基于单片机对教室供暖系统节能智能控制模式研究

张 旭 江 萍 杨小天

(吉林建筑大学电气与电子信息工程学院，长春 130118)

随着国民经济的发展和人们对生活品质的追求，供暖设备和集中供热系统在北方大部分地区都得到了广泛的应用，随之而来的问题就是能源消耗量的不断增加.如何提高能源的使用效率，合理利用资源已成为亟待解决的问题.采暖能耗最具有节能潜力，故我们以教室为例，研究出一套教室供暖系统的节能智能控制模式，能够有效地节约资源，避免热能浪费.

1 硬件设计

本系统以AT 89 C 55为主控单片机，外围模块主要包括:电源及复位模块;温度采集模块;键盘输入模块;外部存储器模块;显示模块及阀门控制模块.工作原理框图如图1所示.

图1 教室供暖节能系统结构框图

1.1 温度采集模块

温度传感器DS 18 B 20测量温度范围为－55℃ ～+125℃，在－10℃ ～+85℃范围内，精度为±0.5℃.若采用双绞线带屏蔽电缆，通讯距离可达150 m.它支持“一线总线”接口，在与单片机连接时仅需一条接口线即可实现与单片机双向通讯，且抗干扰纠错能力极强[1].

工作原理是将每个温度传感器赋予不同的地址，测得的当前温度值经过数字信号串行传送到单片机，通过程序公式算出平均温度，单片机通过与设定值的比对，下达命令，再经阀门控制电路自动调节电动调节阀开度的大小，即热水流量的多少，从而达到调节室内温度的目的.在对传感器的布置上，考虑到由于冷空气总是下沉，人的体表也是最先从脚底和腿部感受到凉意，我们在远离散热器的三面墙上，距离地面高0.3 m处均匀设置4个86盒，将温度传感器置于其中，并将86盒暗装于墙内，这样既能给予传感器一定的外围保护，又不影响教室的整体美观

1.2 时钟电路

系统采用PCF 8583芯片作为时钟，可通过I2C双向两线串行总线方式与单片机接口，它能提供准确的日期和时钟，确保单片机对暖期、供暖时段进行准确的分析，并且功耗极低.为了确保系统运行时不因芯片突然掉电影响正常程序运行，可采用纽扣电池为芯片供电.

1.3 电动调节阀门控制电路

电动调节阀的执行机构接受调节电路输出的4 mA～20 mA DC信号，并将其转换成相应的直线位移，推动下部的调节阀动作，调节流体的流量.单片机输出的是数字信号，所以需将其转变为电流信号，才能促使执行机构工作，为此设计电路如图2所示.数模转换器TLV 5620负责将单片机发出的数字信号转换成模拟信号，芯片AD 694继而将模拟信号转换成4 mA～20 mA的电流信号，输出给电动调节阀，完成调控.

图2 时钟、阀门控制与AT 89 C 55连接图

2 智能控制模式设计

2.1 模式的建立

该教室采暖系统采用单管水平串联系统，供水温度为80℃，回水温度为60℃，补水定压由校区换热站内补水定压设备解决.教室长11.2 m，宽8.05 m，高3.5 m.在根据供暖热负荷理论计算和规范热指标推荐值的基础上，本设计中取面积热指标为72 W/m2.为了得出室内温度与管道开度之间的关系，进行以下论证.

(1)供暖热用户的热负荷.供暖设计热负荷概算的方法有以下两种.

体积热指标法:

式中，V为建筑物的外围体积，m3;tn为供暖室内温度，℃;twn为室外温度，℃;qv为供暖体积热指标(W/m3·℃).

面积热指标法:

式中，F为建筑物的建筑面积，m2;qf为供暖面积热指标，W/m2.

(2)供热网路的供热量(即热水网路向供暖热用户输送的热量)

式中，G为供暖的循环水量，kg/h;tg为供水温度，℃;th为回水温度，℃.

如不计管网沿途热损失，供暖热用户热负荷Q1应等于供热网路的供热量Q2[2].通过以上公式及热工理论、自动控制理论研究，得出3种控制模式中电动调节阀开度与这3个室内温度值的关系计算结果见表1.

表1 模式1～3及其对应的室内温度与管道开度之间的关系

2.2 模式的应用

系统软件主程序由自检子程序、供暖模式选择子程序、键盘扫描子程序和阀门控制子程序组成[3]，程序流程图如图3所示.

(1)早上5∶30 －6∶00.当系统时间到达 5∶30 时，开启模式 3，电动调节阀全开，进行预热供暖，半小时后，人员到达前已达到预设温度，电动调节阀调整至模式2，0.96开度;

(2)白天6∶00－22∶00.根据4只温度传感器平均温度进行调节.每隔半小时进行一次数据反馈，当4只温度传感器平均温度低于22℃时，单片机发出控制指令，开启模式3，电动调节阀全开进行供暖，当反馈温度高于22℃时，单片机发出控制信号，使电动调节阀恢复至模式2进行供暖.根据表1，此时段能够节约8.6%的热水量;

(3)夜晚22∶00至第二天凌晨5∶30.夜晚无人员活动，开启模式1，将电动调节阀调整至0.91开度，开启最低能耗状态.根据表1，此时段能够节约16.5%的热水量;

(4)节假日.通过设定节假日时间，开启模式1，进行最低能耗供暖.节假日亦能够节约16.5%的热水量.

图3 程序流程图

3 结语

本文介绍了教室供暖智能控制节能系统的原理及控制方式，根据教室不同时段所需供暖温度不同，设置了18℃，22℃，26℃三种控制模式及其与电动调节阀开度的对应关系，单片机通过选择控制模式灵活的调整室内温度，在保证供暖舒适性的同时极大的提高了能源的使用效率.

[1]赵 娜，赵 刚，于珍珠.基于51单片机的温度测量系统[J].微计算机信息，2007(2):146－148.

[2]王宇清，宋永军.集中供热工程施工[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2011:49－51.

[3]张毅刚，彭喜元，彭 宇.单片机原理及应用[M].北京:高等教育出版社，2010:9－55.