室內(nèi)暖氣智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)

劉　琪　王　利　侯　杰

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1，山西 太原　030051；濟(jì)南輸油管理處2，山東 濟(jì)南　250000)

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室內(nèi)暖氣智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)

劉琪1王利1侯杰2

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1，山西 太原030051；濟(jì)南輸油管理處2，山東 濟(jì)南250000)

針對現(xiàn)有供暖系統(tǒng)不能根據(jù)室內(nèi)溫度變化、用戶供暖需求來靈活設(shè)置供熱方式及供暖時間段而造成能源嚴(yán)重浪費(fèi)這一問題，設(shè)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(nèi)暖氣智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠不斷采集室內(nèi)溫度，控制微型電動閥開度，調(diào)節(jié)流入室內(nèi)管網(wǎng)熱流量，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度的調(diào)節(jié)控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能精準(zhǔn)地控制室內(nèi)溫度，達(dá)到了為用戶分時按需供熱、節(jié)約能源的目的。

溫度傳感器供暖系統(tǒng)暖氣流量溫度控制閉環(huán)控制溫度采集智能調(diào)節(jié)

0　引言

冬季供暖是我國北方地區(qū)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(nèi)溫度無法按照用戶的需求設(shè)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(yán)重資源浪費(fèi)。目前，國內(nèi)外對暖氣節(jié)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(tǒng)存在的上述問題，本文設(shè)計了一種溫度控制準(zhǔn)確、功能齊全、成本低、操作簡單的分時按需智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

系統(tǒng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(nèi)無人的情況進(jìn)行的控制，即全天24h都以較低的溫度供暖，維持管道內(nèi)水的循環(huán)。

④手動工作方式。它是針對特殊情況進(jìn)行的控制，可以手動調(diào)節(jié)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(tǒng)供暖存在的能源浪費(fèi)的問題，使供暖更加合理，最大限度地降低了暖氣的耗費(fèi)。此外，系統(tǒng)采用閉環(huán)回路控制，對室內(nèi)溫度的控制更加準(zhǔn)確[1]。

1　系統(tǒng)概述

1.1系統(tǒng)設(shè)計原理

系統(tǒng)設(shè)計原理如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計原理圖

系統(tǒng)可同時檢測用戶家中任意兩處室內(nèi)溫度，由模擬開關(guān)對兩路溫度進(jìn)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(shè)定溫度比較。根據(jù)比較結(jié)果控制電動閥開度，最終將室內(nèi)溫度控制在設(shè)定溫度，存在0.2K的偏差[2]。

1.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

采用單片機(jī)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(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量;然后再由單片機(jī)根據(jù)采集到的溫度值來控制其他量，并將結(jié)果傳送到單片機(jī)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(diào)整。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)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(tǒng)級單片機(jī)。C8051F020內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部還有增益放大器，使用非常方便[4]。

DS1302是一種涓細(xì)電流充電的實(shí)時時鐘芯片,可以通過與芯片的通信來訪問芯片內(nèi)的31B靜態(tài)RAM和實(shí)時時鐘/日歷,進(jìn)而獲取實(shí)時的日期和時間[5]。

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

路導(dǎo)通。

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

TA8050P是一個能驅(qū)動1.5A直流電動機(jī)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(jī)的I/O口控制。

2.2主要硬件設(shè)計

2.2.1時間電路設(shè)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(shù)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(yùn)行一段時間，系統(tǒng)在器件的Vcc1引腳接了一個大的電解電容。當(dāng)正常工作時，電解電容處于充電狀態(tài)，一旦電源斷電，電解電容便會慢慢放電，以維持芯片繼續(xù)工作。此外，DS1302的SCLK、SIO、CE引腳分別與單片機(jī)的P3.5、P3.6、P3.7引腳連接。

2.2.2溫度采集電路設(shè)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(dāng)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(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換器直接讀取Pt1000熱敏電阻兩側(cè)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(yīng)溫度。

