暖气控制系统设计

摘 要介绍了一种基于 MCS51 系列 单片机的新型智能暖气控制系 统。针对我国北方冬季气候特点，在分析现 有暖气供应的基础上， 设计 了基于单片机技术的更具人性化，自动化，智能化的室内暖气控制系 统。单片机根据温度 传感器和键盘采集的数据来判断室内情况，从而驱动电磁阀， 调节暖气片的热水流量，达到智能调节室内温度的目的。关键词：单片机，温度传感器，LED 显示，电磁流量计1The Design of Heating Control SystemAbstractA new type Intelligent Heating Control System based on a single-chip of MCS51 series is introduced in this paper. For the characteristics of winter weather in northern China, and the analysis of existing Heating supply, a more humanistic, automatic, intelligent control system of Indoor Heating is designed based on single-chip technology. According to the collected data of the temperature sensor and keyboard to judge the room state, to regulated the flow of hot water radiator by driving the solenoid valve. So regulate the indoor temperature.Key words：Single-chip, Temperature Sensor, LED Display, Electromagnetic Flow Meter2目 录 1 引言 .12 总体设计方案 .12.1 设计思路 .12.2 设计框图 .23 温度数据采集系统 .23.1 数字温度传感器 .23.2 SWC 接口电路 .33.3 单片机与 SWC 的连接电路 .44 流量数据采集系统 .44.1 电磁流量计 .54.1.1 工作原理 .54.1.2 测量原理 .54.2 单片机与流量计的接口电路 .65 人数统计系统 .75.1 键盘布局 .75.2 键盘接口电路 .76 温度控制系统 .86.1 键盘控制模块 .86.2 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 .936.3 温度调节模块 .106.3.1 流量控制器 .106.3.2 PWM 驱动电路 .116.3.3 比例电磁阀 .117 多个单片机串口通信 .127.1 波特率选择 .127.2 89C51 的串行口 .137.3 硬件连接电路图 .148 软件部分设计 .148.1 1 号子机软件流程 .158.2 2 号子机软件流程 .168.3 主单片机软件流程 .17结束语 .19致谢 .20参考文献 .21附图 总电路图 .221 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。 现在，我们根据前人的经验，提出按 热量计费的方式。我国室内暖气供应控制一般是手动阀门，有的住户干脆没有 阀门。 这样的方式造成一旦暖气开通，所有用 户都以4最大模式运行，不管用户家中是否有人。这样造成了大量的热量流失和浪费。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。2.2 设计框图设计框图如图 1 所示。58 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 1（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 ）。其引脚信号波形如图 2 所示。6.TQKS图 2 SWC 引脚信号波形其实 K 端实际上也是电源线，其工作方式 为加电启动或宽脉冲触发。当对其控制线加电压或宽脉冲时，经复位时间 TQ 之后信号线上便输出一串脉冲。该脉冲的个数即表示被测温度的数字量。这里还需要说明一点，输出脉冲个数的多少不取决于加电脉冲的宽度，而取决于 SWC 内部正比于温度的参考 电压的大小，即温度的高低。利用 SWC 这种特点，可以方便地与单片机配接。3.2 SWC 接口电路SWC 与单片机配接的方案有两种，一种是外加电方式，另外一种是采用软件实现。本设计中，采用外加电配接方式。方案如下：D1D2 W1W2RSWCR89C5112V5VIC1IC2 IC3图 3 SWC 的外加电方式接口电路此方案为外加电方式，即控制线 K 上所加宽脉冲为一外接振荡器，由振荡器的脉冲宽控制 SWC 启动，如 图 3 所示。SWC 传感器出厂均 严格约定为每个脉冲 0.1C 的增量，而脉冲 频 率为 15KHZ 左右。 89C51 单片机的 P3.4 P3.5 引脚为计数器时，对外部事件的最高计数速度为 fosc/24。若晶振为6MHZ，6MHZ/2415KHZ，则计 15KHZ 左右的脉冲是没有 问题的，15KHZ 脉冲的周期为 0.067ms，SWC 传感器的测量上限若为 150C，则须计 1500 个脉冲，大约 100ms。即在控制 线 K 端加电的脉宽应大于 100ms，否则会引起误差。重复对SWC 进 行加电启动，可实现对 被测温度的连续采样 。7若以 P3.4 为计数输入端，则必须将 8951 特殊功能寄存器 TMOD 中的 D3位即门控制位 GATE 置为 1.则只有当定时器运行控制位 TR0=1，且 INT0 引脚为高电平时，才启动 T0 计数器 计数， 这种情况下，只要 INT0 为高电平，计数便开始；INT0 为低 电平，停止计数。