【正文】 single chip microputer as the core control device, realized the control with automation. The design of the hardware discussed the basic module controller such as temperature detection circuit for DS18B20, I/O expansion port with 8255 and used the AD694 chip for the converter. Expounded the principle and functions of the interfaces between extension, data transmission, munication protocol and the hard drive. On the other hand, software design discussed the realization of the various functional processes needed. The system uses singlechip microputer detecting sensor, electric valve bination, controls the district heating system effectively. Key words: Heating； Intelligent control； Temperature； Radio frequency card 2 1 前言 課題的前景和意義 隨著社會(huì)能源問(wèn)題日益引起社會(huì)關(guān)注 , 各行業(yè)都在設(shè)法節(jié)能 , 我國(guó)北方的供熱行業(yè)也不例外。這要求供熱公司提供高質(zhì)量的供暖 , 使用小區(qū)供暖式能自主控制室溫 , 不僅可以降低熱費(fèi) , 而且可實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的節(jié)能。但也存 在很多問(wèn)題，最突出的是節(jié)能與收費(fèi)的問(wèn)題。浪費(fèi)熱能，其實(shí)就是浪費(fèi)了用于供暖的煤炭資源。這樣不僅能 為家庭節(jié)省取暖費(fèi)用，也能為國(guó)家節(jié)約很多煤炭資源。單片機(jī)自 20 世紀(jì) 70 年代問(wèn)世以來(lái)，以其極高的性能價(jià)格比，受到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用很廣、發(fā)展很快。由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)，單片機(jī)已廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制、自動(dòng)檢測(cè)、智能儀器儀表、家用電器、電力電子、機(jī)電一體化設(shè)備等各個(gè)方面，而 51 單片機(jī)是各單片機(jī)中最為典型和最有代表性的一種。 設(shè)計(jì)方案的可行性分析 本系統(tǒng)是基于單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 按照設(shè)計(jì)要求可分為安裝于主管道的主管道控制系統(tǒng)和安裝在建筑物內(nèi)的房?jī)?nèi)控制系統(tǒng)兩部分。一套主管道控制器可以控制相近的建筑物。其中流量、壓力、通過(guò)傳感器變?yōu)槟M信號(hào)在通過(guò) A\D 轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳給控制器也就是單片機(jī)。而電動(dòng)閥門(mén)，其驅(qū)動(dòng)電源為交流電壓 220V，電動(dòng)閥門(mén)需要 420mA 的電流控制，單片機(jī)發(fā)出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)控制電動(dòng)閥門(mén)，電流變換器可用 AD694。顯示電路采用 LED 顯示溫度、流量等狀態(tài)。流量傳感器用渦流流量計(jì)；通信電路用到傳輸芯片 RS485；射頻卡用 RS232；報(bào)警電路要用到蜂鳴器等 [2］ 。 其設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：（ 1）能根據(jù)房間的設(shè)定溫度，自 動(dòng)調(diào)節(jié)房間的進(jìn)水量，也可以手動(dòng)控制；（ 2）根據(jù)供水的水溫，自動(dòng)換算標(biāo)準(zhǔn)水溫的用水量 ,并實(shí)時(shí)記錄其用水量 ；（ 3）采用射頻卡設(shè)置預(yù)存消耗水量值，預(yù)存水量不足時(shí)，發(fā)出報(bào)警；（ 4）具有顯示功能，顯示內(nèi)容包括：室內(nèi)溫度，室內(nèi)設(shè)定溫度，用水量，供水溫度、管道流量、通信通道狀態(tài)等信息。 