无人值守智能暖气节能系统设计说明书

1、无人值守智能暖气节能系统设计说明书设计者 :桑一男 , 周斌 , 李勇政 , 付永胜(西北工业大学 动力与能源学院,机电学院 作品内容简介目前 , 各地区因供暖不当导致资源严重浪费,且由此产生的二氧化碳排放量加重了环境负 担。我们设计了一种暖气供暖节能控制器,该系统由常用电磁阀、光敏电阻、温度传感器、 热释电红外人体传感器和单片机构成。 该产品通过对已设定温度、 环境温度、 环境光强信号、 人体辐射的红外线 三个指标的综合分析统计来实现对被控环境的温度控制。 最大限度地减少 供暖环境维持适当温度所需的能量,并且能自动分析无须供能的时段。本系统还具有潜力通过添加串口或网线端口互联成一个网络系统

2、, 实现大楼甚至整个楼 宇群的供暖控制。因经费和时间问题,功能演示时未涉及该方面。联系人 :桑一男联系电话mail :syin19901 研制背景及意义我国大部分地区处于北温带,冬季温度较低,需要进行供暖。且大部分地区以燃煤供暖 为主,在学校写字楼及其他办公场所经常出现供暖温度过高或无人时仍持续供暖造成的能源 浪费。该产品通过特殊算法,在几乎不需要人员干涉的情况下,合理地控制供暖液体的流通 来解决这一问题, 实现节能减排与节约供暖费用的双重效益, 且该设计成本较低, 使用简单, 易于推广,符合可持续发展的要求。2 设计方案2. 1硬件部分:1 电 器控制该系统的控制电

3、路部分由光敏电阻,温度传感器,热释电人体感应器以及单片机构成。 可以利用控制器上的按键来进行温度设定,通过 LED 显示设定温度。传感器、按键、显示以 及最终的控制输出由单片机加以处理,实现全自动化的控制功能。由于该控制器使用的部件 均为小功率元件,功能强大但耗能小,使用寿命长。2机械控制该产品机械部分为一个普通电磁阀 (本演示模型采用减速电机阀门 , 通过接收控制部分 的电信号来开启或闭合,使供暖液断开或流通,达到控制温度的目的。驱动电动阀门可以通 过继电器或功率三极管组成的 H 桥电机驱动电路来实现,本演示模型采用后一种方案。2. 2软件部分1实现闭环控制的基本算法该算法主要完成基本温控功

4、能。可以设定温度,操纵传感器对环境温度信息采样,并通 过控制阀门信号来对环境温度进行负反馈调节。同时,该算法还对环境光强进行反馈,当检测到夜晚灯光关闭时,自动关闭供暖。由于该部分是最基础的功能,同时可以制作实物且易 于演示,故编写了源程序,并进行软件模拟仿真和实物展示。2实现自我优化的高级算法该算法是在实现闭环控制的基本算法之上,进一步优化系统对环境信息的感知分析能力, 在更恰当的时机切断或恢复供暖,使节约的能源成倍增加,几乎不需要人工设置,同时提高 供暖的舒适性。 由于该算法比较抽象, 且不能制作实物, 故采用示意图的形象方式进行阐述。3.理论设计计算电路部分:光传感器采用市售常见光敏电阻,

5、 经实际试验, 测得电阻变化范围在 20020K , 单片机 AD 转换范围 05V ,为便于区别白天黑夜,取阻值 10K 的电阻与之串联, AD 转换采样引脚 与 10K 电阻和光敏电阻连接处相连。室温一般处于 -20 C 40 C ,考虑到传感器的一致性和抗干扰性,故采用 IC 温度传感器 DS18B20。该传感器以单总线形式输出数字信号,精度高,电路连接简单。电动阀门功率驱动电路,经过实测,实物模型所采用的型号其额定电压为 6V ,实际工作 峰值电流不超过 0.5A ,持续时间不超过 0.5s ,基于成本考虑,采用 s8550和 s8050三极管组 成桥式驱动电路。 资料显示该系列三极管

6、最大集电极电流瞬时可达 1.5A , 故能满足设计需求。4.工作原理及性能分析4.1软件优化算法部分原理分析:该项技术最突出的特点在于能自动对环境和人员活动进行统计汇总, 计算出最佳的时间 点,使得在没有需要的情况下停止供暖,在有需要的情况下提前预热,从而既节省能耗,又 不影响供暖效果。具体而言,一方面,该系统在一天结束的时间段里利用光敏传感器检测灯光是否关闭, 利用热释红外传感器检测人员是否离开,并将相应的时间点记录。利用最近几天的数据,计 算出期望时间点; 另一方面, 该系统对当天首次打开暖气直至达到预定温度的时间进行统计, 从而确定最佳提前预热时间点,保障人员到达时温度恰好达到预设;对夜

7、间暖气关闭后室温 自然下降速率进行统计,计算出最佳提前关闭暖气的时间,达到人员离开前暖气已经关闭, 但室温保持在容许范围之内的效果。以上各点均是为了达到节能最优化并且不影响供暖的有 效性、及时性而设计,整个过程基本处于无人值守状态。在需要供能,白天及热释电感应器检测到有人时,主要通过温度传感器来进行工作。温 度传感器会自动检测环境温度,与设定的温度范围进行对比,进而进行闭环操作。在晚上关 灯和第二天上课或上班之前,热释电感应器会检测人流与时间的对应关系并存储,作为以后 预热及提前关闭的参数,从而达到无人时已基本冷却,人来前已基本预热的效果。以下通过图表和示意图的形式对以上过程进行阐述: (图