T0 计数受控于 INT0 的高低电平，利用这一特点，让 SWC 的控制线 K 与 INT0 相连，只要 INT0 变为高电平，一方面 给 SWC 加电，其输出为 15KHZ 的脉冲；另一方面使单片机计数器 T0 开放，开始计数，计数脉冲的多少就是温度的数字量，图 3 中 IC1 为施密特触发器，它和电容 C，电位器W1、W2 一起构成占空比和频率均可多调的多谐振荡器。W1、 W2 可设定脉冲占空比，振荡器输出脉冲宽驱动三极管给 SWC 加电 ，每加一次电采样一次，SWC 传 感器的信号线 S 经 两级施密特触发整形后送至 单片机的计数端 T0，完成一次温度采样。由 SWC 的工作原理可知，所 谓 SWC 的应用，就是对 SWC 的控制线加电后，紧接着检测信号线上输出脉冲的个数，从而得到被测温度的数字量。89C51 内部有两个相同的 16 位计数器，如果要检测三点或者以上的温度，或者计数器已被占用，我们也可以采取单片机的偶同 I/O 口用查询法实现温度的采样。3.3 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4 所示。1003K1003K106201K10 620 1K 10 6201003K1K4N254N254N254N254N254N25SWC SWCSWC9014 9014901412V5VP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.589C51图 4 单片机与 SWC 的硬件连接电路4 流量数据采集系统单片机 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。84.1 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。4.1.1 工作原理电磁流量计 2（Eletromagnetic Flow meters，简称 EMF）是 20 世纪 5060 年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的， 电磁流量计用来测量导电液体体积流量的仪表。由于其独特的优点，电磁流量 计目前已广泛地被应用于工业过程中各种导电液体的流量测量，如各种酸、碱、 盐等腐蚀性介质；电磁流量计各种浆液流量测量，形成了独特的应用领域。在结构上，电磁流量计由电磁流量传感器和转换器两部分组成。传感器安装在工业过程管道上，它的作用是将流进管道内的液体体积流量值线性地变换成感生电势信号，并通过传输线 将此信号送到转换器。转换器安装在离传感器不太远的地方，它将传感器送来的流量信号进行放大，并转换成流量信号成正比的标准电信号输出，以进行显示，累积和调节控制。4.1.2 测量原理根据法拉第电磁感应定律，当导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生电势 e，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的磁感应强度 B，导体在磁场内的长度 L 及导体的运动速度 u 成正比，如果 B， L，u 三者互相垂直，则有eBlu 与此相仿在磁感应强度为 B 的均匀磁场中，垂直于磁 场方向放一个内径为 D 的不导磁管道，当导电 液体在管道中以流速 u 流动时，导电流体就切割磁力线如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极，如图 5 所示， 则可以证明，只要管道内流速分布 为轴对称分布，两 电极之 间也特产生感生电动势：eBDu 式中，u 为管道截面上的平均流速由此可得管道的体积流量为： 9B4DeL4u22qv由上式可见，体积流量 qv 与感应电动势 e 和 测量管内径 D 成线性关系，与磁场的磁感应强度 B 成反比， 为固定量，可视为与 qv 无关。只需测量 e，B 这两个变量就可得出通过流量计的液体流量，这就是电磁流量计的测量原理 。 图5 电磁流量计原理简图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6所示。4N254N2590146203KOPTOISO11001K 10P0.7P0.0P0.1P0.2P0.3P0.5P0.6P0.489C51 EMF12V5V图6 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vm10计算出流经暖气片的热水质量，再根据公式tCmQ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。5 人数统计系统5.1 键盘布局本部分设计中可以采用压力传感器实现，也可采用另外一种方法实现，本部分主要负责室内人数的统计，可以用键盘代替压力传感器。如图 7 所示，我 们可以在室内外各装一个大型的键盘，当有人从室外进入室内时，先踩下门外的键盘，后踩下室内键盘，单片机计数为 1，当有人从室内出门时，先 踩下室内键盘，后踩下室外键盘，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， 2 号子机发送数据至主单片机，主 单片机根据此数据，关闭流量控制阀，关 闭房间内的暖气。图 7 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两11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 8 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 8 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。