智能家庭采暖系統的研究與設計

張 瑞 王延玉

（ 濰坊科技學院，山東 壽光262700）

1 概述

鑒于冬季許多家庭特別是廣大農村地區在取暖時仍然采用煤爐取暖，而燃煤取暖不僅能源利用率低，污染嚴重，而且存在安全隱患。 因此電加熱型取暖爐成為不錯的選擇， 但現有家用暖氣供暖系統的溫控系統還不夠人性化和智能化。 因此， 進行該家庭采暖溫控系統的設計，主要是對水加熱過程和水循環過程的智能控制進行研究和設計。

2 總體設計及原理分析

2.1 總體設計

本系統采用STC12C5A60S2 單片機進行主控。 系統結構框圖如圖1 所示。

圖1

單片機完成信息處理和控制，協調各部件工作。溫度采集模塊完成溫度采集功能，并發送給單片機；繼電器驅動電路接收單片機的控制信號，實現電加熱功率的控制；電機驅動電路實現對水泵的控制；通信模塊負責單片機和移動終端之間的信息通信；顯示模塊實現溫度信息的顯示；按鍵輸入模塊完成控制指令的輸入。

2.2 工作原理

系統定時檢測室內的實際溫度并與用戶設定的溫度值進行比較。 當室溫高于所設定溫度值2℃時，關閉水泵，不為室內暖氣片組更換熱水；若室溫低于設定溫度值2℃時，開啟水泵為暖氣片組更換加熱箱內的更高溫度的熱水，從而通過更快的對流散熱來提升室內溫度。

設置了三個加熱片，在換水操作執行過程中，當室溫與設定溫度相差6℃以上時三個加熱片同時工作，當相差3℃至6℃之間時兩個加熱片工作，當相差3℃以內時為節省電力消耗，只有一個加熱片工作。

設置了兩種運行模式：正常運行模式與低溫運行模式，兩種模式可任意切換。 用戶可以通過手機短信的方式或是按鍵操作選擇其中一種模式， 并對室溫進行設置。 當用戶長時間不需要供暖時，可通過開啟低溫運行模式使加熱系統處于低功率運行狀態，使水溫保持在15℃，可以防止系統內部及管道內的水結冰，避免需要供暖時無法正常使用或是由于水結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。

加熱箱內設置有上下兩個水位探測器，做到實時監測。 如果上探測器檢測到水位已滿，則立即停止注水，當下探測器檢測到水位過低會停止加熱過程并立即開啟注水。

應用無線遙控可方便用戶通過短信方式進行室溫的設置，避免了手動調節，體現了智能化、人性化的要求。

3 系統硬件設計

STC12C5A60S2 單片機的EEPROM 斷電數據不會丟失，開機時自動從中讀取上次設定的溫度值，避免用戶反復設定，更加人性化。

顯示模塊采用數字字符液晶1602 顯示溫度信息， 兩行顯示，上方顯示房間實時溫度，下方為用戶設定溫度。

按鍵輸入電路包含兩個獨立按鍵和一個雙向開關， 原理圖如圖2（ a）所示。 按鍵用于設置溫度值的增減，當單片機的P20或P21 檢測到低電平時， 會進行設置溫度值的增加或減小操作。 雙向開關用于運行模式的選擇，當P22 檢測到高電平時，進入正常運行模式，低電平時進入低溫運行模式。

圖2

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

18B201 測室溫，18B202 測平均水溫，18B203 用于測經過散熱片后回流進入加熱水箱的水溫。 系統處于正常運行狀態時，將18B201 傳回的數據與設定的溫度值對比， 根據結果自動調整加熱片及水閥的工作；處于低溫運行時，為防止水溫過低對水管造成損害，根據18B203 測得的回流水溫和18B202 測得的平均水溫對加熱片和水閥做出調整。

加熱電路選用三個鐵鉻鋁電熱合金， 由ULN2803 繼電器驅動電路驅動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生過大的電流而燒壞繼電器等器件。 系統共用5 個繼電器，3 個連接加熱片，一個連接水閥，一個連接進水口電磁閥。

無線通信采用SIM900A 通信模塊，與STC12C5A60S2 單片機的串口2 相連。 可以對手機號進行綁定，若單片機檢測到發送方是所綁定的手機號則立刻進行數據提取，將所設的溫度值寫入EEPROM，否則單片機拋棄該短信包并通過指令告訴SIM900A 刪除該條短信。

設計了兩個浮力開關來監測加熱箱內的水位。 兩個浮力開關由單片機的兩個外部中斷進行控制，當水位下降到最低水位時，浮標因缺少水的浮力會落下，此時會觸發系統的外部中斷，水箱進水口處的閥門打開，向水箱內注水；當水位超過上開關時， 浮標借助水的浮力浮起此時再次觸發系統的外部中斷，關閉閥門，停止注水。

4 系統軟件設計

程序運行流程：初始化后，主程序進入循環。 若沒有中斷發生，則先檢測外部的模式選擇開關，如果是正常運行模式，將調用按鍵輸入函數，此時若有按鍵按下，將根據按鍵的操作對室溫進行加1 或減1 操作， 隨后進行EEPROM 扇區的擦除和改寫。若無按鍵，則直接返回循環等待。如果定時器定時1 秒到時，相應的標志位置位，此時將進行溫度的讀取與顯示，讀取室溫并和目標室溫比較， 進行不加熱或相應等級加熱處理并進行LCD 顯示。 若是低溫運行模式，將進行回流水溫度和平均水溫的讀取，然后根據平均水溫和回流水溫以及低溫運行所設溫度進行相應的加熱處理并LCD 顯示。 如果觸發外部中斷1，此時水箱的水位達到最低水位，將進行自動注水。 自動注水達標將觸發外部中斷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，將觸發串口2 中斷，讀取短信內容和相關信息，如果是綁定的手機號，將進行短信內容的提取和分析以及數據處理，并根據命令設定室內溫度以及對EEPROM 進行擦除和改寫和對所綁定的手機號回復設定成功的消息，并刪除此條短信；如果不是所綁定的手機號，將直接刪除短信，不執行相應命令。

結束語

本設計實現了對水加熱過程和水循環過程的智能控制，采用了遠程控制來調控室內的溫度，方便了人們的生活，非常貼近智能家居的實現； 低溫運行模式更是大大節約了供暖的成本，從而也節約了資源，達到了節能減排，保護環境的目的。