溫度采集模塊電路設(shè)計如圖2所示。

圖2　溫度采集模塊電路設(shè)計圖

下文具體介紹溫度采集模塊每一部分的電路設(shè)計原理。

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

②恒流源。運(yùn)用LM358芯片內(nèi)的一個運(yùn)放，由12V的電源為其供電。在電壓電流轉(zhuǎn)換電路中，R4要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻阻值。由于負(fù)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(guān)控制。模擬開關(guān)與兩路溫度傳感器相連，是把兩路溫度轉(zhuǎn)化到一條電路上的關(guān)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(jī)控制通道的打開與閉合。該接線可以測出溫度的準(zhǔn)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(tǒng)測量的準(zhǔn)確性，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化。由測量得到鉑電阻兩端的電壓約為0.4～0.7V，因?yàn)閱纹瑱C(jī)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(tǒng)最優(yōu)化。為提高系統(tǒng)測量準(zhǔn)確性，可使用減法運(yùn)算電路，即在集成運(yùn)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(jìn)行放大，就能夠放大十倍。為使單片機(jī)不受損害，在接入單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器端口處使用一個3V的穩(wěn)壓二極管,起到保護(hù)作用。

2.2.3電動閥電路設(shè)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(jī)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(jī)的P2.1和P2.2連接，直接控制芯片，進(jìn)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(nèi)小型直流電動機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)及停止。具體描述如下：

當(dāng)DI1=1、DI2=1時，M(+)=0 、M(-)=0，電動機(jī)停止；當(dāng)DI1=0、DI2=1時，M(+)=0 、M(-)=1，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)DI1=1、DI2=0時，M(+)=1、M(-)=0，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)DI1=0、DI2=0時，M(+)、M(-)呈高阻狀態(tài)，電動機(jī)停止。

普通發(fā)光二極管作為指示燈，將其串聯(lián)1 kΩ限流電阻，然后并連到M(+)、M(-)兩端。當(dāng)電動機(jī)正轉(zhuǎn)時，D2發(fā)光二極管亮；當(dāng)電動機(jī)反轉(zhuǎn)時，D1發(fā)光二極管亮[8]。

2.2.4人機(jī)交換模塊

人機(jī)交換模塊的電路設(shè)計主要是按鍵電路部分。按鍵電路設(shè)計中可使用的單片機(jī)I/O口很多，且按鍵數(shù)非常少，為使編程簡單化，可采用獨(dú)立式鍵盤。具體設(shè)計原理如下。當(dāng)沒有鍵按下時，單片機(jī)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(jīng)兩位與非門芯片74HC00轉(zhuǎn)變后變成低電平，由此觸發(fā)單片機(jī)的中斷。單片機(jī)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(yīng)的響應(yīng)[9]。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要有溫度采集模塊、時間模塊和微型調(diào)節(jié)閥開度控制模塊。系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)主程序流程框圖

首先，由于這是智能暖氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，故要對溫度進(jìn)行采集和分析，需要有獲取溫度的子程序。其次，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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(shù)據(jù)的子程序。再次，為了對時間進(jìn)行調(diào)整、對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，需要一個進(jìn)行人機(jī)交互的裝置，所以讀取按鍵相應(yīng)的子程序也是必不可少的。最后，由主程序來調(diào)度各個子程序的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

3.1DS1302時間程序

有關(guān)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(shè)置時間的形式。寫入時間和日期的子程序主要是應(yīng)用在時間和日期需要改變時(如系統(tǒng)剛運(yùn)行時要對時間和日期賦予初值)、當(dāng)采用鍵盤對時間和日期進(jìn)行調(diào)整時。讀取時間和日期子程序是最重要的，因?yàn)闀r間一直顯示當(dāng)前的值，所以讀取程序就必須一直保持循環(huán)運(yùn)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(guān)CD4052芯片對兩路溫度進(jìn)行切換，并通過液晶顯示器對溫度進(jìn)行顯示。兩路溫度的切換受單片機(jī)控制，模擬多路開關(guān)的CHS_A引腳受單片機(jī)P1.1引腳控制，CHS_B引腳受單片機(jī)的P2.6引腳控制。單片機(jī)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(dǎo)通。

在本系統(tǒng)中，當(dāng)CHS_A為高電平、CHS_B為低電平時，采集室內(nèi)1的溫度；當(dāng)CHS_A、CHS_B為高電平時，采集室內(nèi)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(nèi)溫度控制的準(zhǔn)確度，系統(tǒng)采用閉環(huán)回路控制，不斷采集兩處室內(nèi)溫度，并進(jìn)行理論計算得出檢測溫度。

