基于单片机的楼宇供暖节能系统的设计

基于单片机的楼宇供暖节能系统的设计

张志伟，王学水，王岩庆

（山东科技大学理学院应用物理系，山东 青岛266510）

摘要：设计了一种楼宇供暖节能系统。本系统以AT89C55单片机为核心，选取数字温度传感器DS18B20测量温度，自动控制回水流量，从而保证室内温度在稳定的范围内。并且通过RS-485通信接口和以太网串口数据转换模块与上位计算机通信，实现供暖的集中监控和管理。使用该系统在保证了供暖舒适性的同时最大限度的节约了能源，降低了供暖费用。 关键词：单片机；节能控制；以太网；集中控制

中图分类号：TP271 文献标识码：B

The Design of Building Heating Energy Conservation System Based on Single-chip

ZHANG Zhi-wei, WANG Xue-shui，WANG Yan-qing (College of Science, SDUST, Qingdao 266510, China)

Abstract: This article introduces a building heating energy conservation system based on single-chip. The system can adjust backwater flow automatically according to the temperature from the digital thermometer DS18B20 to keep the indoor temperature in a stationary range. In addition, heating information is transported to the host computer through RS-485 interface and Ethernet serial port modules. The host computer manages the heating system in a unified way. The system ensures heating comfort and saves much energy.

Key words: single-chip; energy conservation control; Ethernet; intelligent control 1 引言

冬季采暖是中国北方地区必不可少的，主要采用集体供暖的形式。热源供给主体是热力公司或小区锅炉房，但是这种供暖方式能源利用率较低。随着城市的能源供应越来越紧张，能源价格不断上涨，暖气节能问题成为人们所关注的焦点。为此，我们研制出了这套楼宇供暖节能系统，它提高了供暖效率，极大地节约了能源。 2 楼宇供暖节能系统的工作原理

图1 楼宇供暖节能系统工作原理图

图1为楼宇供暖节能系统的工作原理图。本系统的核心是暖气节能控制仪。它通过传感器采集温度、压力数据，并由单片机AT89C55进行分析。当室内温度降低时，暖气节能控制仪自动加大电动调节阀的开度，使进入用户的热水流量多一些，此时用户获得的热量增多，

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室内温度会升高；反之，室内温度升高时，暖气节能控制仪自动减小阀门开度，使进入用户的热水流量少一些，此时用户获得的热量减少，室内温度会降低。这样保证了用户室内温度的稳定。同时，暖气节能控制仪通过以太局域网把供暖信息远程传输到供暖控制中心的主控微机上，管理者通过主控微机上的软件监测、控制暖气控制仪的工作，在温度、压力出现异常时及时对供暖线路进行检查维修。 3 硬件电路设计

本系统主控单片机为AT89C55，结合外围模块实现楼宇供暖节能控制。主要的外围模块包括：键盘输入模块；显示模块；温度、压力采集模块；外存储器模块；阀门控制模块；数据远程传输模块和电源及复位模块。系统结构框图如图2所示。

图2 楼宇供暖节能系统结构框图

3.1 压力、温度采集模块

压力传感器采用电阻应变式，四个电阻应变片组成电桥的四个臂，输出与压力成正比的差分信号。这种全桥差动电路没有非线性误差，电压灵敏度高，且具有温度补偿作用。为了提高测量精度，测压电桥输出的信号由漂移低、线性度好、高输出阻抗和高共模抑制比的仪器用差分放大器OP07对信号进行放大。放大后的信号进入模数转换器ADC0809，由ADC0809把模拟信号转化为数字信号后进入单片机。

根据系统所测温度的范围和精确度（0.1℃）的要求，常用的铂电阻和热电偶温度传感器都符合条件，但是它们输出的是模拟信号，远距离传输时容易受到干扰。通过比较，我们选用集成智能数字温度传感器DS18B20。

DS18B20是DALLAS公司生产的单总线式数字温度传感器，测温范围为-55℃～+125℃，转换精度可达0.0625℃，并且输出信号为数字信号，可靠传输距离长（经过试验采用双绞线传输可靠传输距离可以达到200米），所以DS18B20完全能满足我们的要求。 3.2 时钟电路

系统时钟采用PCF8583芯片，它提供准确的日期和时钟，保证单片机对暖期、供暖时段进行正确的分析。在系统最初运行时设定好初始时间和工作方式，之后自动运行为单片机提供日期、时钟信息。为了防止系统在运行时掉电，采用一个纽扣电池为时钟芯片供电，这样芯片就可以在掉电时仍然正常工作，重启时不需要重新设置时间。 3.3 电动调节阀门控制电路

电动调节阀门需要4-20mA电流控制，所以单片机发出的数字信号需要加转换电路变成电流信号。数字信号由单片机P1.0口进入数模转换器TLV5620变成模拟信号，模拟信号再由 AD694芯片把电压信号转变为4-20mA的电流信号输出给电动调节阀门。从而实现单片机对电动调节阀门阀门的控制。控制电路如图3所示。

