室内暖气智能调节系统

刘　琪　王　利　侯　杰

(中北大学机电工程学院1，山西 太原　030051；济南输油管理处2，山东 济南　250000)



室内暖气智能调节系统

刘琪1王利1侯杰2

(中北大学机电工程学院1，山西 太原030051；济南输油管理处2，山东 济南250000)

针对现有供暖系统不能根据室内温度变化、用户供暖需求来灵活设置供热方式及供暖时间段而造成能源严重浪费这一问题，设计了一套基于程序控制暖气流量且具有自动、低温、舒适和手动四种工作模式的室内暖气智能调节系统。该系统能够不断采集室内温度，控制微型电动阀开度，调节流入室内管网热流量，实现室内温度与设定温度的调节控制。试验结果表明，该系统能精准地控制室内温度，达到了为用户分时按需供热、节约能源的目的。

温度传感器供暖系统暖气流量温度控制闭环控制温度采集智能调节

0　引言

冬季供暖是我国北方地区必不可少的民生措施，目前主要采用全天集中供暖的方式。但是在这种供暖形式下，室内温度无法按照用户的需求设定，容易造成身体不适；全天供暖能源利用率比较低，容易造成严重资源浪费。目前，国内外对暖气节能的研究较多，但是成本高、单一化，不能满足不同用户的需求。为了解决暖气系统存在的上述问题，本文设计了一种温度控制准确、功能齐全、成本低、操作简单的分时按需智能调节系统。

系统共分四种工作模式。

①自动工作模式。它是针对用户上班的情况进行的控制，在上班时间段按舒适温度供暖，保持舒适的室温；其余时间段进行低温供暖。

②舒适工作模式。它是针对用户周末放假在家的情况进行的控制，全天都按舒适温度供暖。

③低温工作方式。它是针对用户出游不在家、公司放假等室内无人的情况进行的控制，即全天24h都以较低的温度供暖，维持管道内水的循环。

④手动工作方式。它是针对特殊情况进行的控制，可以手动调节供暖的时间和方式，以满足用户的不同需求。

这四种工作模式解决了传统供暖存在的能源浪费的问题，使供暖更加合理，最大限度地降低了暖气的耗费。此外，系统采用闭环回路控制，对室内温度的控制更加准确[1]。

1　系统概述

1.1系统设计原理

系统设计原理如图1所示。

图1　系统设计原理图

系统可同时检测用户家中任意两处室内温度，由模拟开关对两路温度进行切换，通过液晶显示器显示温度，计算两路温度平均值，并与设定温度比较。根据比较结果控制电动阀开度，最终将室内温度控制在设定温度，存在0.2K的偏差[2]。

1.2系统总体结构设计

系统主要包括温度采集模块、人机交换模块、时间模块、微型电动阀控制模块和电源模块。人机交互换模块包括按键模块和液晶显示模块[3]。

采用单片机C8051F020作为主要控制单元，通过温度传感器Pt1000热敏电阻，把采集到的温度(模拟量)经过单片机内部的A/D转换器转换成数字量;然后再由单片机根据采集到的温度值来控制其他量，并将结果传送到单片机控制的主控器件上；温度通过液晶显示屏显示，并可以通过按键来调整。

2　系统硬件设计

2.1硬件选择

C8051F020器件是Cygnal公司推出的一种混合信号系统级单片机。C8051F020内部集成了A/D转换器，转换器内部还有增益放大器，使用非常方便[4]。

DS1302是一种涓细电流充电的实时时钟芯片,可以通过与芯片的通信来访问芯片内的31B静态RAM和实时时钟/日历,进而获取实时的日期和时间[5]。

CD4052是一种多路模拟选择开关，它最多可控制四条电路，并且只允许其中一条电路导通或者没有电

路导通。

12864液晶显示屏是一种带中文字库的液晶显示模块，它内部置有ASCII码和汉字，便于进行文字显示。

TA8050P是一个能驱动1.5A直流电动机的芯片，它的两个输入端口受TTL电平控制，故能直接被单片机的I/O口控制。

2.2主要硬件设计

2.2.1时间电路设计

使用时间芯片DS1302时，引脚X1和X2需要外接32.768kHz晶振，GND接数字地[6]。Vcc2接+5V电源。为了使时间芯片在Vcc2断电后仍能正常运行一段时间，系统在器件的Vcc1引脚接了一个大的电解电容。当正常工作时，电解电容处于充电状态，一旦电源断电，电解电容便会慢慢放电，以维持芯片继续工作。此外，DS1302的SCLK、SIO、CE引脚分别与单片机的P3.5、P3.6、P3.7引脚连接。

