一种家庭暖气智能监控系统的设计与实现

◎刘丰年

(三门峡职业技术学院 信息传媒学院，河南 三门峡 472000)

我国北方地区冬季严寒干燥，取暖主要依赖于24小时的集中供暖，为人民营造了舒适的生活环境。然而，由于人为损坏或管道老化，管道漏水现象时有发生，另外现有暖气供应系统智能温度调节功能的缺失和按面积收费的暖气管理模式的弊端[1]，无法实现分时段按需供暖，更无从谈起节能环保，供热效率较低，资源浪费现象甚为严重[2]。据统计，我国每年供暖耗煤1亿吨，耗能热达到100W/m2，相当于发达国家的3倍[3]。

为实现节能减排，保护环境，就必须研究设计一种更合理、经济、人性化的供暖方式，及时监控阻止漏水故障，真正实现智能化分时段按需供暖调节。为此，笔者以STC12C5A60S2单片机和Q941F电动调节阀作为控制执行单元，设计实现了一种家庭暖气智能监测调控系统，通过CAMRY TS-2超声波流量传感器采集进水出水流量，DS18B20温度传感器采集室内温度，根据流量、室内温度和设定温度，调整电动调节阀的开度，从而阻止漏水，分时段智能化调节室内温度，达到节能、人性化供暖目的。

1 系统总体设计

从生活中使用暖气的实际经验出发，以准确实时监控漏水，实现分时段差异化温度的智能调节，提高暖气利用率，节能减排，为人们创造舒适人性化的生活环境为目标，本着准确、可靠、兼容、可扩展、操作方便的原则，采用信息传感技术和控制技术，本系统应包括：控制模块、水流检测模块、温度检测模块、动作执行模块、时钟模块、人机交互模块。

具体漏水故障监控工作过程为：进水流量传感器采集15次进水流量，延迟15秒后出水流量传感器采集15次出水流量，将出水流量平均值与进水流量平均值的90%进行比较，若出水流量平均值小于进水流量平均值的90%，则判断为暖气管道漏水，蜂鸣器报警，单片机控制电动调节阀关闭进水，人工排除漏水故障。温度调节工作过程为：由于人们白天一般外出，家中无人，所以通过单片机设置早上7:00～下午5:00为关暖模式，温度设定为14℃～16℃，下午5:00～早上7:00为开暖模式，温度上下限根据需要自行设定，如果白天家中有人，也可以通过人工干预方式调整关暖段和开暖段，另外在客厅、卧室、卫生间各布置一个DS18B20温度传感器实时采集室内温度，单片机根据3个采集温度值的平均值与温度上下限进行比较，若室内温度平均值高于温度上限，则控制Q941F电动调节阀调小15度，减小水流量，若室内温度平均值低于温度下限，则控制Q941F电动调节阀调大15度，增大水流量。系统设计原理如图1所示。

2 系统硬件设计

为实现家庭暖气的智能监测调控，硬件设计必须遵循稳定可靠、低功耗、可扩展、易操作、兼容性好的原则，确保部件之间协调一致。

2.1 控制模块

控制模块是整个系统的核心，也是决定系统功能好坏的关键环节，根据高速度、低功耗、抗干扰的要求，本系统选择了完全与8051指令集兼容的增强版STC12C5A60S2单片机作为控制单元。STC125A60S2单片机拥有1280字节RAM，4个16位定时器，8个速度可达到250K/S的10位精度ADC，2路PWM，7个外部I/O中断口，3个时钟输出口，双串口，工作电压为5.5～3.3V，性价比较高。

单片机复位电路采用的是自动复位，在复位引脚连接了一个10KΩ的下拉电阻和一个10μF的电容。晶振电路并联两个30pF电容实现，接入到单片机的P1.4和P1.5引脚。

2.2 水流检测模块

水流检测模块主要使用了两个流量传感器，一个采集进水流量，一个采集出水流量。依据系统对材质、精度、尺寸、安装的要求，通过对各种类型流量传感器优缺点的比较，笔者选择了CAMRY TS-2超声波流量传感器，该传感器精度在±1%，供电电压为8～36V，流速为0～±30m/s，温度为-40℃～150℃，数据接口为RS232，输出信号为模拟信号，所以必须通过信号调整电路LM324调整后接入单片机的ADC0和ADC1引脚[4]。在电路中通过串联一个250Ω的电阻，将流量传感器输出的4～20mA电流转换为1～5V电压信号，运放输出与单片机的ADC0和ADC1引脚间分别串联一个100KΩ的电阻。流量传感器电路如图2所示。

安装时需采用外夹式V法，将暖气管道外壁清理干净，沿着与管道平行的方向将流量传感器捆扎牢固。

2.3 温度检测模块

图1 系统设计原理

图2 流量传感器电路

温度检测模块主要用于采集室内温度，核心部件就是温度传感器。按照低功耗、稳定可靠、抗干扰能力强、体积小的要求，通过对各种温度传感器的优缺点进行比较，本文选择了DALLAS发明的DS18B20温度传感器，该传感器最大的优点就是通过一根数据线就可以实现单片机对它的读写操作，直接输出数字温度，供电范围为3～5V，可以直接通过总线供电，无需额外增加电源，可以选择寄生工作方式，工作周期为750ms，温度范围在-55℃～+125℃，可以设定最大最小温度阈值并报警，灵敏度好，性价比高，使用方便，接线简单，可以将多个DS18B20温度传感器连接到一个单片机上，单片机通过DS18B20温度传感器的编号来进行识别[5]。连接时在VCC端连接+5V电源，DQ端接10KΩ的上拉电阻，GND接地。DS18B20温度传感器电路如图3所示。