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图3 时钟、阀门控制与AT89C55连接图

3.4 数据远传的电路设计

数据传输电路包括MAX485芯片电路和一个以太网串口数据转换模块。AT89C55产生的TTL电平信号通过MAX485芯片变成RS-485电平信号进入以太网串口数据转换模块ZNE-100，ZNE-100把信号通过以太局域网传到主控微机。MAX485电路如图4所示。单片机P3.4控制数据传输方向，当P3.4为低电平时，器件处于接收状态；当P3.4为高电平时，器件处于发送状态。MAX485通过图4右端的接口与ZNE-100相连。

为了节约成本，我们用RS-485线把附近的几台暖气节能控制仪连起来，共用一个以太网串口数据转换模块。通信时，为了防止数据产生冲突，给每台控制仪设定了唯一的地址，某一时刻只有符合地址的控制仪才能在传输线上发送或接收数据。 4 单片机程序设计

单片机编程的思路如下：

(1) 在非暖期，如寒假、双休日等不工作的时间闭阀节能。

(2) 在暖期，非正常供暖时段，如夜间等不工作时间闭阀节能；在中午午休时间采用低温供

暖节能，以保证正常供暖时能够快速预热。

(3) 在暖期，正常供暖时段，如果室外温度足够高，达到设定的温度不需要供暖时，闭阀节

能。

(4) 在暖期，正常供暖时段，如果供暖不均匀，引起某条管路供暖过热，则减小阀门开度，

降低这条管道供暖流量，防止室内温度过高。 系统软件主程序由自检子程序、供暖模式选择子程序、阀门控制子程序和键盘扫描子程

图4 MAX485连接电路图

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序组成，主程序流程图如图5所示。在主程序运行过程中，自检子程序在自检未通过时使机器进入故障模式，提示该机器有问题；通过自检后，供暖模式选择子程序根据采集的数据自动选择合适的供暖模式，最大限度的节约暖气资源。

在编写单片机循环控制程序时，考虑到供暖的管道长、温度等参数变化缓慢，达到平衡需要一定的时间等因素，对阀门时刻进行动作的调节方法是不现实的。可以在一次阀门动作完毕之后间隔一段时间，等温度稳定后再进行下一次阀门动作。所间隔的时间称为调节时间。对于不同的供暖线路，管道长度、用户数量是不同的，调节时间也不同。管理人员可以通过键盘选取合适的调节时间。 5 微机软件的设计

为了便于工作人员远程监测、分析、保存供暖信息，作者用VC语言编写了一套用于主控微机的管理软件。通过微机更直观的显示供暖数据，并且保存更加可靠，数据可移植性也更强。微机强大的计算功能弥补了单片机计算能力的不足，通过软件可以的把温度、压力变化画成曲线，方便管理者分析供暖质量。

管理软件中还具有远程供暖模式控制功能。如果在非暖期需要对某栋楼供暖（如寒假期间使用学校礼堂开会），通过主控微机就可以控制暖气节能控制仪，保证正常供暖，不受暖期、供暖时段的影响。在供暖完毕后返回原来的供暖模式。 6 结束语

本文作者创新点：根据楼宇功能的不同灵活的设置供暖的时段和方式，使供暖更加的合理，最大限度的降低了暖气的消耗；测控网络采集的数据通过以太网络远传到供暖控制中心，并远程控制暖气节能控制仪供暖模式，方便了管理人员的监测、控制、分析等管理工作。

这套系统在山东科技大学办公楼、教学楼使用一年，通过计算，共节约27.8%的暖气消耗，取得了15.28万元的经济效益（数据来源于山东科技大学水电暖中心），达到了节约能源的目的，大大降低了供暖费用。 参考文献：

[1] 郭皓,黄华.远程数据采集控制分布式系统设计[J].微计算机信息,2006,6-1:137-138. [2] 赵娜,赵刚,于珍珠等.基于51单片机的温度测量系统[J].微计算机信息,2007,1-2:146-148.

[3] 王宇清.供热工程[M].北京:机械工业出版社,2004.

图5 主程序流程图 4

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[4] 宋文绪,杨帆.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社,2004.

[5] Mario de Sousa.RS232-RS485 converters [M].The Automation List dept, 2001. [6] William Stallings. Data and Computer Communication [M].Beijing: Higher education Press,

2002.

张志伟（1985-），男，汉族，山东临沂人，山东科技大学在读硕士研究生，研究方向为自动监测与信息处理。王学水（1964-），男，汉族，山东泰安人，山东科技大学副教授，硕士生导师，研究方向为自动监测与信息处理。王岩庆（1981-），男，汉族，天津人，山东科技大学助教，山东科技大学在读硕士研究生，研究方向为自动监测与信息处理。

Biography: ZHANG Zhi-wei(1985-),Male, Born in Shandong Linyi, as a graduate student presently studies in Shandong University of Science and technology, Research Field: Automatic Monitor and Information Processing. WANG Xue-shui(1964-), Male, Born in Shandong Tai’an, associate professor, Research Field: Automatic Monitor and Information Processing. (

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