黃興洲，薛德寬，劉雪林，陳文娟，袁順東

［中國石油大學(xué)（華東），山東青島 266580］

基于單片機的自供電供暖溫度智能調(diào)控裝置

黃興洲，薛德寬，劉雪林，陳文娟?，袁順東

［中國石油大學(xué)（華東），山東青島 266580］

設(shè)計了一種自供電的供暖調(diào)控裝置，其主要包括溫差供電模塊、電路控制模塊、水流控制模塊。本裝置工作時，溫差供電模塊可利用暖氣管道與室溫的溫差發(fā)電，以STC89C52單片機為核心的電路控制模塊可實時監(jiān)測室內(nèi)溫度，并能根據(jù)用戶設(shè)定溫度和室內(nèi)實際溫度驅(qū)動水流控制模塊，以調(diào)控供暖管道水流量，從而達到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的。

溫差發(fā)電；水流控制；溫度調(diào)控；單片機

城鎮(zhèn)居民的冬季供暖一直是社會關(guān)注的焦點，傳統(tǒng)的供暖裝置既不能根據(jù)用戶的實際需要來調(diào)控室溫，也造成了能源浪費［1］。通過本裝置居民能夠根據(jù)實際需求設(shè)定室內(nèi)溫度，并且裝置本身可以利用暖氣管道與室溫的溫差進行發(fā)電，不需要額外的電源，實現(xiàn)了自供電功能。

1　技術(shù)原理

1.1半導(dǎo)體溫差發(fā)電原理

半導(dǎo)體溫差發(fā)電是利用塞貝克效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)化為電能，如圖1所示，將P型和N型兩種不同類型的熱電材料（P型是富空穴材料，N型是富電子材料）相連形成一個PN結(jié)，一端置于高溫狀態(tài)，另一端置于低溫狀態(tài)，由于熱激發(fā)作用，P型材料高溫端空穴濃度高于低溫端，N型材料高溫端電子濃度高于低溫端，在濃度梯度的驅(qū)動下，P型材料空穴和N型材料電子會向低溫端擴散，從而形成電動勢［2］。

圖1　半導(dǎo)體溫差發(fā)電原理

1.2DS18B20溫度傳感器工作原理

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成:64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器，它能把采集的溫度信號直接轉(zhuǎn)化成數(shù)值信號輸出，并且測溫范圍為-55～+ 125℃，精度為±5℃，其測溫原理圖見圖2［3］。

圖2　DS18B20測溫原理圖

2　自供電的供暖調(diào)控裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖4為本裝置的整體結(jié)構(gòu)原理圖，本裝置工作時SP1848型溫差半導(dǎo)體組利用暖氣管道與室溫的溫差進行發(fā)電，一部分電能維持裝置工作，剩余部分電能儲存到鋰電池中，作為備用電源。DS18B20溫度傳感器可實時監(jiān)測室內(nèi)溫度，并將數(shù)字信號傳送給STC89C52單片機，當(dāng)溫度低于或高于某一設(shè)定值時，單片機會向步進電機驅(qū)動芯片發(fā)送信號［4-5］，以驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動，水流控制閥會在步進電機的帶動下實現(xiàn)對水流量的控制。

圖4　裝置整體結(jié)構(gòu)原理圖

2.1溫差供電模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

本模塊采用4塊SP1848-27145半導(dǎo)體溫差發(fā)電片串聯(lián)發(fā)電，其單片規(guī)格為40 mm長?40 mm寬?3.4 mm厚，內(nèi)涵126對PN結(jié)。HY910導(dǎo)熱硅膠具有導(dǎo)熱性能好，粘合力強等特點，其蒸發(fā)量為0.001%（200℃/24Hours），熱傳導(dǎo)系數(shù)大于0.975 W/m-K，耗散系數(shù)小于0.005，適用于散熱片無固定扣具情況下的粘貼導(dǎo)熱。半導(dǎo)體片兩端都涂抹HY910導(dǎo)熱硅膠后，將熱端緊貼在暖氣片表面，冷端則和100 mm長?100 mm寬?40 mm厚的鋁合金散熱片緊貼在一起，以此來保持半導(dǎo)體兩端溫差。［6］北方城鎮(zhèn)暖氣片溫度一般為60～70℃，室內(nèi)實際溫度一般為15～20℃，理論上半導(dǎo)體片兩端溫差可維持在40～55℃之間，由于半導(dǎo)體溫差發(fā)電片本身的導(dǎo)熱，根據(jù)實際測量結(jié)果應(yīng)減去8℃的溫差損耗，故半導(dǎo)體片兩端溫差實際可維持在32～47℃之間，發(fā)電功率可達到2 W左右。