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。6.1 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 3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。126.2.1 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。如图 9 所示。这种显示器有共阴和共阳两种。abfcgded pcdGNDedp baGNDfg12345 678910图 9 LED 针脚图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。74HC164 是串行输入，并行输出移位寄存器,并带有清除端。其引脚如图 10所示。Q 0Q 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7ABCLKCLR128934561011121374HC164图 10 74HC164 引脚图其中 Q0-Q7：并行输出端；A，B：串行输入端；CLR：清除端，零电平时，使 74LS164 输出端清零；CLK：时钟脉冲输入端，在脉冲的上升沿实现移位。当 CLK=0 CLR=1 时74HC164 保持原来数据状态。采用串行口扩展显示节省了 I/O 口，但传送速度较低；扩展的芯片越多，速13度越低。6.2.2 LED 显 示系统硬件 电路如图所示，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。方式 0 传送数据的波特率是固定的，为 fosc/12。其中，fosc 为 89C51 单片机的晶振频率。例如，fosc=6MHZ 时波特率为 500Kb/S，即每传送一位数据需要2us 时间。74HC164 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 11 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 流量控制器本系统采用 ATMEL 系列的 MCS51单片机为核心，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 5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，14也节省了暖气流量。IRF540IRF540A7407B7406R1 R2 R3Q2Q1PMW12V主主主图12 PWM 驱动电路图6.3.2 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 比例电磁阀比例电磁阀在上世纪60年代末就已经得到了应用，最初是用于液压控制系统。随着 单片机和集成电路的发展，其逐 渐应用到各种液体的流量控制中。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）。15图14 比例电磁阀特性曲线图7 多个单片机串口通信串口通信 6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 波特率选择波特率（Boud Rate）就是在串口通信中每秒能够发送的位数（bits/second ）。MSC- 51串行端口在四种工作模式下有不同的波特率 计算方法。其中，模式 0和模式2波特率计算很简单，请 同学们参看教科书；模式1和模式3的波特率选择相同，故在此仅以工作模式1为例来说明串口通信波特率的选择。在串行端口工作于模式1，其波特率将由计时/计数器 1来产生，通常设置定时器工作于模式2（自动再加模式）。在此模式下波特率计算公式为：波特率=（1+SMOD）*晶振频率/（384*（256-TH1）其中，SMOD寄存器 PCON 的第7位，称为波特率倍增位TH1定时器的重载值。在选择波特率的时候需要考虑两点：首先，系统需要的通信速率。这要根据系统的运作特点，确定通信的 频率范围。然后考 虑通信 时钟误差。使用同一晶振频率在选择不同的通信速率时通信时钟误差会有很大差别。为了通信的稳定，我们应该尽量选择时钟误差最小的频率进行通信。下面举例说明波特率选择过程：假设系统要求的通信频率在20000bit/s 以下，16晶振频率为12MHz， 设置 SMOD=1（即波特率倍增）。则TH1=256-62500/波特率根据波特率取值表，我们知道可以选取的波特率有：1200，2400，4800，9600，19200。列计数器重载值，通信误差如下表表1 89C51单片机波特率取值表因此，在通信中，最好选用波特率为1200，2400 ，4800中的一个。在本设计中，将采用模式3进行通信。其波特率的选择与模式1相同。7.2 89C51 的串行口89C51通过引脚 RXD（P3.0）和引脚 TXD（P3.1）与外界进行通信，其内部结构简化示意图如图十五所示。图中有两个物理上独立的接收发送缓冲 SBUF，它们占用同意地址99H，可同时发 送接收数据。发送缓冲器只能写入，不能读出；接收缓冲器只能读出，不能写入。串行发送与接收的速率与移位时钟同步，89C51用定时器 T1作为串行通信的波特率发生器，T1溢出率 经二分频后又经16分频作为串行发送或接收的移位脉冲，移位脉冲的速率既是波特率。从图中可以看出，接收器是双缓冲结构，在一个字 节被从接收缓冲器 SBUF读出之前第二个字节即开始被接收，但是，在第二个字 节接收完毕而前一个字节CPU 未 读取时，会丢失前一个字节。串行口的发送和接收都是以特殊功能寄存器 SBUF 的名义进行读/ 写的，当向 SBUF 发送 “写”命令时，即是向发送缓冲器 SBUF 装载并开始由 TXD 引脚向外发送一帧数据，发送完便使 发送中断标志位 T1=1。