2.2.2温度采集电路设计

温度采集模块选择温度传感器Pt1000热敏电阻，0 ℃时，其阻值为1 000Ω，阻值随着温度上升而匀速增大[7]。

由欧姆定律可知，当恒定的电流流过Pt1000热敏电阻时，电阻两端电压与电阻成正比，故可利用C8051F020单片机中的A/D转换器直接读取Pt1000热敏电阻两侧的电压值。通过计算和查表，即可得出此时热敏电阻的阻值及对应温度。

温度采集模块电路设计如图2所示。

图2　温度采集模块电路设计图

下文具体介绍温度采集模块每一部分的电路设计原理。

①恒压源。运用LM336Z-5.0稳压二极管，从12V的电源中提取出5V电压，为运算放大器(U1A和U1B)的输入端提供电压。

②恒流源。运用LM358芯片内的一个运放，由12V的电源为其供电。在电压电流转换电路中，R4要远远大于负载电阻阻值。由于负载电阻约为2kΩ，故可以选择阻值为1MΩ的电阻。流过R23的电流是恒定的，为0.5mA；流过R2的电流很小，可以忽略不计，故此电路可以作为一个恒流源。

③模拟开关控制。模拟开关与两路温度传感器相连，是把两路温度转化到一条电路上的关键。CD4052芯片的X引脚和Y引脚共有四个，它的A、B两个引脚接主控制器，由单片机控制通道的打开与闭合。该接线可以测出温度的准确值，在同一温度下，测量得到的电压几乎是完全相同的。

④差动放大电路。该电路可提高系统测量的准确性，使系统达到最优化。由测量得到铂电阻两端的电压约为0.4～0.7V，因为单片机输入端的电压最大不能超过3V，直接放大电压仅能放大4倍，不能使系统最优化。为提高系统测量准确性，可使用减法运算电路，即在集成运算放大器的反向输入端加上0.4V的电压，把采集后的电压减去0.4V后再进行放大，就能够放大十倍。为使单片机不受损害，在接入单片机A/D转换器端口处使用一个3V的稳压二极管,起到保护作用。

2.2.3电动阀电路设计

电动阀电路模块选用型号为CWX-20P-CR01-12V的微型电动阀。其电动机受两线控制，供电电源是12V直流电压。将TA8050A芯片的DI1、DI2端分别与单片机的P2.1和P2.2连接，直接控制芯片，进而控制电动阀。DI1、DI2为控制端，M(+)、M(-)为输出端。输出端控制电动阀内小型直流电动机的正转反转及停止。具体描述如下：

当DI1=1、DI2=1时，M(+)=0 、M(-)=0，电动机停止；当DI1=0、DI2=1时，M(+)=0 、M(-)=1，电动机反转；当DI1=1、DI2=0时，M(+)=1、M(-)=0，电动机正转；当DI1=0、DI2=0时，M(+)、M(-)呈高阻状态，电动机停止。

普通发光二极管作为指示灯，将其串联1 kΩ限流电阻，然后并连到M(+)、M(-)两端。当电动机正转时，D2发光二极管亮；当电动机反转时，D1发光二极管亮[8]。

2.2.4人机交换模块

人机交换模块的电路设计主要是按键电路部分。按键电路设计中可使用的单片机I/O口很多，且按键数非常少，为使编程简单化，可采用独立式键盘。具体设计原理如下。当没有键按下时，单片机和键盘相连的六个输入/输出口接收到的电平都为高电平；一旦按下某一按键，与此按键相连的输入输出口就会被下拉成低电平。此时八位与非门芯片74HC30只要接收到一个低电平，就会向外输出高电平；经两位与非门芯片74HC00转变后变成低电平，由此触发单片机的中断。单片机中断后，检查六个I/O便可知是哪个按键被按下，最后作出相应的响应[9]。

3　系统软件设计

系统软件部分主要有温度采集模块、时间模块和微型调节阀开度控制模块。系统主程序流程如图3所示。

图3　系统主程序流程框图

首先，由于这是智能暖气调节系统，故要对温度进行采集和分析，需要有获取温度的子程序。其次，实现系统对温度按时间的智能控制，就必须获取时间信息，需要有从时间芯片中读取时间信息和向时间芯片中写入数据的子程序。再次，为了对时间进行调整、对系统进行设置，需要一个进行人机交互的装置，所以读取按键相应的子程序也是必不可少的。最后，由主程序来调度各个子程序的运行，从而实现相应功能。

3.1DS1302时间程序

有关时间的子程序主要有时间的初始化子程序、写入时间和日期的子程序及读取日期和时间的子程序。在时间的初始化子程序中，主要是设置时间的形式。写入时间和日期的子程序主要是应用在时间和日期需要改变时(如系统刚运行时要对时间和日期赋予初值)、当采用键盘对时间和日期进行调整时。读取时间和日期子程序是最重要的，因为时间一直显示当前的值，所以读取程序就必须一直保持循环运行。