2.2水流控制模塊機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

水流控制模塊機械結(jié)構(gòu)由ULN2003步進電機和XU8230直式溫控閥組成。ULN2003步進電機為減速步進電機，直徑為28 mm，額定工作電壓為5 V，步進角度為5.625?（1/64），其5線4相的電路可以用ULN2003芯片驅(qū)動，也可以接成2相使用，為更精確的控制暖氣管道水流量，本模塊采用ULN2003芯片驅(qū)動［7］。XU8230直式溫控閥公稱壓力為1.6 MPa，工作溫度為-10℃≤T≤100℃，管螺紋符合ISO 228標(biāo)準(zhǔn)，并配有外加錐型密封圈。將ULN2003步進電機轉(zhuǎn)子與XU8230直式溫控閥調(diào)節(jié)手輪進行剛性連接，并把步進電機外殼與溫控閥固定在一起，這樣ULN2003步進電機就可以帶動XU8230直式溫控閥調(diào)節(jié)手輪轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)暖氣管道水流量見圖5。

圖5　水流控制模塊機械結(jié)構(gòu)圖

3　電路組成

3.1溫差發(fā)電電路

STC89C52單片機工作電壓為5伏，選用圖5所示LM7805集成穩(wěn)壓器將SP1848型溫差半導(dǎo)體輸出電壓穩(wěn)定在5 V［8］，然后向5 V鋰電池充電，最后由鋰電池向裝置供電，圖6為溫差發(fā)電模塊電路實物圖。

圖6　溫差發(fā)電電路圖

3.2單片機控制電路圖

3.2.1溫度測量顯示電路

STC89C52單片機是一個低功耗，高性能的51內(nèi)核的CMOS 8位單片機，具有抗干擾性能強、速度快、功耗低和指令代碼完全兼容8051單片機等特點。如圖7在STC89C52單片機最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用DS18B20型溫度傳感器采集溫度，溫度顯示采用1602型液晶顯示器，直接通過單片機I/O接口通信［9-10］。PO口作為普通I/O口使用，在其外部接拉電阻后，與1602液晶顯示器DB0-DB7數(shù)據(jù)口相連；DS18B20型溫度傳感器信號輸出端口直接與P2.7口相連。圖8為溫度測量顯示電路實物圖［11］。

圖7　溫度測量顯示電路圖

3.2.2L298N電機驅(qū)動電路圖

圖10是電機驅(qū)動電路圖，L298N是專用驅(qū)動集成電路，屬于H橋集成電路，最大輸出電流為4A，最高工作電壓為50 V，用于驅(qū)動感性負(fù)載，其輸入端直接與單片機P2.0-P2.3口相連，可以方便地受單片機控制，實現(xiàn)電機的止轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)角度與反轉(zhuǎn)角度［12-14。圖11為L298N電機驅(qū)動電路實物圖。

圖8　L298N電機驅(qū)動電路圖

4　結(jié) 論

本裝置利用溫差半導(dǎo)體組為本裝置供電，充分利用了二次能源，并且能夠根據(jù)室溫的實際情況，自動調(diào)節(jié)暖氣管道的水流量，避免了能源的浪費，也為居民帶來了更舒適的室內(nèi)環(huán)境，具有很好的推廣前景。

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Intelligent Heating Temperature Control Device with Self Powered Based on Single Chip Microcomputer

HUANG Xing-zhou，XUE De-kuan，LIU Xue-lin，CHEN Wen-juan，YUAN Sun-dong
（China University of Petroleum，Shandong Qingdao 266580）

A self powered heating control device design，which mainly comprises a power supply module with temperature difference，circuit control module，flow control module.When the utility model works，the power supply module can use the difference of temperature between heating and the room to make electricity.Taking STC89C52 microcomputer as the core control circuit module can be real-time monitoring of indoor temperature，and can also according to user set temperature and actual indoor temperature driven flow control module to control heating pipe water flow，so as to achieve the purpose of regulating indoor temperature.

thermoelectric；flow control；temperature control；single-chip microcomputer

O4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.02.020

1007-2934（2015）02-0073-04

2014-11-15

中國石油大學(xué)（華東）重點教改項目（SY-A201209）；中國石油大學(xué)（華東）大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（20141243）

?通訊聯(lián)系人