集中供暖下家庭內(nèi)環(huán)境的節(jié)能型智能溫控系統(tǒng)

張釗源 李文永

摘要：主要介紹了一種在單片機(jī)控制下的集中供暖下家庭內(nèi)環(huán)境的節(jié)能型智能溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，以775雙滾珠軸承電機(jī)為驅(qū)動(dòng)的直流電動(dòng)機(jī)械手，并搭配TELESKY 2262四路無線遙控模塊和以DS18B20傳感器為基礎(chǔ)的溫度數(shù)顯模塊。實(shí)現(xiàn)了智能控制，測(cè)溫，漏電保護(hù)，節(jié)能，高低溫預(yù)警，室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)等功能。使得集中供暖時(shí)家庭內(nèi)環(huán)境溫度可調(diào)，使集中供暖更人性化。

關(guān)鍵詞：STC89C51單片機(jī);PT2294-M4解碼芯片;DS18B20測(cè)溫模塊;機(jī)械手;溫度反饋;智能溫控;數(shù)字溫度控制器

Abstract：This paper mainly introduces the design and implementation of an energy-saving intelligent temperature control system for home environment under central heating under the control of single-chip microcomputer. The system uses the STC89C52 single-chip microcomputer as the control core，and the DC electric manipulator driven by the 775 double-ball bearing motor is equipped with the TELESKY 2262 four-way wireless remote control module and the temperature digital display module based on the DS18B20 sensor. It realizes intelligent control，temperature measurement，leakage protection，energy saving，high and low temperature warning，indoor temperature adjustment and other functions. The indoor temperature of the home can be adjusted when the central heating is performed，so that the central heating is more humanized.

Key words：STC89C51 single chip microcomputer;PT2294-M4 decoding chip;DS18B20 temperature measuring module;manipulator;temperature feedback;intelligent temperature control;digital temperature controller

1.引言

隨著經(jīng)濟(jì)以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采用集中供暖的方式確實(shí)是提高人們的生活質(zhì)量，改善環(huán)境污染的最優(yōu)方法，但是中國版圖南北狹長，橫跨溫帶季風(fēng)帶、亞熱帶季風(fēng)帶、熱帶季風(fēng)帶，導(dǎo)致南北各地區(qū)溫度有明顯差異，所以不同地區(qū)的人對(duì)于家庭內(nèi)環(huán)境的適居溫度有著不同要求。再加上近年來南北人口遷移也使得同一地區(qū)的不同個(gè)體對(duì)適居溫度的定義產(chǎn)生了明顯差異。采用智能溫控技術(shù)，將地暖水溫以室內(nèi)溫度的方式呈現(xiàn)，可以讓人們直截了當(dāng)?shù)淖x取信息，并依照信息自由調(diào)控溫度實(shí)現(xiàn)智能溫控，為人性化家居提供了良好的示例具有廣闊的應(yīng)用前景

2.系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)介紹

該系統(tǒng)的主要功能有：智能化控制，測(cè)量室內(nèi)溫度，漏電保護(hù)，節(jié)能，高低溫預(yù)警，室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)等功能。本系統(tǒng)可以用家庭普通插座，以可靠的51單片機(jī)作為核心控制器，能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)各部分功能。該系統(tǒng)可以分為兩個(gè)主要部分——智能無線遙控閥門控制器以及數(shù)字溫度控制器。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要有電源部分，STC89C51工程板，數(shù)顯溫度控制器模塊，溫度示警部分，無線傳輸模塊，顯示部分組成。

2.1智能控制功能

本功能是由12V電源適配器、離合器、電動(dòng)機(jī)機(jī)械手、機(jī)械手輸出軸、金屬減速齒輪、315無線網(wǎng)控制盒、控制器組成，其大致控制流程如下圖：

電源→12V電源適配器→采集溫度并顯示→ 用戶通過控制器發(fā)出指令→ 315無線網(wǎng)控制盒接收→驅(qū)動(dòng)離合器、金屬減速齒輪、電動(dòng)機(jī)機(jī)械手→球閥變化→室內(nèi)溫度變化

2.2溫度控制功能

當(dāng)控制系統(tǒng)正常運(yùn)作時(shí)，該部分是當(dāng)檢測(cè)主管溫度并以數(shù)字的形式呈現(xiàn)，若用戶認(rèn)為室內(nèi)溫度不合適，可以用遙控器控制機(jī)械手從而調(diào)控室溫達(dá)溫控目的，使室內(nèi)溫度達(dá)到適宜的家居溫度。

2.3人機(jī)控制功能

也就是說，用戶可以通過液晶屏采集的溫度信息，使用四個(gè)無線遙控裝置自行設(shè)定室內(nèi)溫度。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1單片機(jī)的選擇

單片機(jī)，從應(yīng)用的角度上來說就是在一塊硅片上集成了微處理器，存儲(chǔ)器以及各種輸入/輸出接口的大芯片，所以這樣的芯片就具有了計(jì)算機(jī)的屬性，因而被稱作單片微型計(jì)算機(jī)。用戶可以根據(jù)自己的目的來控制這塊芯片的各引腳在不同的時(shí)間輸出不同的電平，實(shí)際上是控制這塊芯片的各引腳相連接的外圍電路的電氣狀態(tài)。單片機(jī)的種類繁多，一般按單片機(jī)數(shù)據(jù)總線的位數(shù)進(jìn)行分類，主要分為4位、8位、16位和32位單片機(jī)。在實(shí)際的應(yīng)用中，4位機(jī)雖然成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是其編程復(fù)雜，指令不豐富所以并沒有大面積應(yīng)用。16位機(jī)和32位機(jī)性能優(yōu)越，集成度高，指令豐富但是造價(jià)太高，普通用戶無法全部利用其功能所以沒有廣泛推廣。8位機(jī)以其小巧靈活性價(jià)比較高且指令豐富的優(yōu)勢(shì)迅速橫掃了全球單片機(jī)市場(chǎng)的70%份額，可以說8位單片機(jī)將在今后一段時(shí)間內(nèi)仍是工業(yè)檢測(cè)控制的主流機(jī)型。

