暖气控制系统设计论文

目录 1 引言 .12 总体设计方案 .12.1 设计思路 .12.2 设计框图 .13 温度数据采集系统 .23.1 数字温度传感器 .23.2 单片机与 SWC 的连接电路 .24 流量数据采集系统 .34.1 电磁流量计 .34.2 单片机与流量计的接口电路 .34.3 1 号子机工作流程 .45 人数统计系统 .55.1 键盘布局 .55.2 键盘接口电路 .65.3 2 号子机工作流程 .66 温度控制系统 .76.1 键盘控制模块 .76.2 LED 显示模块 .86.2.1 LED 及控制芯片简介 .86.2.2 LED 显示系统硬件电路 .86.3 温度调节模块 .86.3.1 流量控制器 .96.3.2 PWM 驱动电路 .96.3.3 比例电磁阀 .96.4 主单片机工作流程 .107 多个单片机串口通信 .117.1 硬件连接电路图 .11结束语 .12致谢 .12参考文献 .13附图 总电路图 .1411 引言 在北方的城市生活中，暖气一直是冬天不可少的生活必需品，随着现代化建设的进行， 陈旧的暖气管道以及，古老的供暖模式 显 得与现代化的气息有些格格不入。当然，要想完全改变这种供暖模式，所需要的资金量是庞大的，我们不得不考虑一种更经济，更实际 的方法。那就是改 变收费 模式，改 变室内暖气供应的控制模式。我国暖气收费一直是以用户住房面积计算，这种方式有失公平。新的控制系统的提出，可以改变这种大量浪费的情况，它具有人性化，智能化，自动 化等特点，而且价格低廉，适合普通用 户。 2008 年，我国暖气价格普遍上涨，这主要是因为暖气供应 部门在供暖上投资过大，收益太少，入不敷出。造成这种情况的首要原因就是供暖模式的落后，以及燃料的价格上涨。暖气价格的上涨使得用户怨声载道。由此，急需一种新的供暖模式和 计费模式来解决这个问题，很多先进的设计因为造价太高而未被采用，相信造价低，效率高的系统会更适合我国的现有国情。2 总体设计方案 2.1 设计思路本系统以 89C51 单片机作为微处理器， 该处理器具有功能 强大，价格低廉等优势，该 系统采用三个单片机协同工作的模式，其中一片单片机作为主机，主要负责根据其他两片采集的数据驱动电磁阀，调节暖气管道中的热水流量从而调节温度，并将之显示在 LED 显示器上，该单片机还负责接收键盘数据，从而实现手动调节室内温度，另外主机机还负责接收 1 号子机采集的温度热量等数据，显示在 LED 上，作为收费的根据。1 号子机主要负责采集温度，温度传感器 3 安装在室内中央，采集室内温度，传感器 1，2 分别安装在暖气管道的进水口和出水口，采集两处的温度计算温差并保存，再根据采集的流量数据计算温差计算出热量并保存。 2 号子机主要负责根据装在门内外的两个特殊的按键计算出房间内人的数目，从而计算出房间内的人数，把该数据传送给主单 片机并显示在 LED 显示器上。房间 内无人时主单片机 发送数据至电磁阀，关 闭电 磁阀，从而达到 节约的目的。为尽量减少或者避免压 力传感器采集数据有误，房间外边还应安装一个数据清零的按钮。当室内无人时 ，最后一个离开房 间的人，按下清零按钮，从而确保计数系统显示为零，关闭房 间内的暖气。22.2 设计框图设计框图如图 1 所示。8 9 C 5 11 号子机温度传感器 2温度传感器 3电磁流量计温度传感器 18 9 C 5 12 号子机8 9 C 5 1 主机门外键盘门内键盘清零按键L E D 显示比例电磁阀 调节键盘图 1 系统框图3 温度数据采集系统单片机 1 号子机负责温度数据的采集，要采集的温度数据出自三处。一处来自暖气片的进水口，第二处来自暖气片的出水口， 这两处的温度数据将用于热量的计算，用作暖气收费的依据。