基于STM32的家庭供熱智能控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

高秀艷+李濤

摘 要 針對我國北方集中供暖安面積收費的現(xiàn)狀，提出了基于STM32處理器為核心的預付費型智能家庭供熱系統(tǒng)，實現(xiàn)按需供熱。通過高精度數(shù)據(jù)采集電路對水溫、流量進行采集，計算消耗的熱量，實現(xiàn)按照熱量收費。通過增量PID算法控制供熱閥門調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，同時有定時開關的功能來實現(xiàn)按需供熱，降低能耗。計費采用預付費方式，通過RFID技術實現(xiàn)。

關鍵詞 STM32；智能供熱；RFID；增量PID

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）05-0050-03

我國北方大部分地區(qū)需要集中供暖以應對嚴寒的冬天。目前，供暖主要采用按面積收費。造成供暖設備長期處于打開狀態(tài)，工作時間家庭住房的供熱也不會自動停止，造成資源浪費。而熱力公司以煤炭供熱為主，在資源浪費的背后還有更嚴重的環(huán)境污染。在北方霧霾日益嚴重的今天，供暖是PM2.5的重要來源之一。針對這一現(xiàn)狀，提出一種能夠調(diào)節(jié)和控制的供熱系統(tǒng)，住戶可以根據(jù)自己的情況來選擇溫度或者是關閉供暖系統(tǒng)，做到按需供熱。本文提出一種基于STM32的家庭智能供熱的解決方案，可以實時顯示當前消耗熱量，室內(nèi)溫度，進水和回水溫度，供熱的開關狀態(tài)。設計充分利用了STM32的片上資源，不需要額外增加存儲芯片和AD轉(zhuǎn)換芯片，節(jié)省設計成本。通過增量PID式算法調(diào)整控制量[ 1 ]。同時增加了時鐘芯片，能實現(xiàn)供熱的定時開關，為廣大的上班族節(jié)省開支，為治理霧霾做出貢獻。

1 方案設計

1.1 室溫智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)的安裝和結(jié)構(gòu)如圖1所示。用戶供水管道包括進水管和回水管，分別在進水管和回水管安裝溫度傳感器，在進水管安裝流量傳感器和電動閥門。處理器通過采集的流量計算流經(jīng)供熱系統(tǒng)的水流體積，通過采集的進出水溫度信號計算供熱系統(tǒng)的溫度差，根據(jù)熱量系數(shù)和體積，溫度差來計算用戶所使用的熱能值。可以實現(xiàn)安裝消耗的熱量來計費，改變安裝面積收費的現(xiàn)狀。進水溫度，回水溫度，室溫和已經(jīng)消費的熱量值通過LCD模塊實時顯示給用戶。用戶可以根據(jù)需要設計要求室溫，通過增量PID算法來計算調(diào)整量，調(diào)整閥門控制水流來實現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。用戶還可以設置供熱系統(tǒng)的開關時間，支持安裝星期設置，實現(xiàn)周一到周五的工作時間關閉供熱系統(tǒng) ，實現(xiàn)選擇性供熱。

1.2 熱量計算方法

熱量的計算有兩種方法：焓差法和熱系數(shù)法。熱系數(shù)是由焓差計算得來的，所以說焓差法和熱系數(shù)法在本質(zhì)上是相同的，但熱系數(shù)法的數(shù)據(jù)量比較大，所以我們選擇焓差法。焓差法計算熱量的公式為：

t：供水時間，單位s；

2 硬件電路設計

2.1 芯片選擇

本設計選用的是由德意法半導體推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器STM32F103C8T6。其工作頻率為72MHz，并且有豐富的片上資源。內(nèi)置K字節(jié)的Flash和K字節(jié)的SDRAM，有豐富的I/O接口和APB總線外設。有2個12位的A/D轉(zhuǎn)換器，能滿足數(shù)據(jù)采集電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換[2]。包含IIC和SPI接口，方便與RFID電路進行通信。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路包括溫度采集和流量采集兩部分。為了達到國家熱能表的國家標準，溫度采集電路采用鉑電阻PT1000作為溫度傳感器，PT1000精度高，穩(wěn)定性好，一致性好。溫度采集電路采用橋式測量電路，信號經(jīng)過調(diào)理放到后輸入至STM32的ADC引腳。STM32內(nèi)部集成12位的A/D轉(zhuǎn)換模塊，完全能滿足系統(tǒng)的精度要求[3]。