主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)：（ 1）溫度測(cè)量范圍： 40℃ ~100℃； （ 2）溫度測(cè)量精度：小于 %；溫度控制精度：177。（ 3）流量計(jì)量精度：小于 %；（ 4）采用電磁閥控制供熱量：閥門(mén)驅(qū)動(dòng)電源：～ 220V/120mA。（ 6）具有有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信功能，以便實(shí)現(xiàn)小區(qū)的集中供熱聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控；（ 7）供熱控制系統(tǒng)與上位機(jī)的串行通信：波特率應(yīng)大于 1200bps，通信誤碼率 108； 4 2 總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 1 建筑物內(nèi)溫度控制 Fig1 Building temperature control 注： ； 2. D— 電磁閥； 3. S管道溫度和流量傳感器。按照設(shè)計(jì)要求本系統(tǒng)可分為安裝于主管道的主管道控制系統(tǒng)和安裝在建筑物內(nèi)的房?jī)?nèi)控制系統(tǒng)兩部分。 主控制器根據(jù)建筑物內(nèi)房間的溫度，控制其主管道流量。主管道上需要安裝有管道溫度、壓力和流量傳感器和電動(dòng)閥門(mén)。采用電動(dòng)閥 5 門(mén)主要是控制管道流量的大小，它要用到驅(qū)動(dòng)控制模塊。通過(guò)顯示模塊，可以顯管道流量、壓力、溫度、通信通道狀態(tài)等信息，利用通信模塊可以實(shí)現(xiàn)與屋內(nèi)控制器以及上位機(jī)的信息傳送。 而屋內(nèi)控制器根據(jù)房間內(nèi)的溫度，控制其主管道流量；我們可將主控制器分為 多個(gè)模塊。采用電磁門(mén)主要是控制管道流量的開(kāi)關(guān)，它要用到驅(qū)動(dòng)控制模塊。通過(guò)鍵盤(pán)顯示模塊，可以顯示管道流量、溫度、時(shí)段、通信通道狀態(tài)等信息，并進(jìn)行調(diào)節(jié) [3］ 。利用通信模塊可將實(shí)現(xiàn)與主控制器的信息傳送。 模塊方案設(shè)計(jì)的選擇 單片機(jī)的選 擇 單片機(jī)又稱(chēng)作單片微控制器 ,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片 ,而是將一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上?，F(xiàn)在從 8 位、 16 位到 32 位等等，應(yīng)有盡有，有與主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補(bǔ)，為單片機(jī)的應(yīng)用提供了廣闊的天地。 單片機(jī)采用 W77E58， 77E58 與標(biāo)準(zhǔn) 8051 相兼容的全新核心的微處理器。典型的指令周期 77E58 比 8051 快 到 3 倍?？梢怨ぷ饔谳^低的時(shí)鐘頻率下。 溫度 檢測(cè)方案選擇 本設(shè)計(jì)主要就是針對(duì)現(xiàn)有的集中供暖系統(tǒng)中的弊端來(lái)進(jìn)行的改進(jìn)，本系統(tǒng)充分體現(xiàn)了人性化設(shè)計(jì)，用戶(hù)可以根據(jù)屋內(nèi)現(xiàn)有的溫度狀況來(lái)設(shè)置所需供暖的時(shí)段進(jìn)行調(diào)整。而溫度的采集主要是由溫度傳感器來(lái)處理，這就要求本系統(tǒng)要用到溫度傳感器。本系統(tǒng)選擇非接觸式溫度傳感器， 適合于管道溫度測(cè)量的溫度傳感器有熱電偶傳感器、熱電阻傳感器、集成溫度傳感器等。溫度傳感器 DS18B20，作為 DS1820 的改版可使溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微處理器處理，現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線(xiàn)總線(xiàn)”的數(shù)字方式傳輸，每一顆自帶地址，大大減少了系統(tǒng)的電纜數(shù)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和 7 抗干擾性。另外提供 9 到 12 位的測(cè)量分辯率，對(duì)應(yīng)的溫度精度分別為 度、 度、 度和 度，實(shí)現(xiàn)了高精度的測(cè)量。故本系統(tǒng)需要測(cè)量屋內(nèi)和屋外管道的流量，這就需要用到流量傳感器。 渦街流量計(jì)主要用于工業(yè)管道介質(zhì) 流體 的流量測(cè)量，如氣體、液體、蒸氣等多種介質(zhì)。 其輸出為 420mA的電流信號(hào)，便于 傳感器可安裝在室內(nèi) 與室外 ， 也可 安裝在水平、垂直或傾斜（流體的流向自下而上）的與其公稱(chēng)通徑相應(yīng)的管道上。