經(jīng)過綜合考量，選擇價(jià)比極高的STC89C51RC 40C-PDIP單片機(jī)（單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T））此單片機(jī)芯片是由宏晶STC生產(chǎn)，采用8051內(nèi)核芯片，內(nèi)部含F(xiàn)lash E2PROM存儲(chǔ)器，是一種由串行下載功能的Flash存儲(chǔ)器，既具有ISP可在線編程功能。4KB的內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間完全可以容納用戶的指令，其芯片外部晶振最高可接4MHz，對(duì)于傳統(tǒng)8051，它的速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。完全能滿足用戶系統(tǒng)要求。

3.2溫度檢測(cè)模塊的選擇

該系統(tǒng)選擇的是DS18B20測(cè)溫模塊，DS18B20是一種可以直接將測(cè)量的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的測(cè)溫模塊，DS18B20應(yīng)用了達(dá)拉斯企業(yè)特有的單總線協(xié)議，如此，可以讓總線傳輸僅需要一根端口引腳線，;其溫度分辨率可以達(dá)到0.0628℃，溫度測(cè)量范圍為-55℃～+125℃，完全適合本系統(tǒng)的溫度要求;寄生電源方式可以直接從數(shù)據(jù)線上獲取供電，而不需要單獨(dú)供電電源減小了系統(tǒng)負(fù)擔(dān);此外，CPU只需一根引腳線就可以與眾多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)約大量的端口線和邏輯電路^[3]。完全符合實(shí)際應(yīng)用和系統(tǒng)要求。

3.3溫度顯示函數(shù)

數(shù)字溫度控制器附帶液晶屏，有液晶屏反饋溫度信息。用DS18B20溫度測(cè)量模塊測(cè)量管內(nèi)溫度，然后測(cè)量室內(nèi)溫度。兩者之間存在功能關(guān)系。該函數(shù)是通過繪制點(diǎn)和連接線的方法繪制的。通過C語言編程，得到溫度函數(shù)并寫入溫度測(cè)量模塊。

3.4無線遙控模塊的芯片選擇

在控制成本的要求下要最大程度的方便用戶使用，所以選擇的方案必須符合傳輸距離遠(yuǎn)且頻率穩(wěn)定，要極具抗干擾性，所以選擇PT2294-M4作為無線遙控模塊芯片，PT2294-M4是一種以超再生為工作方式的鍵控點(diǎn)動(dòng)接收解碼芯片。超再生接受模塊一共有七個(gè)引出端，其中有四個(gè)端口是PT2294上集成電路的輸出腳，為點(diǎn)動(dòng)輸出端。當(dāng)接受到有效信號(hào)是輸出5V高電平，電路電流為2mA，四個(gè)輸出端口與用戶使用的發(fā)射器上的按鍵相對(duì)應(yīng)。使用過程中，用戶可將這些信號(hào)加一級(jí)放大，便可驅(qū)動(dòng)繼電器、功率三極管等進(jìn)行負(fù)載遙控開關(guān)操縱。

4.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分，分別是智能機(jī)械手的程序設(shè)計(jì)和數(shù)字溫度控制器的程序設(shè)計(jì)。為了提升程序的可讀性和方便維護(hù)性這兩部分的程序設(shè)計(jì)均采用了標(biāo)準(zhǔn)程序開發(fā)的模塊化設(shè)計(jì)規(guī)范，以此來為將來的系統(tǒng)功能完善和設(shè)計(jì)添加提供了方便。整個(gè)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)全部采用了C語言進(jìn)行代碼編寫，決定使用Keil C51集成環(huán)境開發(fā)軟件部分。Keil C51是由德國Keil Software公司開發(fā)的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)。其生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語言的優(yōu)勢(shì)。

5.總結(jié)

該集中供暖下家庭內(nèi)環(huán)境的節(jié)能型智能溫控系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）微電腦智能控制的機(jī)械手門閥;

（2）無線遙控，最大程度方便用戶使用;

（3）即時(shí)采集溫度信息，將信息處理并通過液晶屏反饋給用戶，用戶可以根據(jù)即時(shí)溫度來決定室內(nèi)溫度;

（4）室內(nèi)溫度可以自由設(shè)定，溫度預(yù)警提示;

（5）恒溫輔助設(shè)計(jì)，自動(dòng)選擇適宜的家居溫度;

6.臨沂大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助

參考文獻(xiàn)

[1]郭天祥，新概念51單片機(jī)C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]劉健榮.基于嵌入式技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電垂直風(fēng)道氣流場(chǎng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì).2012.

[3]DS18B20 Datasheet （PDF）Maxim Integrated Products，2008

[4]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010

作者簡(jiǎn)介：張釗源（1998-11-28），山東省濰坊市，臨沂大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院本科生，研究方向：自動(dòng)化。

李文永，山東省臨沂市，臨沂大學(xué)優(yōu)秀講師，榮獲2017臨沂大學(xué)學(xué)科競(jìng)賽優(yōu)秀指導(dǎo)教師;發(fā)表諸多論文;取得軟件著作權(quán)四項(xiàng)，山東賽區(qū)優(yōu)秀指導(dǎo)教師。

項(xiàng)目編號(hào)：201810452036。

（作者單位：臨沂大學(xué)）