基于STC單片機的溫控熱計費采暖閥門的設計
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目前市場上供熱系統(tǒng)按熱量消耗單獨計費及根據(jù)室內(nèi)溫度調(diào)控熱量供給的產(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，而用熱的計費則是根據(jù)閥門開啟大小估算熱水流量并結(jié)合供熱時間來計費。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、進出戶的水溫差以及時間成正比，而熱量的計費應當是綜合上述諸多因素，僅僅以流量或使用時間進行計費有失準確。當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單片機的溫控采暖閥門的設計，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，而供熱計費則充分考慮了入水流量及進出戶水溫度差，供熱計費引入的供熱系數(shù)，則由當?shù)厝剂蟽r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，具有功耗低、抗干擾性強的特點，比較適用于供熱環(huán)境。
1 閥門總體設計
1.1 基本功能
溫控采暖閥門具備如下兩個基本功能，室溫調(diào)控和供熱計費。
供熱系統(tǒng)的入室閥門設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，從而達到室溫調(diào)節(jié)的目的。
供熱計費系統(tǒng)由流量計、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時的流量和溫度差，用以計算產(chǎn)生的費用，計算如公式(1)。其中M為t1到t2時間段內(nèi)產(chǎn)生的用熱費用，K為供熱系數(shù)，由地方供熱部門根據(jù)各地實際情況確定，Tin，Tout為入水/出水口溫度，I為當時測量的流速。
1.2 附加功能
考慮到該閥門應用于家庭用戶，但管理者為當?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卡預付費功能
通過IC卡實現(xiàn)購買供熱熱量并對閥門進行充值操作，閥門根據(jù)實時計費情況進行費用扣除，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。
1.2.2 防凍功能
當閥門存儲器內(nèi)存儲的費用不足時，閥門在提示金額不足后關閉，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，閥門開啟一定角度，若溫度仍有下降，閥門逐漸開大，以確保用戶長時間離家無法充值或用戶自行關閉閥門設備后室內(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構根據(jù)當年燃料因素、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)相關數(shù)據(jù)存放于IC卡內(nèi)，用戶在購熱時，便由供暖部門將當年的系數(shù)寫入卡內(nèi)，用戶充值時，閥門系統(tǒng)即可讀出，用于熱量費用計算。
2 硬件電路設計
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STC89LE52，這款3.3 V工作、PQFP封裝的小型單片機功耗低(工作電壓4 mA~7 mA)，抗干擾能力強(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。
單片機通過電機驅(qū)動芯片CR7010控制與球閥軸相連的減速電機正向/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，由單片機計數(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)。單片機與nRF2401間的通信為串行通信，射頻的頻道、校驗地址碼和發(fā)射功率均由單片機串行配置。為了避免相鄰用戶間相互干擾，每個用戶的校驗地址碼均在第一次購買熱量時由管理中心按照用戶信息寫在用戶的IC卡內(nèi)（同時作為用戶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行地址注冊，即可為其配置好唯一的校驗地址，避免了因每套設備單獨燒制校驗地址帶來的麻煩。
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實現(xiàn)控制操作，定義如下：
長按K1：開/關機；
短按K1：查詢余額、流量；
長按K4：查詢并調(diào)整檔位；
短按K4：查詢并設定溫度；
K2：升高溫度（設定溫度時）、充值（IC卡插入時）；
K3：降低溫度（設定溫度時）、回寫（IC卡插入時）。
2.2.2 顯示模塊
顯示模塊需顯示室內(nèi)溫度、用戶設定溫度、IC卡內(nèi)金額、閥門存儲器內(nèi)余額、當前流量等數(shù)據(jù)信息（當讀取閥門檔位時顯示檔位信息），并要顯示插卡錯誤、溫度設定過高、余額不足、電量不足、充值或回寫成功等提示信息。單片機通過IO口控制LCD驅(qū)動芯片HT1621來實現(xiàn)對液晶屏的控制[7]，設計中液晶屏為26段段碼屏，通過4-com線與22-seg線實現(xiàn)上述信息的顯示，HT1621的控制為串行通信，節(jié)約了單片機的IO口。
3 單片機程序設計
3.1 數(shù)據(jù)格式
IC卡作為存儲用戶ID號、費用等信息的載體，系統(tǒng)對其數(shù)據(jù)格式的定義如表1所示。
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