因?yàn)橹鞴艿赖目趶捷^寬，而且供應(yīng)很多用戶(hù)的取暖熱水，雇主管道的工作壓力會(huì)相對(duì)較大。所以，對(duì)主管道是否處在正常的工作模式即管道壓力是否處于正常值的范圍的檢測(cè)就顯得尤為重要。 根據(jù)本系統(tǒng)的要求等綜合考慮，本系統(tǒng)選用的是 NPC1220 壓力傳感器。 鍵 盤(pán)顯示 電路 的方案設(shè)計(jì) 因本系 統(tǒng)需要用戶(hù)和供暖監(jiān)控中心的工作人員及時(shí)了解供暖現(xiàn)狀，這就需要一個(gè)媒介把信息數(shù)據(jù)告知用戶(hù)和工作人員，這就需要顯示電路。而且用戶(hù)可以自己設(shè)定五個(gè)時(shí)間段的供暖信息，對(duì)屋內(nèi)供暖系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 8 為了方便經(jīng)濟(jì)易于設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用了動(dòng)態(tài)的 LED 顯示，考慮到時(shí)間。鍵盤(pán)電路部分，設(shè)計(jì)采用行列式按鍵結(jié) 構(gòu)，鍵盤(pán)區(qū)設(shè)計(jì) 4*2 個(gè)按鍵 , 共占用 4 個(gè) I /O 端口 ,，行列式鍵盤(pán)的硬件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，這種鍵盤(pán)易于設(shè)計(jì) , 編程簡(jiǎn)單 , 通過(guò)軟件按鍵延時(shí)去除按鍵抖動(dòng)現(xiàn)象。因?yàn)楦鱾€(gè)用戶(hù)的需要的供暖情況不同，用水流量也不同，采用射頻卡設(shè)置預(yù)存消耗水量值。射頻卡又叫非接觸式 IC 卡，誕生于 90 年代初，是世界上 最近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，它成功地將射頻識(shí)技術(shù)和 IC 卡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，解決了無(wú)源（卡中無(wú)電源）和免接觸這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破。所以綜上考慮，本系統(tǒng)選用 RFID 射頻卡技術(shù) 報(bào)警 電路 的方案設(shè) 計(jì) 采用射頻卡設(shè)置預(yù)存消耗水量值，預(yù)存水量不足時(shí)，發(fā)出報(bào)警?？紤]為了不影響用戶(hù)的生活，我們用了蜂鳴器和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)間斷報(bào)警。另外用戶(hù)還要在不同的時(shí)間段設(shè)置不同的供暖模式。這就需要用到存儲(chǔ)芯片與時(shí)鐘芯片。易失存儲(chǔ)器在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)立即失去存儲(chǔ)在內(nèi)的信息；它需要持續(xù)的電源供應(yīng)以維持?jǐn)?shù)據(jù)。非易失存儲(chǔ)器在系統(tǒng)關(guān)閉或無(wú)電源供應(yīng)時(shí)仍能保持?jǐn)?shù)據(jù)信息。 本設(shè) 計(jì)采 用串行 存儲(chǔ)器EEPROM24LC256。 PCF8563 的多種報(bào)警功能、 定時(shí)器 功能、時(shí)鐘輸出功能以及中斷輸出功能能完成各種復(fù)雜的定時(shí)服務(wù)，甚至可為單片機(jī)提供 看門(mén)狗 功能 [5］ 。這樣的供暖方式存在著水力失調(diào)和熱力失調(diào)現(xiàn)象，使得熱量分配不均，造成冷熱不均現(xiàn)象，不僅浪費(fèi)能源而且供暖不勻。而本系統(tǒng)就此問(wèn)題給出了解決方案：用戶(hù)可根據(jù)自己的需要控制供暖閥門(mén)的開(kāi)關(guān)。 實(shí)際生活中最常用的閥門(mén)有電磁閥和電動(dòng)閥門(mén)兩種， 電動(dòng)閥： 電動(dòng)閥一般是管徑大 ,應(yīng)用于流體的流通、截止、流量、壓力等控制，進(jìn)行流通、截止控制的叫電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥 (有的只能開(kāi)或關(guān)，有的可以在中間停如只能有個(gè)大概的調(diào)節(jié)，如 25%、 50%、 75%、100%)，進(jìn)行流量、壓力 的 控制 。