还有一处来自房间中部，此处的数据将用作室内温度显示和调节的依据。3.1 数字温度传感器 数字温度传感器（简称 SWC），又称集成数字式感温探头，是一种新型的三端温度变送器件，该器件采用集成模块化设计，可以直接将被测温度信号转化为数字脉冲信号输出，具有传送距离远，抗干 扰能力强， 转换精度高等优点。它可以方便地与 51 系列单片机接口，而省去 A/D 转换集成电路，降低成本，提高可靠性，缩小体积，可广泛应用于军事，医药卫生，食品及自动化测控系统中。SWC三条引脚的名称分别为控制线（K），信号 线（S ），公共线（G ）。 33.2 单片机与 SWC 的连接电路 在本文的设计中，将采用单片机 1 的 P2.1-P2.6 实现三点的温度采样， 为了防止外接电路对单片机的正常工作产生干扰，用光耦进行隔离。硬件电路图如图2 所示。1003K1003K106201K10 620 1K 10 6201003K1K4N254N254N254N254N254N25SWC SWCSWC9014 9014901412V5VP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.589C51图 2 单片机与 SWC 的硬件连接电路4 流量数据采集系统1 号子机除了负责温度数据的采集以外，还负责流量数据的采集。本系统中，流量的采集用电磁流量计实现。4.1 电磁流量计电磁流量计简单说是由流量传感器和变送器组成的。流量传感器是把流过管道内的导电液体的体积流量转换为线性电信号。其转换原理就是著名的法拉第电磁感应定律，即导体通过磁场，切割电磁线， 产生电动势。流量传感器的磁场 是通过励磁实现的，分直流励磁、交流励磁和低 频方波励磁。现在大多流量传感器采用低频方波励磁。 变 送器是由励磁电路、信号 滤波放大电路、A/D 采样电路、微处理器电路、D/A 电 路、变送电路等组成。4.2 单片机与流量计的接口电路为了防止流量计对单片机信号的干扰，本系统中单片机与电磁流量计也采用光电耦合的方式进行隔离驱动，由于本系统与温度采集系统共用一个单片机，故采用1号子机的 P2口中剩余的 P2.0 P2.7口进行驱动，其电路图如图3所示。44N254N2590146203KOPTOISO11001K 10P0.7P0.0P0.1P0.2P0.3P0.5P0.6P0.489C51 EMF12V5V图3 单片机与流量计接口电路单片机根据温度传感器1 2采样的数据算出暖气进 水口和出水口的温度差，并保存温差数据，再根据电 磁流量计采集的流量数据按公式vm计算出流经暖气片的热水质量，再根据公式tCQ计算出暖气片的热量消耗，保存在1号子机的数据存储器中，并累加，当 1号子机接收到主机发送的接收热量数据的指令时将数据通过串口传至主机，并显示在LED 显示屏上。另外，本部分中温度传感器3采集的数据也将存储在数据存储器中，在接收到主机发送的接收温度数据的指令时，将通过串行口传至单片机主机。4.3 1 号子机工作流程5图4 1号子机软件流程5 人数统计系统5.1 键盘布局本部分主要负责室内人数的统计，可以用键盘实现。如图 5 所示，在室内外各装一个特殊的键盘，当有人从室外进入室内时，先踩下门外的键，后 踩下室内键，单片机计数为 1，当有人从室内出门时，先踩下室内 键，后踩下室外键，单片机计数为-1 ，两者相加，可以计算出室内现有的人数，另外，室外还装有一个手动的按键，室内最后一人出门时，按下此 键，单片机计 数清零。确保室内人数为零。室内人数为零时，主单片机根据此数据，关闭流量控制阀，关 闭房间内的暖气。