8、1日工作循环图以上是该系统在一昼夜间工作状态的时间线 (该图假定供暖场所 白天上班, 晚上人员离 开,其他情况雷同不再赘述 。自左向右,流程依次为:当经过白天的工作到达夜晚时,控制系统在 Valve-off-line 时 间点提前将暖气切断,不再进行闭环控制,此时,人员还未离开或建筑中的灯未关闭,此举 旨在充分利用房间余热保持温度,当人员离开(People-leave line时间点或灯光关闭时, 室内温度刚好降至容许范围极限附近。这个提前切断的时间 Pre-off time 是通过统计算法得 出的最优值,获取该值的算法在下面介绍。经过一夜的自然冷却,建筑物内的温度降至较低值,由于暖气供暖的热

9、滞后性,故必须 提前 Pre-on time将暖气开启,当人员到达时(People-arrive line时间点刚好达到预设 温度值附近,从而不影响供暖效果和人员的主观感受。其中这一提前预热时间 Pre-on time是通过统计算法得出的最优值,获取该值的算法在下面介绍。从上面的描述中可以看到, Pre-off time和 Pre-on time是以 People-leave line 和 People-arrive line 为参考点的, 故必须通过一定算法获取这两个值, 获取方法在下面介绍。 Light-off line和 Light-on line的作用与 People-leave li

10、ne 和 People-arrive line相 似,两者互为备份,提前开启关闭时以其中的较小一个时间点为准。此举旨在增强系统对环 境判断的准确性,使之在正常工作人员离开、到达房间的时间点被判断为 Pre-off time和 Pre-on time 的参考时间点。4.1.1 获取停止供暖的参考时间点 (图 2对开始供暖时间点的统计图中横坐标为日期,纵坐标为时间点。该系统将最近几天人员离开、灯光关闭的时间进 行记录,并进行线性拟合推算出下一次的期望时间点。其中,每一个 Light-off 时间点是由光 传感器检测到灯光关闭确定的,每一个 People-leave 时间点是由热释电红外传感器在持续

11、一 段时间内无有效信号输出确定的。4.1.2 获取停止供暖的参考时间点 (图 3对开始供暖时间点的统计图中横坐标为日期,纵坐标为时间点。该系统将最近几天人员到达、灯光开启的时间进 行记录,并进行线性拟合推算出下一次的期望时间点。其工作细节同获取停止供暖参考时间 点的过程。4.1.2 获取提前切断供暖的时间如图 4所示,在 valve-off 时间点之前,系统处于闭环温控状态,当到达 valve-off 时间 点之后,暖气被切断,温度开始下降,通过计算温度下降 T (即容许降温的最大值经过 的时间,并对该时间点按天进行统计,得出优化的提前关闭时间 Pre-off time.4.1.3 获取提前断

12、供暖的时间 Pre-on-timeValve-open(图 5 获取 被供热场所提前打开暖气时间 如图 5 所示，在 valve-open 时间点之前，供暖场所经过一夜自然冷却，温度达到较低值， 当到达 valve-off 时间点时，暖气被打开，温度开始上升，通过计算温度上升至设定温度所需 时间，并对该时间点按天进行统计，得出优化的提前开启时间 Pre-on time. 4.2 软件闭环控制算法部分原理分析： 该系统除了能准确对人员离开的时间点进行优化判断外，在正常供暖时间段还利用闭环 控制将室温保持在一定范围，故其工作时段也有较好的节能效果，同时使供暖兼有空调般可 调温度的舒适感。 软件使用

13、 C 语言编写。在此给出演示模型使用的控制子程序： void final_control( if(input_light<=max_light /当光敏电阻很小，光线强，白天时执行 if 语句体 if(input_temperature<(set_temperature-0*100; /当温度小于设定温度时 if(valve_is_open=0open_valve(; /当阀门已经开启时,无需重复开启 if(input_temperature>(set_temperature+0*100 /当温度大于设定温度时 if(valve_is_open=1clos_valve(; e

14、lse if(valve_is_open=1clos_valve(; 4.3 硬件部分原理分析： 硬件部分主要由单片机、传感器、驱动电路及电机构成。 （图 6-1）单片机控制板实物 ） 4.3.1 光敏电阻传感部分 6 （图 6-2）光敏电阻传感部分 ） 该传感部分由光敏电阻和一个用于分压的串联电阻组成，经过计算，当 R1 取 10k 时有 较好的效果。光敏电阻两端连接了一个伏特表，用于在演示实验时验证数据准确性（真实产 品中将去除这个伏特表） ，其中连接伏特表正极的端点将连接至控制芯片 AD 转换引脚。 4.3.2 H 桥电机驱动电路 （图 7-1）H 桥电机驱动电路 ） （图 7-2）减速电机阀门实物图 ）减速电机阀门实物图 7 由于演示模型中采用带限位的减速电机阀门，故采用 H 桥电机驱动电路方案。该电路的 左右两个端点(图 7-1 标为 motor_out1,motor_out2 的引脚 连接至控制芯片， 从而达到控制 该电机正反转而开合阀门的效果。 下图为演示模型的整体电路图： （图 8）演示模型整体电路 ） 5创新点及应用 1）在本系统软件将采用“算法优化” ：系统能通过智能化分析处理，实现既节省能耗， 又不影响供暖效果的目的。这也是本产品与其他同类产品相比的一大技术创新。此外