而本系統(tǒng)正是要求供暖監(jiān)控中心能夠?qū)χ鞴艿赖拈y門(mén)開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)某個(gè)樓宇整體溫度的調(diào)控，這里我們可以用電動(dòng)閥；室內(nèi)要求用戶(hù)可根據(jù)需要對(duì)屋內(nèi)閥門(mén)進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制這里選擇合適 功率為 2W 、 電源電壓為 AC220V、 公稱(chēng)通徑為 DN25 連接方式為 G1 的電磁閥即可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 通信 電路 的方案選擇 此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。由于去掉了多余的存儲(chǔ)器周期和運(yùn)算周期，它在相同 周期里執(zhí)行 8051 的指令比最初的8051 快得多 [6］ 。（ 4）與 8051 兼容的指令（ 5） 4 個(gè) 8 位 I/O 口（ 6）擴(kuò)展的 4 位I/O 和等待信號(hào)線(xiàn)（ 44 腳的 PLCC 或 QFP 封裝提供）。上圖是它們的引腳配置 :40 個(gè)引腳中，正電源和地線(xiàn)兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線(xiàn)兩根， 4 組 8 位共 32個(gè) I/O 口，中斷口線(xiàn)與 P P3 口線(xiàn)復(fù)用。 P0 口有三個(gè) 功能 （ 1）外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)做數(shù)據(jù)總線(xiàn) .（ 2）外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線(xiàn) .（ 3）不擴(kuò)展時(shí)，可做一般的 I/O 使用，但內(nèi)部無(wú)上拉電阻，作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻。 表 1 P1口的第二功能 Table1 The second function of P1 mouth P1 引腳 兼用功能 計(jì)數(shù)器 2 引腳 計(jì)數(shù)器 2 重裝 /捕獲 /計(jì)數(shù)方向控制腳 串行通訊輸入（ RXD1） 串行通訊輸出（ TXD1） 外部中斷 2（ INT2） 外部中斷 3（ INT3） ) 外部中斷 4（ INT4） 外部中斷 5（ INT5） P2 口有兩個(gè)功能 ， 擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線(xiàn)使用 ； 做一般 I/O 口使用，其內(nèi)部有上拉電阻 ； P3 口有兩個(gè)功能 ， 除此之外 P3 端口還用于一些 第二 功能 ,如 表 2。 MAX813L 芯片特點(diǎn)： (1)上電、掉電以及供電電壓下降情況下的復(fù)位輸出，復(fù)位脈沖寬度典型值 200ms。 (3) ，用于電源故障報(bào)警、電池低電壓檢測(cè)。 MAX813 組成的單片機(jī)復(fù)位電路如圖 5 所示。 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 溫度檢測(cè)電路要用到 溫度傳感器 DS18B20 來(lái)檢測(cè)室內(nèi)溫度，使溫度的變化轉(zhuǎn)化成電流或電壓的變化從而采集物理量，通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換 ,導(dǎo)入單片機(jī)中。 VCC2GND3PFI4PFO5WDI6RST7WDO8MR1U9MAX813200R18GNDC8+5V123U11DS18B20 13 圖 6 DS18B20的管腳排列 Fig6 Pin arrangement of DS18B20 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH、 TL、配置寄存器。 圖 7 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 Fig7 DS18B20 internal structure 溫度傳感器與單片機(jī)的接口電路 DS18B20 可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時(shí) DS18B20 的 1腳接地， 2 腳作為信號(hào)線(xiàn)， 3 腳接電源。當(dāng) DS18B20 處于寫(xiě)存儲(chǔ)器操作和溫度 A/D 轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線(xiàn)上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開(kāi)啟時(shí)間最大為 10us。由于單線(xiàn)制只有一根線(xiàn)，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出由數(shù)字輸入和參考源組合來(lái)控制的。因而。 TLC2543 的介紹 TLC2543