扫描串口是否收到指令发送温度数据至S B U F 经串口发出是否收到指令 1是否收到指令 2发送温度数据至S B U F 经串口发出开始初始化读取温度传感器1 ， 2 数据计算温差并保存数据读取流量传感器数据计算热量数据并保存读取温度传感器 3数据并保存YYNYNN6图 5 键盘布局示意图 5.2 键盘接口电路键盘实质上是一组按键开关的集合。通常可以分为独立连接式和行列式两类，每一类按其译码方式又都可分为编码及非编码两种类型。这里只介绍独立式，非编码键盘。独立式按键是指各个按键相互独立地连接一条数据线，如图 6 所示，这是最简单的键盘结构，该电路为查询方式电路。VCC140 239338 437536 635734 833932 10311130 12291328 14271526 16251724 18231922 2021图 6 计数键盘接口电路当任何一个按键按下时，与之相连的输入数据线即被清零，而平时该线为 1，要判断是否有键按下，用单片机的位处理指令非常简单。这种键盘的结构有点是，电路简单；缺点是当键数较多时，要占用较多的 I/O 接口。在该系统中，由于只 须用三个按键就可实现功能，故采用独立非编码接口。75.3 2 号子机工作流程2 号子机软件流程如图 7 所示图 7 2 号子机软件流程6 温度控制系统该系统为设计的核心部分，其功能均由主单片机实现，本文将分三个模块介绍这一系统，分别为键盘模块、 LED 显示模块、温度调节模块。初始化键盘 1 是否按下开始数据寄存器置 1扫描键盘 1 ， 2键盘 2 是否按下数据寄存器 2 置 1数据寄存器 1 是否为 1数据寄存器 2 是否为 1数据寄存器 3 + 1数据寄存器 4 + 1是否有键按下扫描键盘 3键盘 3 是否按下运行计时程序运行计时程序结束计时结束计时由数据寄存器 3 ， 4数据计算房间人数并保存计时器是否超时数据寄存器 1 ， 2清零YNY YNNNYYNYNYN扫描串口判定是否收到指令 3发送人数数据至S B U F 经串口传出YN86.1 键盘控制模块键盘控制模块由于按键较少，也采用独立非编码键盘原理同人数统计系统，这里不再赘述。6.2 LED 显示模 块显示模块是人机对话的一个重要部分，本着节约成本又达到目的的原则，本文设计中采用 6 个 LED 组 成的动态显示的系统，由主单片机串口控制，负责显示室内温度，室内人数以及热量消耗等数据。6.2.1 LED 及控制芯片 简介本系统采用单片机中普遍使用的 7 段 LED 显示器来显示数据， 单片机中通常使用的 7 段 LED 构成字形 “8”，另外 还有一个小数点 发光二极管，以显示数字，符号，以及小数点。89C51 的串行口 RXD 和 TXD 为一个全双工串行通信口，但工作方式 0 下可用作同步移位寄存器用，其数据由 RXD（P3.0）端串行输出或输入；而同步移位时钟由 TXD（P3.1）端串行输出，在同步时钟作用下，实现由串行到并行的数据通信。在不需要使用串行通信的场合利用串行口加外围芯片 74HC164 就可以构成一个或多个并行输入输出口，用于串并转换，并串 转换， 键盘驱动或是显示器LED 驱动。6.2.2 LED 显 示系统硬件电 路如图 8 所示，图中“与”门的作用是避免单片机串行通信时对显示器的影响，即当 P1.2=1 时才开放显示器 传送。974HC164 74HC164 74HC164 74HC164 74HC164 74HC164P1.0P1.1P1.2P0.7P1.3P0.0P1.4P1.5P1.6P0.1P0.2P0.3TXDRXDP0.5P0.6P0.4P1.7 89C51abfc gde DPY1234567abcdefg8dpdp abfc gde DPY1234567abcdefg8dpdp abfc gde DPY1234567abcdefg8dpdp abfc gde DPY1234567abcdefg8dpdp abfc gde DPY1234567abcdefg8dpdp abfc gde DPY1234567abcdefg8dpdp1235V图 8 LED 显示电路6.3 温度调节模块正如本设计题中所述，所要达到的设计要求是实现室内温度的自动调节，由于现在大多数住户都采用较为传统的暖气片采暖，故要实现温度的调节，只需控制暖气片中热水流量即可。