2.4 动作执行模块

动作执行模块主要是根据单片机的控制指令调节暖气水流量，进而实现漏水阻断或温度调节。动作执行模块主要由电动调节阀和电压型D/A转换器组成。电动调节阀是用来控制流量的一种仪表，有驱动装置和阀体两部分组成，驱动装置接收大小不同的动力信号推动阀体转动，进而调节水流大小。根据系统调控性能强、抗腐蚀性好、体积小的要求，本系统选择了上海威尔顿阀门公司生产的Q941F电动调节阀，该调节阀采用304不锈钢材质，输入信号为1-5V，电压不同阀门的开度也不同。本设计中使用了AD558电压型D/A转换器，芯片一侧与单片机相连，另一侧与电源、地和输出相连。电动调节阀的控制电路如图4所示。

2.5 时钟模块

时钟模块主要是为系统提供各种定时服务，根据低功耗、高性价比的要求，本系统选择了由DALLAS公司生产的DS1302时钟芯片，其内部自带一个31×8的RAM，工作电压2～5.5V，采用串行传输方式，一次可以传送多个字节的数据，接口简单，使用很方便，在连接时只需将DS1302时钟芯片的I/O、RST和SCLK通过10KΩ的上拉电阻连接到单片机的P2.0、P2.1、P2.2引脚上。

2.6 人机交互模块

人机交互模块主要负责时间温度的设定、数据的显示和漏水报警，具体应包括按键、液晶显示屏和蜂鸣器。

按键：本系统采用的是独立式按键，通过按键来设置暖气开放和关闭的时间，设置温度的阈值，调节系统参数。

图3 DS18B20温度传感器电路

图4 Q941F电动调节阀控制电路

液晶显示屏：按照低功耗、低电压的要求，本系统选择了12864液晶显示屏，主要负责时间温度设置状态显示、时间显示、室温显示，12864液晶显示屏拥有并行或串行多种接口方式，有丰富的汉字和字符集，分辨率为128×64，自带DC/CD转换电路，连接使用非常方便。12864液晶显示屏电路如图5所示。

蜂鸣器：蜂鸣器主要是对漏水故障信号进行报警。蜂鸣器报警电路如图6所示。

图5 12864液晶显示屏电路

图6 蜂鸣器报警电路

3 系统软件设计

本系统软件是在keil μvision5环境下，采用C语言编写的，整个程序主要就是实现漏水监控和分时段室内温度的实时调节，具体应包括主程序、温度调节程序和漏水监控程序。主程序流程如图7所示。

温度调节程序工作流程为首先判断是否在下午5:00～早上7:00范围内，如果在这个时间段内就进入开暖模式，将温度传感器采集到的温度平均值与温度上下限（可以自行设定）进行比较，如果高于上限，则控制Q941F电动调节阀调小15度，减小水流量，调低温度，否则如果低于下限，则控制Q941F电动调节阀调大15度，增大水流量，调高温度；如果不在下午5:00～早上7:00范围内，执行关暖模式，过程与开暖段程序类似。温度调节程序流程如图8所示。

漏水监控程序工作流程为进水流量传感器采集15次进水流量，延迟15秒出水流量传感器采集15次出水流量，单片机处理采集数据，将出水流量平均值与进水流量平均值的90%进行比较，若出水流量平均值小于进水流量平均值的90%，则判断为暖气管道漏水，蜂鸣器报警，单片机控制电动调节阀关闭进水，阻断漏水。漏水监控程序流程如图9所示。

图7 主程序流程

图8 温度调节程序流程

图9 漏水监控程序流程

4 系统仿真测试

本系统的调试主要包括硬件调试、软件调试和软硬件联合调试。硬件调试环境为proteus v8.2，按照硬件电路的设计方案，在proteus v8.2环境中完成硬件电路绘制，并测试通过。然后在keil μvision5环境中完成软件的调试编译，并将生产的HEX文件加载到STC125A60S2单片机中进行模拟仿真，仿真效果符合系统设计需求。

设置系统开暖段（下午5:00～早上7:00）的温度上限为22℃，温度下限为20℃，关暖段（早上7:00～下午5:00）的温度上限为16℃，温度下限为14℃，在面积为126的房间中用温度计分别采集卫生间、客厅、主卧中一天内不同时间的温度值，测试结果如下表所示。

温度测试结果表

通过上表可以看出各时间点的温度均在控制温度范围内，卫生间温度最高，主卧温度最低，符合实际。系统整体运行稳定，控制准确。

5 结束语

为了解决传统家庭供暖系统无法实现漏水监控和按需供暖造成的能源浪费问题，笔者设计实现了一种家庭暖气智能监测调控系统，该系统以STC12C5A60S2单片机和Q941F电动调节阀作为控制执行单元，通过CAMRY TS-2超声波流量传感器采集进水出水流量，DS18B20温度传感器采集室内温度，根据流量、室内温度和设定温度，调整电动调节阀的开度，从而阻止漏水，分时段智能化调节室内温度，达到节能、人性化供暖目的。该系统设计合理、运行稳定，真正实现了漏水监控和分时段人性化的室温调控，节能效果明显，应用前景广阔，具有一定的实际推广价值。