集中供暖下家庭内环境的节能型智能温控系统

2019-04-10张钊源李文永

科学与技术 2019年7期

张钊源李文永

摘要：主要介绍了一种在单片机控制下的集中供暖下家庭内环境的节能型智能温控系统设计与实现。该系统以STC89C52单片机为控制核心，以775双滚珠轴承电机为驱动的直流电动机械手，并搭配TELESKY 2262四路无线遥控模块和以DS18B20传感器为基础的温度数显模块。实现了智能控制，测温，漏电保护，节能，高低温预警，室内温度调节等功能。使得集中供暖时家庭内环境温度可调，使集中供暖更人性化。

关键词：STC89C51单片机;PT2294-M4解码芯片;DS18B20测温模块;机械手;温度反馈;智能温控;数字温度控制器

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

随着经济以及科学技术的发展，采用集中供暖的方式确实是提高人们的生活质量，改善环境污染的最优方法，但是中国版图南北狭长，横跨温带季风带、亚热带季风带、热带季风带，导致南北各地区温度有明显差异，所以不同地区的人对于家庭内环境的适居温度有着不同要求。再加上近年来南北人口迁移也使得同一地区的不同个体对适居温度的定义产生了明显差异。采用智能温控技术，将地暖水温以室内温度的方式呈现，可以让人们直截了当的读取信息，并依照信息自由调控温度实现智能温控，为人性化家居提供了良好的示例具有广阔的应用前景

2.系统的基本结构介绍

该系统的主要功能有：智能化控制，测量室内温度，漏电保护，节能，高低温预警，室内温度调节等功能。本系统可以用家庭普通插座，以可靠的51单片机作为核心控制器，能稳定实现各部分功能。该系统可以分为两个主要部分——智能无线遥控阀门控制器以及数字温度控制器。系统的硬件设计主要有电源部分，STC89C51工程板，数显温度控制器模块，温度示警部分，无线传输模块，显示部分组成。

2.1智能控制功能

本功能是由12V电源适配器、离合器、电动机机械手、机械手输出轴、金属减速齿轮、315无线网控制盒、控制器组成，其大致控制流程如下图：

电源→12V电源适配器→采集温度并显示→ 用户通过控制器发出指令→ 315无线网控制盒接收→驱动离合器、金属减速齿轮、电动机机械手→球阀变化→室内温度变化

2.2温度控制功能

当控制系统正常运作时，该部分是当检测主管温度并以数字的形式呈现，若用户认为室内温度不合适，可以用遥控器控制机械手从而调控室温达温控目的，使室内温度达到适宜的家居温度。

2.3人机控制功能

也就是说，用户可以通过液晶屏采集的温度信息，使用四个无线遥控装置自行设定室内温度。

3系统硬件设计

3.1单片机的选择

单片机，从应用的角度上来说就是在一块硅片上集成了微处理器，存储器以及各种输入/输出接口的大芯片，所以这样的芯片就具有了计算机的属性，因而被称作单片微型计算机。用户可以根据自己的目的来控制这块芯片的各引脚在不同的时间输出不同的电平，实际上是控制这块芯片的各引脚相连接的外围电路的电气状态。单片机的种类繁多，一般按单片机数据总线的位数进行分类，主要分为4位、8位、16位和32位单片机。在实际的应用中，4位机虽然成本低廉，结构简单，但是其编程复杂，指令不丰富所以并没有大面积应用。16位机和32位机性能优越，集成度高，指令丰富但是造价太高，普通用户无法全部利用其功能所以没有广泛推广。8位机以其小巧灵活性价比较高且指令丰富的优势迅速横扫了全球单片机市场的70%份额，可以说8位单片機将在今后一段时间内仍是工业检测控制的主流机型。

经过综合考量，选择价比极高的STC89C51RC 40C-PDIP单片机（单时钟/机器周期（1T））此单片机芯片是由宏晶STC生产，采用8051内核芯片，内部含Flash E2PROM存储器，是一种由串行下载功能的Flash存储器，既具有ISP可在线编程功能。4KB的内部程序存储空间完全可以容纳用户的指令，其芯片外部晶振最高可接4MHz，对于传统8051，它的速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。完全能满足用户系统要求。

3.2温度检测模块的选择

该系统选择的是DS18B20测温模块，DS18B20是一种可以直接将测量的温度转换为数字形式的测温模块，DS18B20应用了达拉斯企业特有的单总线协议，如此，可以让总线传输仅需要一根端口引脚线，;其温度分辨率可以达到0.0628℃，温度测量范围为-55℃～+125℃，完全适合本系统的温度要求;寄生电源方式可以直接从数据线上获取供电，而不需要单独供电电源减小了系统负担;此外，CPU只需一根引脚线就可以与众多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节约大量的端口线和逻辑电路^[3]。完全符合实际应用和系统要求。

3.3温度显示函数

数字温度控制器附带液晶屏，有液晶屏反馈温度信息。用DS18B20温度测量模块测量管内温度，然后测量室内温度。两者之间存在功能关系。该函数是通过绘制点和连接线的方法绘制的。通过C语言编程，得到温度函数并写入温度测量模块。

3.4无线遥控模块的芯片选择

在控制成本的要求下要最大程度的方便用户使用，所以选择的方案必须符合传输距离远且频率稳定，要极具抗干扰性，所以选择PT2294-M4作为无线遥控模块芯片，PT2294-M4是一种以超再生为工作方式的键控点动接收解码芯片。超再生接受模块一共有七个引出端，其中有四个端口是PT2294上集成电路的输出脚，为点动输出端。当接受到有效信号是输出5V高电平，电路电流为2mA，四个输出端口与用户使用的发射器上的按键相对应。使用过程中，用户可将这些信号加一级放大，便可驱动继电器、功率三极管等进行负载遥控开关操纵。

4.软件系统设计

该系统的软件设计包括两个部分，分别是智能机械手的程序设计和数字温度控制器的程序设计。为了提升程序的可读性和方便维护性这两部分的程序设计均采用了标准程序开发的模块化设计规范，以此来为将来的系统功能完善和设计添加提供了方便。整个系统的程序设计全部采用了C语言进行代码编写，决定使用Keil C51集成环境开发软件部分。Keil C51是由德国Keil Software公司开发的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。其生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

5.总结

该集中供暖下家庭内环境的节能型智能温控系统具有以下优点：

（1）微电脑智能控制的机械手门阀;

（2）无线遥控，最大程度方便用户使用;

（3）即时采集温度信息，将信息处理并通过液晶屏反馈给用户，用户可以根据即时温度来决定室内温度;

（4）室内温度可以自由设定，温度预警提示;

（5）恒温辅助设计，自动选择适宜的家居温度;

6.临沂大学大学生创新创业训练计划项目资助

参考文献

[1]郭天祥，新概念51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2]刘健荣.基于嵌入式技术的风力发电垂直风道气流场检测装置设计.2012.

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