張 瑞 王延玉

（ 濰坊科技學(xué)院，山東 壽光262700）

1 概述

鑒于冬季許多家庭特別是廣大農(nóng)村地區(qū)在取暖時(shí)仍然采用煤爐取暖，而燃煤取暖不僅能源利用率低，污染嚴(yán)重，而且存在安全隱患。 因此電加熱型取暖爐成為不錯(cuò)的選擇， 但現(xiàn)有家用暖氣供暖系統(tǒng)的溫控系統(tǒng)還不夠人性化和智能化。 因此， 進(jìn)行該家庭采暖溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是對(duì)水加熱過(guò)程和水循環(huán)過(guò)程的智能控制進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

2 總體設(shè)計(jì)及原理分析

2.1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2 單片機(jī)進(jìn)行主控。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1

單片機(jī)完成信息處理和控制，協(xié)調(diào)各部件工作。溫度采集模塊完成溫度采集功能，并發(fā)送給單片機(jī)；繼電器驅(qū)動(dòng)電路接收單片機(jī)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電加熱功率的控制；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的控制；通信模塊負(fù)責(zé)單片機(jī)和移動(dòng)終端之間的信息通信；顯示模塊實(shí)現(xiàn)溫度信息的顯示；按鍵輸入模塊完成控制指令的輸入。

2.2 工作原理

系統(tǒng)定時(shí)檢測(cè)室內(nèi)的實(shí)際溫度并與用戶設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較。 當(dāng)室溫高于所設(shè)定溫度值2℃時(shí)，關(guān)閉水泵，不為室內(nèi)暖氣片組更換熱水；若室溫低于設(shè)定溫度值2℃時(shí)，開(kāi)啟水泵為暖氣片組更換加熱箱內(nèi)的更高溫度的熱水，從而通過(guò)更快的對(duì)流散熱來(lái)提升室內(nèi)溫度。

設(shè)置了三個(gè)加熱片，在換水操作執(zhí)行過(guò)程中，當(dāng)室溫與設(shè)定溫度相差6℃以上時(shí)三個(gè)加熱片同時(shí)工作，當(dāng)相差3℃至6℃之間時(shí)兩個(gè)加熱片工作，當(dāng)相差3℃以?xún)?nèi)時(shí)為節(jié)省電力消耗，只有一個(gè)加熱片工作。

設(shè)置了兩種運(yùn)行模式：正常運(yùn)行模式與低溫運(yùn)行模式，兩種模式可任意切換。 用戶可以通過(guò)手機(jī)短信的方式或是按鍵操作選擇其中一種模式， 并對(duì)室溫進(jìn)行設(shè)置。 當(dāng)用戶長(zhǎng)時(shí)間不需要供暖時(shí)，可通過(guò)開(kāi)啟低溫運(yùn)行模式使加熱系統(tǒng)處于低功率運(yùn)行狀態(tài)，使水溫保持在15℃，可以防止系統(tǒng)內(nèi)部及管道內(nèi)的水結(jié)冰，避免需要供暖時(shí)無(wú)法正常使用或是由于水結(jié)冰后體積膨脹及低溫下金屬的延展性及韌性降低凍裂暖氣片組及管道。

加熱箱內(nèi)設(shè)置有上下兩個(gè)水位探測(cè)器，做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 如果上探測(cè)器檢測(cè)到水位已滿，則立即停止注水，當(dāng)下探測(cè)器檢測(cè)到水位過(guò)低會(huì)停止加熱過(guò)程并立即開(kāi)啟注水。

應(yīng)用無(wú)線遙控可方便用戶通過(guò)短信方式進(jìn)行室溫的設(shè)置，避免了手動(dòng)調(diào)節(jié)，體現(xiàn)了智能化、人性化的要求。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

STC12C5A60S2 單片機(jī)的EEPROM 斷電數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，開(kāi)機(jī)時(shí)自動(dòng)從中讀取上次設(shè)定的溫度值，避免用戶反復(fù)設(shè)定，更加人性化。

顯示模塊采用數(shù)字字符液晶1602 顯示溫度信息， 兩行顯示，上方顯示房間實(shí)時(shí)溫度，下方為用戶設(shè)定溫度。

按鍵輸入電路包含兩個(gè)獨(dú)立按鍵和一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)， 原理圖如圖2（ a）所示。 按鍵用于設(shè)置溫度值的增減，當(dāng)單片機(jī)的P20或P21 檢測(cè)到低電平時(shí)， 會(huì)進(jìn)行設(shè)置溫度值的增加或減小操作。 雙向開(kāi)關(guān)用于運(yùn)行模式的選擇，當(dāng)P22 檢測(cè)到高電平時(shí)，進(jìn)入正常運(yùn)行模式，低電平時(shí)進(jìn)入低溫運(yùn)行模式。

