基于STC單片機(jī)的溫控?zé)嵊?jì)費(fèi)采暖閥門的設(shè)計(jì)

目前市場上供熱系統(tǒng)按熱量消耗單獨(dú)計(jì)費(fèi)及根據(jù)室內(nèi)溫度調(diào)控?zé)崃抗┙o的產(chǎn)品，大多都是通過溫度測量反饋調(diào)整室內(nèi)暖氣入水口閥門開啟程度來調(diào)控室溫，而用熱的計(jì)費(fèi)則是根據(jù)閥門開啟大小估算熱水流量并結(jié)合供熱時(shí)間來計(jì)費(fèi)。室內(nèi)熱量的消耗即為流過室內(nèi)各組暖氣的熱水放出的熱量，它與熱水的流量、進(jìn)出戶的水溫差以及時(shí)間成正比，而熱量的計(jì)費(fèi)應(yīng)當(dāng)是綜合上述諸多因素，僅僅以流量或使用時(shí)間進(jìn)行計(jì)費(fèi)有失準(zhǔn)確。當(dāng)然這種熱量消耗與供熱的取暖效果也不完全一致，它還取決于房間的布局以及散熱等多重因素[2]。
    針對市場上大部分產(chǎn)品的缺陷，本文提出了一種基于STC單片機(jī)的溫控采暖閥門的設(shè)計(jì)，其室溫調(diào)控仍采用通過對室溫的測量調(diào)節(jié)入水流量的方案，而供熱計(jì)費(fèi)則充分考慮了入水流量及進(jìn)出戶水溫度差，供熱計(jì)費(fèi)引入的供熱系數(shù)，則由當(dāng)?shù)厝剂蟽r(jià)格、燃料燃燒值、供熱效率等綜合因素確定。閥門電路的核心器件為STC系列單片機(jī)，具有功耗低、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，比較適用于供熱環(huán)境。
1 閥門總體設(shè)計(jì)
1.1 基本功能
    溫控采暖閥門具備如下兩個(gè)基本功能，室溫調(diào)控和供熱計(jì)費(fèi)。
    供熱系統(tǒng)的入室閥門設(shè)在住戶室外的管道井中，因此需有無線連接的遙控器配合調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，遙控器內(nèi)置的溫度傳感器測量室內(nèi)溫度，根據(jù)用戶設(shè)定的需求溫度來調(diào)節(jié)室外管井中閥門的熱水流量，從而達(dá)到室溫調(diào)節(jié)的目的。
    供熱計(jì)費(fèi)系統(tǒng)由流量計(jì)、入水口/出水口溫度傳感器組成，微控制器按一定周期采集實(shí)時(shí)的流量和溫度差，用以計(jì)算產(chǎn)生的費(fèi)用，計(jì)算如公式(1)。其中M為t1到t2時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的用熱費(fèi)用，K為供熱系數(shù)，由地方供熱部門根據(jù)各地實(shí)際情況確定，Tin，Tout為入水/出水口溫度，I為當(dāng)時(shí)測量的流速。

1.2 附加功能
    考慮到該閥門應(yīng)用于家庭用戶，但管理者為當(dāng)?shù)毓┡块T，因此針對使用和管理雙方利益，增加如下功能。
1.2.1 IC卡預(yù)付費(fèi)功能
    通過IC卡實(shí)現(xiàn)購買供熱熱量并對閥門進(jìn)行充值操作，閥門根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)費(fèi)情況進(jìn)行費(fèi)用扣除，供暖季結(jié)束后，用戶可通過IC卡將閥門剩余金額回寫到IC卡內(nèi)，用于退費(fèi)。
1.2.2 防凍功能
    當(dāng)閥門存儲器內(nèi)存儲的費(fèi)用不足時(shí)，閥門在提示金額不足后關(guān)閉，為了避免室內(nèi)溫度過低凍壞管道，增加了防凍功能，即在出水口溫度低于8 ℃時(shí)，閥門開啟一定角度，若溫度仍有下降，閥門逐漸開大，以確保用戶長時(shí)間離家無法充值或用戶自行關(guān)閉閥門設(shè)備后室內(nèi)管道上凍損壞。
1.2.3 除水垢功能
    如果閥門長期處于固定角度開啟，則容易在閥門內(nèi)積生水垢，不但增大了閥門開/閉的阻力，也容易造成驅(qū)動閥門的電機(jī)過熱燒毀。因此微控制器定期將閥門旋轉(zhuǎn)數(shù)周，避免閥門內(nèi)水垢過多聚積。
1.2.4 供熱系數(shù)便捷修正功能
    由于供熱系數(shù)為供熱部門或政府機(jī)構(gòu)根據(jù)當(dāng)年燃料因素、供熱效率甚至小區(qū)布局及樓層等方面確定，因此會造成逐年修正，為了避免修正系數(shù)帶來的程序升級的麻煩，本系統(tǒng)將供熱系數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)存放于IC卡內(nèi)，用戶在購熱時(shí)，便由供暖部門將當(dāng)年的系數(shù)寫入卡內(nèi)，用戶充值時(shí)，閥門系統(tǒng)即可讀出，用于熱量費(fèi)用計(jì)算。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
    溫控閥門系統(tǒng)框圖如圖1所示，由閥門系統(tǒng)和遙控器構(gòu)成。閥門系統(tǒng)包括球閥、控制模塊、無線模塊、溫度采集模塊和流量采集模塊；遙控器主要包括溫度采集模塊、IC卡讀卡模塊、顯示模塊和無線模塊。