17/12 /16 主主SBUF主99H主主主SBUF主99H主主主主主主主主/16TH1 TL1/2foscT1T1主主主RXD RI主主SBUF主SBUF主SBUFTXD主主主主 TI主主BUSSMOD=1SMOD=0图15 串行口内部结构示意图7.3 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16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 16 三单片机串行通信连接电路图8 软件部分设计本系统采用三个单片机协同工作的方式。软件流程也将分为三个部分介绍。由于子单片机与主单片机采用串口通信，主单片机发送给电磁阀的指令也不尽相同，须制定通信协议，其协议表 2 所示。18表 2 通信协议表指令 涵义 代码指令 1 读取温度数据 1000指令 2 读取热量数据 1001指令 3 读取人数数据 1010指令 4 减小电磁阀流量 1011指令 5 增加电磁阀流量 1100指令 6 关闭电磁阀 11018.1 1 号子机软件流程1 号子机负责温度数据和流量数据的采集，以及热量的计算。其工作流量如图 17 所示，初始化后，单片机通过 P2.1-P2.4 口分别 采集暖气片进水口和出水口的温度，并保存在数据寄存器中，计算温差，保存数据。然后通过 P2.0 和 P2.7 口采集流量数据，并保存起来。接下来根据前面两步保存的数据计算出热量值，并进行累加，保存。在收到主单片机发送的读取热量数据指令（指令 2）时，将 热量数据通过串口发送至主单片机。接下来该自己还将通过 P2.5 和 P2.6 口采集房间内的温度数据并保存。在收到主单片机发送的读取温度数据指令（指令 1）时，将温度数据经串口发送至主单片机。至此，1 号子机程序结束，将直接 进入下一循环。19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YYNYNN图 17 1 号子机程序流程图8.2 2 号子机软件流程2 号子机负责房间内的人数统计。其工作流程如图 18 所示，初始化后， 单片机便开始扫描管脚 P0.2 和 P0.3，若管脚 P0.2 被置 0，则表示门外键盘被按下，则在数据存储器 1 中记为 1，并同时开始计时程序，若一分钟内管脚 P0.3 也被置零则在数据存储器 3 中记为 1 并同时清零数据存储器 1 中的数据和结束计时程序。若一分钟内 P0.3 未被置零，则数据存储器 1 清零并执行下一步程序。若管脚P0.3 先被置零， 则流程同上，在数据存储器 4 中记 1。然后根据数据存储器 3，4中的数据相减得出房间内的现有人数。在收到主单片机发送的读取人数数据指令（指令 3）时将房间内的人数数据发送至主单片机。另外，该子机还设有手动清20零键，在房间内最后一人离开时可以按下此键，确定所有数据存储器清零，确保人数数据为零。单片机在执行完该程序时将自动进入下一循环。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YN图 18 2 号子机程序流图8.3 主单片机软件流程主单片机是本系统的核心，负责读取温度， 热量，人数数据，并将之显示在LED 显示器上，并根据这些数据发送指令至 PWM 驱动电路调节室内温度；另外，主单片机还负责采集键盘数据，进行人机对话， 实现室内温度的手动调节。其工作流程如图 19 所示：初始化后主单片机开始扫描键盘，键盘共设 8 个按键。按键210 为增温键，按下后单片机接收到数据便发送增温指令（指令 5）至 PWM 驱动电路，驱动电磁阀增加热水流量，增加房间温度。按 键 1 为降温键，按下后，主机收到数据发送降温指令（指令 4）至 PWM 电路，降低房间内温度。按键 2 为睡眠模式设定键，按下后单片机收到数据发送指令至 PWM 电路，减小热水流量，并同时将温度上限设为 18C，电 磁阀会一直减小流量，直至房 间内温度下降为 18C。按键 3 为正常模式设定键，按下后单片机会恢复温度设定数据为正常。按键 4 为手动重启键，按下后单片机会重新初始化，恢复操作失误造成的一些错误设定。按键 5 为 LED 关闭键，按下后，单片机会停止向 LED 显示器发送数据，节省少许能量。按键 6 为 LED 开启键，按下后 LED 开启， 显示用户需要的数据。按键 7 为热量数据显示按键，正常情况下 热量数据是累加存储的，不 显示在 LED 上，只有在接收到指令时才会显示，作 为收费的依据。该按键的功能就是在按下后主单片机会发送热量数据读取指令（指令 2）至 1 号子机，接收数据并显示。键盘扫描完毕后单片机接下来便发送温度数据读取指令（指令 1）至 1 号子机，读取数据并显示，同时判断是否高于 28C 若高于此上限，便发送降温指令（指令 4）至 PWM。若低于 18C 便发送指令 5。如此实现室内温度的自动调节。接下来发送人数数据读取指令（指令 3）至 2 号子机，接收人数数据，若人数大于零则正常调节室内温度；若人数为零，则发送关闭暖气指令（指令 6）至 PWM，关闭电磁阀。实现房间无人时暖气关闭的目的以节省能量。执行完最后一步后单片机会接着执行键盘扫描程序进行下一循环。22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 19 主单片机程序流程图结束语经过设计，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23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，谨向我的指导老师致以诚挚的谢 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！24参考文献1张洪润,刘秀英,张亚凡.单片机应用