圖2

溫度采集模塊設(shè)置了三個(gè)DS18B20 溫度傳感器， 原理圖如圖2（ b）所示。

18B201 測(cè)室溫，18B202 測(cè)平均水溫，18B203 用于測(cè)經(jīng)過(guò)散熱片后回流進(jìn)入加熱水箱的水溫。 系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，將18B201 傳回的數(shù)據(jù)與設(shè)定的溫度值對(duì)比， 根據(jù)結(jié)果自動(dòng)調(diào)整加熱片及水閥的工作；處于低溫運(yùn)行時(shí)，為防止水溫過(guò)低對(duì)水管造成損害，根據(jù)18B203 測(cè)得的回流水溫和18B202 測(cè)得的平均水溫對(duì)加熱片和水閥做出調(diào)整。

加熱電路選用三個(gè)鐵鉻鋁電熱合金， 由ULN2803 繼電器驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)繼電器從而控制加熱片的通斷。 ULN2803 用以避免在電路通斷的瞬間產(chǎn)生過(guò)大的電流而燒壞繼電器等器件。 系統(tǒng)共用5 個(gè)繼電器，3 個(gè)連接加熱片，一個(gè)連接水閥，一個(gè)連接進(jìn)水口電磁閥。

無(wú)線通信采用SIM900A 通信模塊，與STC12C5A60S2 單片機(jī)的串口2 相連。 可以對(duì)手機(jī)號(hào)進(jìn)行綁定，若單片機(jī)檢測(cè)到發(fā)送方是所綁定的手機(jī)號(hào)則立刻進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，將所設(shè)的溫度值寫(xiě)入EEPROM，否則單片機(jī)拋棄該短信包并通過(guò)指令告訴SIM900A 刪除該條短信。

設(shè)計(jì)了兩個(gè)浮力開(kāi)關(guān)來(lái)監(jiān)測(cè)加熱箱內(nèi)的水位。 兩個(gè)浮力開(kāi)關(guān)由單片機(jī)的兩個(gè)外部中斷進(jìn)行控制，當(dāng)水位下降到最低水位時(shí)，浮標(biāo)因缺少水的浮力會(huì)落下，此時(shí)會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)的外部中斷，水箱進(jìn)水口處的閥門(mén)打開(kāi)，向水箱內(nèi)注水；當(dāng)水位超過(guò)上開(kāi)關(guān)時(shí)， 浮標(biāo)借助水的浮力浮起此時(shí)再次觸發(fā)系統(tǒng)的外部中斷，關(guān)閉閥門(mén)，停止注水。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序運(yùn)行流程：初始化后，主程序進(jìn)入循環(huán)。 若沒(méi)有中斷發(fā)生，則先檢測(cè)外部的模式選擇開(kāi)關(guān)，如果是正常運(yùn)行模式，將調(diào)用按鍵輸入函數(shù)，此時(shí)若有按鍵按下，將根據(jù)按鍵的操作對(duì)室溫進(jìn)行加1 或減1 操作， 隨后進(jìn)行EEPROM 扇區(qū)的擦除和改寫(xiě)。若無(wú)按鍵，則直接返回循環(huán)等待。如果定時(shí)器定時(shí)1 秒到時(shí)，相應(yīng)的標(biāo)志位置位，此時(shí)將進(jìn)行溫度的讀取與顯示，讀取室溫并和目標(biāo)室溫比較， 進(jìn)行不加熱或相應(yīng)等級(jí)加熱處理并進(jìn)行LCD 顯示。 若是低溫運(yùn)行模式，將進(jìn)行回流水溫度和平均水溫的讀取，然后根據(jù)平均水溫和回流水溫以及低溫運(yùn)行所設(shè)溫度進(jìn)行相應(yīng)的加熱處理并LCD 顯示。 如果觸發(fā)外部中斷1，此時(shí)水箱的水位達(dá)到最低水位，將進(jìn)行自動(dòng)注水。 自動(dòng)注水達(dá)標(biāo)將觸發(fā)外部中斷0，在外部中斷0 的子程序中控制停止注水。如果SIM900A 接收到短信，將觸發(fā)串口2 中斷，讀取短信內(nèi)容和相關(guān)信息，如果是綁定的手機(jī)號(hào)，將進(jìn)行短信內(nèi)容的提取和分析以及數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)命令設(shè)定室內(nèi)溫度以及對(duì)EEPROM 進(jìn)行擦除和改寫(xiě)和對(duì)所綁定的手機(jī)號(hào)回復(fù)設(shè)定成功的消息，并刪除此條短信；如果不是所綁定的手機(jī)號(hào)，將直接刪除短信，不執(zhí)行相應(yīng)命令。

結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水加熱過(guò)程和水循環(huán)過(guò)程的智能控制，采用了遠(yuǎn)程控制來(lái)調(diào)控室內(nèi)的溫度，方便了人們的生活，非常貼近智能家居的實(shí)現(xiàn)； 低溫運(yùn)行模式更是大大節(jié)約了供暖的成本，從而也節(jié)約了資源，達(dá)到了節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境的目的。