2.1 閥門系統(tǒng)
2.1.1 球閥與控制模塊
    控制模塊采用STC系列單片機(jī)STC89LE52，這款3.3 V工作、PQFP封裝的小型單片機(jī)功耗低(工作電壓4 mA~7 mA)，抗干擾能力強(qiáng)(1.9 V~4 V可工作，抗2 000 V快速脈沖干擾)，自動加密，且通過串口即可下載程序，方便升級。
    單片機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動芯片CR7010控制與球閥軸相連的減速電機(jī)正向/逆向旋轉(zhuǎn)[3]來調(diào)整閥門開啟程度，與球閥同軸相連的一片鋸齒圓盤依靠光電開關(guān)來限位，如圖2所示。

2.1.2 采集模塊
    溫控閥門系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)為當(dāng)前的入水口溫度、出水口溫度和流量。
    溫度傳感器采用LM75，這是一款價(jià)格低廉的I2C協(xié)議溫度傳感器[4]，精度為0.5 ℃，滿足水溫及室內(nèi)溫度測量。而根據(jù)使用習(xí)慣，本系統(tǒng)顯示的溫度值精度為1 ℃。流量傳感器采用韋根傳感器WG112，直接將閥門內(nèi)渦輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號，由單片機(jī)計(jì)數(shù)器采集轉(zhuǎn)換，即可得到閥門流量。
2.1.3 無線模塊
    遙控器與閥門的通信采用2.4 GHz射頻通信模式，射頻芯片采用nRF2401[5]，這款芯片功耗低(在-5 dBm的發(fā)射功率下工作電流僅為10.5 mA)，體積小(僅為5 mm×5 mm)。單片機(jī)與nRF2401間的通信為串行通信，射頻的頻道、校驗(yàn)地址碼和發(fā)射功率均由單片機(jī)串行配置。為了避免相鄰用戶間相互干擾，每個(gè)用戶的校驗(yàn)地址碼均在第一次購買熱量時(shí)由管理中心按照用戶信息寫在用戶的IC卡內(nèi)（同時(shí)作為用戶ID號），首次使用前用戶通過數(shù)據(jù)線將遙控器和閥門連接進(jìn)行地址注冊，即可為其配置好唯一的校驗(yàn)地址，避免了因每套設(shè)備單獨(dú)燒制校驗(yàn)地址帶來的麻煩。
2.2 遙控器
2.2.1 控制模塊和射頻模塊
    遙控器的單片機(jī)和射頻芯片同樣采用STC89LE52和nRF2401，IC卡使用西門子的SLE4442[6]，其內(nèi)部256 B的EEPROM足以滿足用戶ID號、金額、相關(guān)系數(shù)等信息的存儲。另外，同樣使用一片LM75作為室內(nèi)溫度的采集。
    按鍵K1～K4實(shí)現(xiàn)控制操作，定義如下：
    長按K1：開/關(guān)機(jī)；
    短按K1：查詢余額、流量；
    長按K4：查詢并調(diào)整檔位；
    短按K4：查詢并設(shè)定溫度；
    K2：升高溫度（設(shè)定溫度時(shí)）、充值（IC卡插入時(shí)）；
    K3：降低溫度（設(shè)定溫度時(shí)）、回寫（IC卡插入時(shí)）。
2.2.2 顯示模塊
    顯示模塊需顯示室內(nèi)溫度、用戶設(shè)定溫度、IC卡內(nèi)金額、閥門存儲器內(nèi)余額、當(dāng)前流量等數(shù)據(jù)信息（當(dāng)讀取閥門檔位時(shí)顯示檔位信息），并要顯示插卡錯(cuò)誤、溫度設(shè)定過高、余額不足、電量不足、充值或回寫成功等提示信息。單片機(jī)通過IO口控制LCD驅(qū)動芯片HT1621來實(shí)現(xiàn)對液晶屏的控制[7]，設(shè)計(jì)中液晶屏為26段段碼屏，通過4-com線與22-seg線實(shí)現(xiàn)上述信息的顯示，HT1621的控制為串行通信，節(jié)約了單片機(jī)的IO口。
3 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)
3.1 數(shù)據(jù)格式
    IC卡作為存儲用戶ID號、費(fèi)用等信息的載體，系統(tǒng)對其數(shù)據(jù)格式的定義如表1所示。

[!--empirenews.page--]