因此，温度调节系统设计 的目标就转为暖气片中热水流量的调节。由于要求精度不高，故，只需选用一款价格较为低廉的流量控制器即可，本文中本系统将采用比例电磁阀实现这一控制。6.3.1 流量控制器通过设置89C51的管脚控制 PWM 控制寄存器产生脉宽可调的 PWM 波，对比例电磁阀的输入电压进行调制，从而实现了对液体流量的变量控制。单片机统过电磁流量计采集实际流量信号，根据该信号以及 SWC 采集的室内温度信号在单片机内部计算室内合适温度从而驱动比例电磁阀调节热水流量，进而实现室内温度的自动调节。另外，本系统还设有手动调节键盘， 还可以手动对单片机进行设置，实现室内温度的手动调节，如晚上休息 时可以适当降低室内的温度， 这样即有利于人的身体健康，也节省了暖气流量。IRF540IRF540A7407B7406R1 R2 R3Q2Q1PMW12V主主主图9 PWM 驱动电路图106.3.2 PWM 驱动电路单片机输出的 PWM 脉冲信号分别经7406和7407 输入到 Q1，Q2的 G 极，在每个 PWM 周期的高电平区间， Q1导通， Q2截止，电磁阀导通。在每个 PWM 周期的低电平区间，Q1截止从而切断了 电源， 电磁阀的感应电动势经 Q2内部续流二极管形成回路。此时 Q2的 G 极为高电平但是由于二极管的钳位作用使开关二极管关闭，因此通过调整单片机的 PWM 波就可以实现电磁阀输入电压占空比的调节，从而实现对流量的调节。6.3.3 比例电磁阀比例型电磁铁的工作原理如下：线圈通电后，轭铁和衔铁内部产生磁通并产生电磁吸力，将衔铁吸向轭铁，同 时衔铁上的弹簧受到压缩，当 衔铁上的电磁力和弹簧力平衡时，衔铁停止位移。比例型电磁铁的吸力在有效行程范围内和线圈的电流或电压大小具有线形关系。因此通过调节输入的电流或者电压就可以控制其开口的大小，从而达到变量控制的目的。本系 统 采用的比例电磁阀特性曲线如图14所示：（Kvs 代表比例电磁阀最大开口时的流量，Kv 代表对应某一电压或者电流值时的流量值）。图10 比例电磁阀特性曲线图6.4 主单片机工作流程主单片机软件流程如图 11 所示11开始按键 0 是否按下按键 1 是否按下按键 2 是否按下按键 3 是否按下按键 4 是否按下按键 5 是否按下按键 6 是否按下按键 7 是否按下温度下限 + 1 ， 经P 0 . 3 发送指令 5温度下限 - 1 ， 经P 0 . 3 发送指令 4温度上限设为1 8 C ， 经 P 0 . 3 发送指令 4温度上限设为2 8 C ， 经 P 0 . 3 发送指令 5重新启动关闭 L E D 显示开启 L E D 显示经串口发送指令2 ， P 0 . 0 置零经串口发送指令1 ， P 0 . 0 置零经串口接收温度数据 ， P 0 . 0 置 1温度数据经串口发送至 L E D 显示经串口发送指令3 ， P 0 . 1 置零经串口接收人数数据 ， P 0 . 1 置 1是否有按键被按下初始化温度是否大于2 8 C温度是否低于1 8 C经 P 0 . 3 口发送指令 4经 P 0 . 3 口发送指令 5人数是否为零经 P 0 . 3 发送指令 6发送人数数据至L E D 显示经串口接收热量数据 ， P 0 . 