3.2温度采集过程

采用Pt1000温度传感器来检测温度，用一套电路测量两路温度，由模拟多路开关CD4052芯片对两路温度进行切换，并通过液晶显示器对温度进行显示。两路温度的切换受单片机控制，模拟多路开关的CHS_A引脚受单片机P1.1引脚控制，CHS_B引脚受单片机的P2.6引脚控制。单片机可通过控制两个引脚的高低电平来开启不同通路，采集不同的温度。前提是第六引脚INH为低电平。如果第六引脚为高电平，则无论A引脚与B引脚怎么组合，都没有任何一个通路导通。

在本系统中，当CHS_A为高电平、CHS_B为低电平时，采集室内1的温度；当CHS_A、CHS_B为高电平时，采集室内2的温度。

3.3微型电动阀开度控制

暖气流量大小由微型电动阀开度大小决定。为提高室内温度控制的准确度，系统采用闭环回路控制，不断采集两处室内温度，并进行理论计算得出检测温度。

在舒适模式下，当检测温度高于设定温度1 ℃时，电动阀完全闭合；当检测温度低于设定温度1 ℃时，电动阀完全打开；当温度在设定温度上下浮动1 ℃时，以0.2 ℃为单位基准。当室内温度低于设定温度0.8～1 ℃时，电动机反转，微型电动阀开始缓慢开启，经过设定时间0.034 4 s后停止；当室内温度低于设定温度0.6～0.8 ℃时，电动机反转，微型电动阀开度进一步增大，设定时间到达后停止。以此类推，当室内温度上升到设定温度、上下浮动0.2℃时，电动机停止转动，微型电动阀开度保持不变。当室内温度高于设定温度0.2～0.4 ℃时，电动机正转，微型电动阀开度缓慢减小，设定时间到达后停止。

舒适模式程序代码如下。

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;}}}

低温模式时，以1 ℃为单位基准，系统低温模式的温度设置为20 ℃。当温度在19～21 ℃时，微型电动阀开度不变；当温度高于21 ℃时，电动阀完全闭合；当温度低于19 ℃时，电动阀完全打开[10]。

低温模式代码如下。

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　试验结果

试验结果表明，系统具有操作简单、功能齐全、室温控制准确度高等特点。

(1)操作简单、功能齐全。

系统操作简单主要体现在人机交换模块。中文液晶显示屏可以显示时间、日期、两处室内温度、用户设定温度、工作模式等运行参数。六个按键负责转换各种工作模式，调整时间、日期以及各时间段工作状态等。

系统功能齐全主要体现在工作模式有自动、低温、舒适和手动四种，能对不同模式下的温度进行差异化设置。①舒适模式下，当检测温度低于设定温度1 ℃以上时，闭环回路不断对室内温度检测，控制电动机反转约0.034 4 s，电动阀开度增大；反之，检测温度高于设定温度1 ℃时，闭环回路不断对室内温度检测，控制电动机正转约0.034 4 s，电动阀开度减小。②低温模式下，检测温度在设定温度上下浮动1 ℃时，电动阀开度不变;检测温度低于设定温度1 ℃时，电动阀完全开启；检测温度高于设定温度1 ℃时，电动阀完全闭合。③手动模式下，可根据用户需要设定舒适时间段的低温时段。④自动模式下，可根据用户需要设定舒适时间段和低温时间段。

(2)室温控制准确度高。

通过测量一天中不同时刻下两室内温度，计算室温平均值与设定温度之间的相对误差。测量结果如表1所示。

表1不同时刻的实际温度和设定温度

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

时刻T设/℃T室1/℃T室2/℃相对误差/%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之间设定低温为16 ℃，其他时间段设定舒适温度为25 ℃，室温均值的相对误差在2.5%以内。设定温度与两室内温度吻合较好，故系统对室内温度控制的准确度高。

5　结束语

本文介绍了一种基于程序控制暖气流量大小，且

具有自动、低温、舒适和手动四种工作模式的室内暖气智能调节系统。系统采用闭环回路，能精准地控制室内温度。系统根据室内设定温度与测控电路测得的实际温度，自动调节电动阀的开度大小，保证稳定的供水流量，避免因用户室内持续满流量而造成的能源浪费。系统的四种工作模式能满足不同用户的需求，可用于家庭、办公室、工厂等场所，实现了暖气的智能控制[8-13]，能有效改善传统集中供暖方式的能源浪费情况，节约资源。从长远角度分析，系统有效地运用了智能控制原理。该系统在暖气节能方面有显著的社会意义和经济意义，市场应用前景广泛。

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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

刘琪(1990—)，女，现为中北大学机械电子专业在读硕士研究生；主要从事机电控制技术的研究。

TH7;TP271+.5

ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201609023

中北大学研究生科技基金资助项目(编号：20151204)。

修改稿收到日期：2016-01-18。