    金額采用浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，為管理中心購熱后充入的費(fèi)用。當(dāng)取暖季結(jié)束后，用戶如做金額回寫操作，即可將溫控閥門剩余費(fèi)用回寫至卡內(nèi)，用于退費(fèi)等需求。
    用戶ID號為5字節(jié)數(shù)據(jù)，為用戶在管理中心數(shù)據(jù)庫內(nèi)相關(guān)信息的登記號，并在第一次購熱操作時(shí)由管理中心設(shè)定，在第一次對閥門充值時(shí)將ID號寫入遙控器和閥門的存儲器內(nèi)。此時(shí)，用戶ID號亦作為IC卡、遙控器、閥門的唯一識別碼，避免了IC卡的混用和無線通信的干擾。
    供熱系數(shù)3字節(jié)，包括熱力系數(shù)、壓力系數(shù)和效率系數(shù)（也可作其它定義），由管理中心根據(jù)實(shí)際情況確定后在用戶購熱時(shí)設(shè)定。
    工程碼是維護(hù)人員所持工程卡專用，可將閥門存儲器內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化操作。
    校驗(yàn)碼為金額數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和，在寫卡時(shí)避免數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。
    讀卡后，單片機(jī)將數(shù)據(jù)信息存入存儲器，數(shù)據(jù)格式如表2。

    標(biāo)志位用作閥門是否第一次使用的標(biāo)識，用來判斷是否對閥門系統(tǒng)的ID號進(jìn)行更新。
    由于nRF2401集成的shockburstTM發(fā)射/接收模式僅需要用戶配置好寄存器內(nèi)發(fā)射頻道、數(shù)據(jù)寬度、地址寬度、發(fā)射功率等信息后即可直接將數(shù)據(jù)寫入寄存器發(fā)射，本系統(tǒng)選用5字節(jié)地址，12字節(jié)數(shù)據(jù)，地址即用戶ID號。通信數(shù)據(jù)格式如表3。

    其中命令字：
    0：充值，1：回寫，2：讀取金額和流量，3：讀取檔位，4：更新溫度，5：調(diào)整閥門檔位，6：更新系數(shù)，7：余額不足，8：電量不足。
3.2 程序流程
3.2.1 遙控器程序設(shè)計(jì)
    遙控器實(shí)現(xiàn)如下功能：用戶設(shè)定溫度、根據(jù)室溫調(diào)控閥門流量、讀寫IC卡、讀出當(dāng)前閥門流量等，費(fèi)用值、系數(shù)值等都存儲在閥門的存儲器上，遙控器只是在用戶需要時(shí)通過無線讀出閥門系統(tǒng)的信息。
3.2.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
    圖3和圖4為系統(tǒng)遙控器部分和閥門部分的主要程序流程圖，遙控器通過4個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)了的溫度設(shè)定、充值、回寫以及閥門手動調(diào)節(jié)等功能，接收到閥門發(fā)出的欠費(fèi)、電量不足等報(bào)警信息時(shí)能夠予以警示，在定時(shí)器啟動后則通過對比設(shè)定溫度與室溫的溫差控制閥門調(diào)整流量。當(dāng)用戶插上IC卡，系統(tǒng)識別供熱系數(shù)是否改變，如有改變則向閥門發(fā)送更新系數(shù)命令，而后等待用戶的充值或回寫操作。閥門部分實(shí)現(xiàn)了流量及供暖入戶水溫和出戶水溫的測量并定時(shí)計(jì)費(fèi)，在定時(shí)器啟動時(shí)根據(jù)遙控器發(fā)出的指令調(diào)整閥門流量。閥門同時(shí)響應(yīng)遙控器所發(fā)出的查詢余額、流量、調(diào)整閥門、更新系數(shù)等指令并做相應(yīng)操作。

    通過入戶與出戶水溫的溫度差與當(dāng)時(shí)流量積分所計(jì)算的用戶所消耗熱量更接近于實(shí)際值。引入了供暖系數(shù)通過用戶所持IC卡隨供暖中心購熱時(shí)即可更新，省去了系統(tǒng)后期的固件升級。由于使用唯一序列號作為用戶ID，實(shí)現(xiàn)了IC卡、閥門、無線通信地址碼的唯一性，避免了IC卡的混用以及無線通信的干擾。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)通過測試，閥門調(diào)節(jié)、溫度控制等穩(wěn)定可靠，無線通信距離超過100 m。
參考文獻(xiàn)
[1] 國務(wù)院法制辦建設(shè)部.民用建筑節(jié)能條例釋義[M].北京：知識產(chǎn)權(quán)出版社，2008.
[2] 孫繼紅.分戶熱計(jì)量的應(yīng)用和推廣中遇到的問題[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2008，18（34）：227-228.
[3] 周建國，曹炬，姚全斌.單片機(jī)與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)的電動閥門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)自動測量與控制，2001，9（2）：33-34.
[4] 劉永亮，趙磊，甄鵬，等.分布式多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（9-1）：145-147.
[5] 劉立新，李國輝，郝云芳.基于nRF2401的無線自動抄表系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（9-1）：158-160.
[6] 陳建良，李玉謙.基于SLE4442的IC卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（9-2）：247-248，254.
[7] 唐日泉，袁景淇，邱憲波.液晶驅(qū)動芯片HT1621及其在便攜式血糖儀中的應(yīng)用[J].微型電腦應(yīng)用，2003，19(5)：22-24.