在舒適模式下，當(dāng)檢測溫度高于設(shè)定溫度1 ℃時，電動閥完全閉合；當(dāng)檢測溫度低于設(shè)定溫度1 ℃時，電動閥完全打開；當(dāng)溫度在設(shè)定溫度上下浮動1 ℃時，以0.2 ℃為單位基準(zhǔn)。當(dāng)室內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度0.8～1 ℃時，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，微型電動閥開始緩慢開啟，經(jīng)過設(shè)定時間0.034 4 s后停止；當(dāng)室內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度0.6～0.8 ℃時，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，微型電動閥開度進(jìn)一步增大，設(shè)定時間到達(dá)后停止。以此類推，當(dāng)室內(nèi)溫度上升到設(shè)定溫度、上下浮動0.2℃時，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，微型電動閥開度保持不變。當(dāng)室內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度0.2～0.4 ℃時，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，微型電動閥開度緩慢減小，設(shè)定時間到達(dá)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(zhǔn)，系統(tǒng)低溫模式的溫度設(shè)置為20 ℃。當(dāng)溫度在19～21 ℃時，微型電動閥開度不變；當(dāng)溫度高于21 ℃時，電動閥完全閉合；當(dāng)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(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有操作簡單、功能齊全、室溫控制準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)。

(1)操作簡單、功能齊全。

系統(tǒng)操作簡單主要體現(xiàn)在人機(jī)交換模塊。中文液晶顯示屏可以顯示時間、日期、兩處室內(nèi)溫度、用戶設(shè)定溫度、工作模式等運(yùn)行參數(shù)。六個按鍵負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換各種工作模式，調(diào)整時間、日期以及各時間段工作狀態(tài)等。

系統(tǒng)功能齊全主要體現(xiàn)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(jìn)行差異化設(shè)置。①舒適模式下，當(dāng)檢測溫度低于設(shè)定溫度1 ℃以上時，閉環(huán)回路不斷對室內(nèi)溫度檢測，控制電動機(jī)反轉(zhuǎn)約0.034 4 s，電動閥開度增大；反之，檢測溫度高于設(shè)定溫度1 ℃時，閉環(huán)回路不斷對室內(nèi)溫度檢測，控制電動機(jī)正轉(zhuǎn)約0.034 4 s，電動閥開度減小。②低溫模式下，檢測溫度在設(shè)定溫度上下浮動1 ℃時，電動閥開度不變;檢測溫度低于設(shè)定溫度1 ℃時，電動閥完全開啟；檢測溫度高于設(shè)定溫度1 ℃時，電動閥完全閉合。③手動模式下，可根據(jù)用戶需要設(shè)定舒適時間段的低溫時段。④自動模式下，可根據(jù)用戶需要設(shè)定舒適時間段和低溫時間段。

(2)室溫控制準(zhǔn)確度高。

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

表1不同時刻的實(shí)際溫度和設(shè)定溫度

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

時刻T設(shè)/℃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(shè)定低溫為16 ℃，其他時間段設(shè)定舒適溫度為25 ℃，室溫均值的相對誤差在2.5%以內(nèi)。設(shè)定溫度與兩室內(nèi)溫度吻合較好，故系統(tǒng)對室內(nèi)溫度控制的準(zhǔn)確度高。

5　結(jié)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(nèi)暖氣智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用閉環(huán)回路，能精準(zhǔn)地控制室內(nèi)溫度。系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)設(shè)定溫度與測控電路測得的實(shí)際溫度，自動調(diào)節(jié)電動閥的開度大小，保證穩(wěn)定的供水流量，避免因用戶室內(nèi)持續(xù)滿流量而造成的能源浪費(fèi)。系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)了暖氣的智能控制[8-13]，能有效改善傳統(tǒng)集中供暖方式的能源浪費(fèi)情況，節(jié)約資源。從長遠(yuǎn)角度分析，系統(tǒng)有效地運(yùn)用了智能控制原理。該系統(tǒng)在暖氣節(jié)能方面有顯著的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義，市場應(yīng)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(xiàn)為中北大學(xué)機(jī)械電子專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事機(jī)電控制技術(shù)的研究。

TH7;TP271+.5

ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201609023

中北大學(xué)研究生科技基金資助項(xiàng)目(編號：20151204)。

修改稿收到日期：2016-01-18。