0 置 1发送热量数据至L E D 显示YYYYYYYYNNNNNNNNYNYNYNYN扫描键盘图 11 主单片机软件流程7 多个单片机串口通信串口通讯对单片机而言意义重大，不但可以实现将单片机的数据传输到计算机端，而且也能实现计算机对单片机的控制。由于其所需电缆线少，接 线简单，所以在较远距离传输中，得到了广泛的运用。7.1 硬件连接电路图在本文设计中采用三片单片机协同工作的方式，三个单片机之间的通信显得尤为重要，为了确保通信的稳定和有效，本系 统中采用三个单片机的串行口通信方式。其中负责温度调节和显示的单片机作为主机，负责温度采集和流量统计12的单片机作为1号子机，负责人数统计的单片机作为2号子机。如图12所示。 图中LED 为信号传输 指示灯，4个按键为调节按键。30p30p30p30p30p30p10K330330 10K 10K330 33012MHZ 12MHZ 12MHZLED22LED11 LED1LED210u 10u 10uEAVCCRESTP0.7GNDXTAL1XTAL2P0.2P0.3TXDRXDP0.5P0.6P0.489C51主主EA VCCRESTP0.7GNDXTAL1XTAL2P0.2P0.3TXDRXDP0.5P0.6P0.489C511主主主EA VCCRESTP0.7GNDXTAL1XTAL2P0.2P0.3TXDRXDP0.5P0.6P0.489C512主主主5VSW图 12 三单片机串行通信连接电路图结束语经过设计，本系统按照任务书的要求，基本 实现了设计目标，并且加入了人数统计系统以达到节能的目的。另外，本系统造价低廉，适合我国北方的普通暖气用户。当然，由于时间有限，设计较为匆忙，其中定有许多不足之处，离真正应用到实际之中还有不小的距离。不过也正是因为如此，它还有不小的发展潜力。例如在人数统计系统部分，其作用远不止可以实现室内无人时关闭暖气这么简单；另外主单片机设计了八个按键，按键的功能还可以进一步扩展，更好的进行人机对话，使系统更加的人性化。这些就留作以后的扩展，作 为设计人，我希望有更多的人能加入到本系统的开发，让它能真正应用到实际中，给所有的用户带了方便。致谢本文从选题的确定，论文的写作、修改到最后定稿都得到了导师悉心指导。特别是她多次询问写作进程，并为我指点迷津，帮助我开拓思路，精心点 拨，热忱鼓励。她严肃的教学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作 风深深地感染和激励着我。在此，谨向我的致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 此外，还要感谢在大学四年中帮助我的人，感 谢机电学院的老师们在学习上13的点拨。同时,也要感谢在论文写作过程中，帮助 过我、并且共同 奋斗四年的大学同学们，能够顺利完成论文，是因为一路上有你、有你们，再次衷心地感谢所有在我论文写作过程中给予过我帮助的人们，谢谢！参考文献1胡汉才.单片机原理及其接口技术M. 清华大学出版社 , 19962李华,孙晓民,李红青.MCS-51 系列单片机实用接口技术M. 北京航空航天大学出版社, 19933樊延虎,邵思飞,刘根据.一种单片机键盘显示系统的设计 J.延安大学学报, 20024李朝青.单片机原理及接口技术M. 北京航空航天大学出版社 ,20055孙余凯,吴鸣山.传感器技术基础与技能实训教程M. 电 子工业出版社,20066张洪润,刘秀英,张亚凡.单片机应用与设计 200 例M. 北京航空航天大学出版社 ,20067沙占友,孟志永,王彦鹏.单片机外围电路设计M. 电子工 业出版社,20078EvansGN,TowillDR,NaimMM.Business process reengineering the supply chain J.Production Planning