文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)05-0056-04
目前市場上供熱系統按熱量消耗單獨計費及根據室內溫度調控熱量供給的產品，大多都是通過溫度測量反饋調整室內暖氣入水口閥門開啟程度來調控室溫，而用熱的計費則是根據閥門開啟大小估算熱水流量并結合供熱時間來計費。室內熱量的消耗即為流過室內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，其室溫調控仍采用通過對室溫的測量調節入水流量的方案，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，則由當地燃料價格、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，室溫調控和供熱計費。
供熱系統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節室內溫度，遙控器內置的溫度傳感器測量室內溫度，根據用戶設定的需求溫度來調節室外管井中閥門的熱水流量，從而達到室溫調節的目的。
供熱計費系統由流量計、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，用以計算產生的費用，計算如公式(1)。其中M為t1到t2時間段內產生的用熱費用，K為供熱系數，由地方供熱部門根據各地實際情況確定，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，但管理者為當地供暖部門，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卡實現購買供熱熱量并對閥門進行充值操作，閥門根據實時計費情況進行費用扣除，供暖季結束后，用戶可通過IC卡將閥門剩余金額回寫到IC卡內，用于退費。
1.2.2 防凍功能
當閥門存儲器內存儲的費用不足時，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，則容易在閥門內積生水垢，不但增大了閥門開/閉的阻力，也容易造成驅動閥門的電機過熱燒毀。因此微控制器定期將閥門旋轉數周，避免閥門內水垢過多聚積。
1.2.4 供熱系數便捷修正功能
由于供熱系數為供熱部門或政府機構根據當年燃料因素、供熱效率甚至小區布局及樓層等方面確定，因此會造成逐年修正，為了避免修正系數帶來的程序升級的麻煩，本系統將供熱系數相關數據存放于IC卡內，用戶在購熱時，便由供暖部門將當年的系數寫入卡內，用戶充值時，閥門系統即可讀出，用于熱量費用計算。
2 硬件電路設計
溫控閥門系統框圖如圖1所示，由閥門系統和遙控器構成。閥門系統包括球閥、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
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。
單片機通過電機驅動芯片CR7010控制與球閥軸相連的減速電機正向/逆向旋轉[3]來調整閥門開啟程度，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
溫控閥門系統需要采集的數據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協議溫度傳感器[4]，精度為0.5 ℃，滿足水溫及室內溫度測量。而根據使用習慣，本系統顯示的溫度值精度為1 ℃。流量傳感器采用韋根傳感器WG112，直接將閥門內渦輪旋轉產生的磁信號轉換成脈沖信號，由單片機計數器采集轉換，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（同時作為用戶ID號），首次使用前用戶通過數據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]，其內部256 B的EEPROM足以滿足用戶ID號、金額、相關系數等信息的存儲。另外，同樣使用一片LM75作為室內溫度的采集。
按鍵K1～K4實現控制操作，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溫度、用戶設定溫度、IC卡內金額、閥門存儲器內余額、當前流量等數據信息（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驅動芯片HT1621來實現對液晶屏的控制[7]，設計中液晶屏為26段段碼屏，通過4-com線與22-seg線實現上述信息的顯示，HT1621的控制為串行通信，節約了單片機的IO口。
3 單片機程序設計
3.1 數據格式
IC卡作為存儲用戶ID號、費用等信息的載體，系統對其數據格式的定義如表1所示。
金額采用浮點型數據，為管理中心購熱后充入的費用。當取暖季結束后，用戶如做金額回寫操作，即可將溫控閥門剩余費用回寫至卡內，用于退費等需求。
用戶ID號為5字節數據，為用戶在管理中心數據庫內相關信息的登記號，并在第一次購熱操作時由管理中心設定，在第一次對閥門充值時將ID號寫入遙控器和閥門的存儲器內。此時，用戶ID號亦作為IC卡、遙控器、閥門的唯一識別碼，避免了IC卡的混用和無線通信的干擾。
供熱系數3字節，包括熱力系數、壓力系數和效率系數（也可作其它定義），由管理中心根據實際情況確定后在用戶購熱時設定。
工程碼是維護人員所持工程卡專用，可將閥門存儲器內數據進行初始化操作。
校驗碼為金額數據的校驗和，在寫卡時避免數據錯誤。
讀卡后，單片機將數據信息存入存儲器，數據格式如表2。
標志位用作閥門是否第一次使用的標識，用來判斷是否對閥門系統的ID號進行更新。
由于nRF2401集成的shockburstTM發射/接收模式僅需要用戶配置好寄存器內發射頻道、數據寬度、地址寬度、發射功率等信息后即可直接將數據寫入寄存器發射，本系統選用5字節地址，12字節數據，地址即用戶ID號。通信數據格式如表3。
其中命令字：
0：充值，1：回寫，2：讀取金額和流量，3：讀取檔位，4：更新溫度，5：調整閥門檔位，6：更新系數，7：余額不足，8：電量不足。
3.2 程序流程
3.2.1 遙控器程序設計
遙控器實現如下功能：用戶設定溫度、根據室溫調控閥門流量、讀寫IC卡、讀出當前閥門流量等，費用值、系數值等都存儲在閥門的存儲器上，遙控器只是在用戶需要時通過無線讀出閥門系統的信息。
3.2.2 控制系統程序設計
圖3和圖4為系統遙控器部分和閥門部分的主要程序流程圖，遙控器通過4個按鍵實現了的溫度設定、充值、回寫以及閥門手動調節等功能，接收到閥門發出的欠費、電量不足等報警信息時能夠予以警示，在定時器啟動后則通過對比設定溫度與室溫的溫差控制閥門調整流量。當用戶插上IC卡，系統識別供熱系數是否改變，如有改變則向閥門發送更新系數命令，而后等待用戶的充值或回寫操作。閥門部分實現了流量及供暖入戶水溫和出戶水溫的測量并定時計費，在定時器啟動時根據遙控器發出的指令調整閥門流量。閥門同時響應遙控器所發出的查詢余額、流量、調整閥門、更新系數等指令并做相應操作。
通過入戶與出戶水溫的溫度差與當時流量積分所計算的用戶所消耗熱量更接近于實際值。引入了供暖系數通過用戶所持IC卡隨供暖中心購熱時即可更新，省去了系統后期的固件升級。由于使用唯一序列號作為用戶ID，實現了IC卡、閥門、無線通信地址碼的唯一性，避免了IC卡的混用以及無線通信的干擾。實驗樣機通過測試，閥門調節、溫度控制等穩定可靠，無線通信距離超過100 m。
參考文獻
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