流量采集電路采用渦輪流量計，將渦輪流量計的脈沖信號輸入到STM32，通過對脈沖的計數(shù)來計算流量。

2.3 RFID電路

本系統(tǒng)設計借鑒了電力電表和燃氣表的預付費方式選擇預付費系統(tǒng)，只需要在附近有供熱預付費的終端，用戶就可以很方便的購買供暖熱量。綜合考慮方便應用和節(jié)省成本，系統(tǒng)采用PHILIPS公司的MFRC522，其電路圖如圖4所示。RC522工作電壓低，功耗小，支持ISO14443A協(xié)議[4]。RC522提供3種接口模式：SPI接口、USART接口和I2C接口。每次上電或硬件重啟后都會復位其接口，通過檢查控制引腳的電平來判斷與處理器的接口模式。

STM32和RC522之間采用SPI接口，RC522控制接口模式的引腳IIC接低電平，EA接高電平。STM32通過讀寫RC522的 寄存器來實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，尋卡、?？ê蜕漕l卡的讀寫操作。

2.4 定時設計

現(xiàn)在絕大部分家庭都是雙職工，工作期間可以關閉供熱系統(tǒng)。由于供熱需要一定時間，此系統(tǒng)設計了定時功能，用戶可以設定系統(tǒng)的開啟時間和關閉時間。這樣能保證工作時間家庭的供熱系統(tǒng)停止供熱，而回到家后室溫又達到預期溫度。為了讓定時更加準確，采用了外部時鐘芯片DS1302。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能。采用三線接口與處理器進行通信，可采用突發(fā)方式一次傳輸多個字節(jié)的時鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。

4 軟件設計

家庭智能供熱的軟件主要包括系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集處理和控制、射頻卡的讀寫等部分。系統(tǒng)的主流程圖如圖4所示，其中不包括射頻卡的讀寫部分。

4.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化包括STM32的初始化、時鐘芯片的初始化和RC522的初始化。STM32初始化包括系統(tǒng)時鐘、定時器和GPIO等功能模塊初始化。時鐘芯片的初始化主要完成對DS1302的設置，將準確時間寫入時鐘芯片，在每個周期的顯示程序中讀取時鐘并實時顯示。

4.2 數(shù)據(jù)采集

溫度的采集通過STM32F103C8T6內(nèi)部的12位ADC來實現(xiàn)，流量的采集通過定時器的捕獲功能來計算流量傳感器的脈沖數(shù)量，從而得到流量。

4.3 RFID處理流程

STM32通過對RC522片內(nèi)寄存器的讀寫來控制RC522讀卡器芯片，RC522收到STM32發(fā)來的命令后，按照非接觸式射頻卡協(xié)議格式，通過匹配電路和天線發(fā)出13.56MHz信號進行尋卡。若卡在讀卡器的有效范圍內(nèi)時，STM32向卡發(fā)出尋卡命令，卡片將恢復卡片類型，建立卡和讀卡器的聯(lián)系，若有多張卡在天線有效范圍內(nèi)，讀卡器啟動防沖突檢測，根據(jù)防沖突規(guī)則選定其中一張卡，然后進行密碼校驗，對卡的相應模塊進行讀寫和增減值操作。未被選中的卡處于閑置狀態(tài)，等待下一次尋卡。具體的工作流程如圖5所示。

5 結(jié)論

STM32處理器片上資源豐富，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器、SPI接口等，大大簡化了硬件電路設計。系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)能通過LCD實時顯示，方便用戶查看和操作。該系統(tǒng)具有功耗低、操作簡單、精度高等特點，設計精度符合熱能的國家標準，適合家庭和單元住戶的供熱控制。實現(xiàn)了有按照面積收費向按消耗熱量收費的轉(zhuǎn)變，使供熱收費更加合理化，同時節(jié)省了熱量的消耗，減輕供熱公司的負擔，為節(jié)約能源和環(huán)境保護做出貢獻。

參考文獻

[1]嚴曉照，張興國.增量式PID控制在溫控系統(tǒng)中的應用[J].南通大學學報：自然科學版，2006，5（4）：48-51.

[2]王鐵流，李宗方，陳東升.基于STM32的USB數(shù)據(jù)采集模塊的設計與實現(xiàn)[J].測控技術，2009，28（8）：37-40.

[3]郭智源.基于STM32的PID和PWM溫度控制系統(tǒng)研究[J].科學技術與工程，2011，11（16）：3805-3807.

[4]王文濤.非接觸式IC卡智能熱能表的研制[J].傳感器與儀器儀表，2008，24（16）：149-151.

[5]張勇強.基于ARM的供熱計量和智能溫控的應用研究[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2010（1）：68-70.