻煩。

2.2 遙控器

2.2.1 控制模塊和射頻模塊

遙控器的單片機(jī)和射頻芯片同樣采用STC89LE52和nRF2401，IC卡使用西門(mén)子的SLE4442[6]，其內(nèi)部256 B的EEPROM足以滿足用戶ID號(hào)、金額、相關(guān)系數(shù)等信息的存儲(chǔ)。另外，同樣使用一片LM75作為室內(nèi)溫度的采集。

按鍵K1～K4實(shí)現(xiàn)控制操作，定義如下：

長(zhǎng)按 K1：開(kāi)/關(guān)機(jī)；

短按 K1：查詢余額、流量；

長(zhǎng)按K4：查詢并調(diào)整檔位；

短按K4：查詢并設(shè)定溫度；

K2：升高溫度（設(shè)定溫度時(shí)）、充值（IC卡插入時(shí)）；

K3：降低溫度（設(shè)定溫度時(shí)）、回寫(xiě)（IC卡插入時(shí)）。

2.2.2 顯示模塊

顯示模塊需顯示室內(nèi)溫度、用戶設(shè)定溫度、IC卡內(nèi)金額、閥門(mén)存儲(chǔ)器內(nèi)余額、當(dāng)前流量等數(shù)據(jù)信息（當(dāng)讀取閥門(mén)檔位時(shí)顯示檔位信息），并要顯示插卡錯(cuò)誤、溫度設(shè)定過(guò)高、余額不足、電量不足、充值或回寫(xiě)成功等提示信息。單片機(jī)通過(guò)IO口控制LCD驅(qū)動(dòng)芯片HT1621來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶屏的控制[7]，設(shè)計(jì)中液晶屏為26段段碼屏，通過(guò)4-com線與22-seg線實(shí)現(xiàn)上述信息的顯示，HT1621的控制為串行通信，節(jié)約了單片機(jī)的IO口。

3 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)格式

IC卡作為存儲(chǔ)用戶ID號(hào)、費(fèi)用等信息的載體，系統(tǒng)對(duì)其數(shù)據(jù)格式的定義如表1所示。

金額采用浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，為管理中心購(gòu)熱后充入的費(fèi)用。當(dāng)取暖季結(jié)束后，用戶如做金額回寫(xiě)操作，即可將溫控閥門(mén)剩余費(fèi)用回寫(xiě)至卡內(nèi)，用于退費(fèi)等需求。

用戶ID號(hào)為5字節(jié)數(shù)據(jù)，為用戶在管理中心數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)相關(guān)信息的登記號(hào)，并在第一次購(gòu)熱操作時(shí)由管理中心設(shè)定，在第一次對(duì)閥門(mén)充值時(shí)將ID號(hào)寫(xiě)入遙控器和閥門(mén)的存儲(chǔ)器內(nèi)。此時(shí)，用戶ID號(hào)亦作為IC卡、遙控器、閥門(mén)的唯一識(shí)別碼，避免了IC卡的混用和無(wú)線通信的干擾。

表1

供熱系數(shù)3字節(jié)，包括熱力系數(shù)、壓力系數(shù)和效率系數(shù)（也可作其它定義），由管理中心根據(jù)實(shí)際情況確定后在用戶購(gòu)熱時(shí)設(shè)定。

工程碼是維護(hù)人員所持工程卡專用，可將閥門(mén)存儲(chǔ)器內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化操作。

校驗(yàn)碼為金額數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和，在寫(xiě)卡時(shí)避免數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

讀卡后，單片機(jī)將數(shù)據(jù)信息存入存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)格式如表2。

表2 數(shù)據(jù)格式

標(biāo)志位用作閥門(mén)是否第一次使用的標(biāo)識(shí)，用來(lái)判斷是否對(duì)閥門(mén)系統(tǒng)的ID號(hào)進(jìn)行更新。

由于nRF2401集成的 shockburstTM發(fā)射/接收模式僅需要用戶配置好寄存器內(nèi)發(fā)射頻道、數(shù)據(jù)寬度、地址寬度、發(fā)射功率等信息后即可直接將數(shù)據(jù)寫(xiě)入寄存器發(fā)射，本系統(tǒng)選用5字節(jié)地址，12字節(jié)數(shù)據(jù)，地址即用戶ID號(hào)。通信數(shù)據(jù)格式如表3。

表3 通信數(shù)據(jù)格式

其中命令字：

0：充值，1：回寫(xiě)，2：讀取金額和流量，3：讀取檔位，4：更新溫度，5：調(diào)整閥門(mén)檔位，6：更新系數(shù)，7：余額不足，8：電量不足。

3.2 程序流程

3.2.1 遙控器程序設(shè)計(jì)

遙控器實(shí)現(xiàn)如下功能：用戶設(shè)定溫度、根據(jù)室溫調(diào)控閥門(mén)流量、讀寫(xiě)IC卡、讀出當(dāng)前閥門(mén)流量等，費(fèi)用值、系數(shù)值等都存儲(chǔ)在閥門(mén)的存儲(chǔ)器上，遙控器只是在用戶需要時(shí)通過(guò)無(wú)線讀出閥門(mén)系統(tǒng)的信息。

3.2.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

圖3和圖4為系統(tǒng)遙控器部分和閥門(mén)部分的主要程序流程圖，遙控器通過(guò)4個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)了的溫度設(shè)定、充值、回寫(xiě)以及閥門(mén)手動(dòng)調(diào)節(jié)等功能，接收到閥門(mén)發(fā)出的欠費(fèi)、電量不足等報(bào)警信息時(shí)能夠予以警示，在定時(shí)器啟動(dòng)后則通過(guò)對(duì)比設(shè)定溫度與室溫的溫差控制閥門(mén)調(diào)整流量。當(dāng)用戶插上IC卡，系統(tǒng)識(shí)別供熱系數(shù)是否改變，如有改變則向閥門(mén)發(fā)送更新系數(shù)命令，而后等待用戶的充值或回寫(xiě)操作。閥門(mén)部分實(shí)現(xiàn)了流量及供暖入戶水溫和出戶水溫的測(cè)量并定時(shí)計(jì)費(fèi)，在定時(shí)器啟動(dòng)時(shí)根據(jù)遙控器發(fā)出的指令調(diào)整閥門(mén)流量。閥門(mén)同時(shí)響應(yīng)遙控器所發(fā)出的查詢余額、流量、調(diào)整閥門(mén)、更新系數(shù)等指令并做相應(yīng)操作。

圖3 遙控器程序流程圖

圖4 終端閥門(mén)程序流程圖

通過(guò)入戶與出戶水溫的溫度差與當(dāng)時(shí)流量積分所計(jì)算的用戶所消耗熱量更接近于實(shí)際值。引入了供暖系數(shù)通過(guò)用戶所持IC卡隨供暖中心購(gòu)熱時(shí)即可更新，省去了系統(tǒng)后期的固件升級(jí)。由于使用唯一序列號(hào)作為用戶ID，實(shí)現(xiàn)了 IC卡、閥門(mén)、無(wú)線通信地址碼的唯一性，避免了IC卡的混用以及無(wú)線通信的干擾。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)通過(guò)測(cè)試，閥門(mén)調(diào)節(jié)、溫度控制等穩(wěn)定可靠，無(wú)線通信距離超過(guò)100 m。

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