智能家庭采暖系统的研究与设计

张 瑞 王延玉

（ 潍坊科技学院，山东 寿光262700）

1 概述

鉴于冬季许多家庭特别是广大农村地区在取暖时仍然采用煤炉取暖，而燃煤取暖不仅能源利用率低，污染严重，而且存在安全隐患。 因此电加热型取暖炉成为不错的选择， 但现有家用暖气供暖系统的温控系统还不够人性化和智能化。 因此， 进行该家庭采暖温控系统的设计，主要是对水加热过程和水循环过程的智能控制进行研究和设计。

2 总体设计及原理分析

2.1 总体设计

本系统采用STC12C5A60S2 单片机进行主控。 系统结构框图如图1 所示。

图1

单片机完成信息处理和控制，协调各部件工作。温度采集模块完成温度采集功能，并发送给单片机；继电器驱动电路接收单片机的控制信号，实现电加热功率的控制；电机驱动电路实现对水泵的控制；通信模块负责单片机和移动终端之间的信息通信；显示模块实现温度信息的显示；按键输入模块完成控制指令的输入。

2.2 工作原理

系统定时检测室内的实际温度并与用户设定的温度值进行比较。 当室温高于所设定温度值2℃时，关闭水泵，不为室内暖气片组更换热水；若室温低于设定温度值2℃时，开启水泵为暖气片组更换加热箱内的更高温度的热水，从而通过更快的对流散热来提升室内温度。

设置了三个加热片，在换水操作执行过程中，当室温与设定温度相差6℃以上时三个加热片同时工作，当相差3℃至6℃之间时两个加热片工作，当相差3℃以内时为节省电力消耗，只有一个加热片工作。

设置了两种运行模式：正常运行模式与低温运行模式，两种模式可任意切换。 用户可以通过手机短信的方式或是按键操作选择其中一种模式， 并对室温进行设置。 当用户长时间不需要供暖时，可通过开启低温运行模式使加热系统处于低功率运行状态，使水温保持在15℃，可以防止系统内部及管道内的水结冰，避免需要供暖时无法正常使用或是由于水结冰后体积膨胀及低温下金属的延展性及韧性降低冻裂暖气片组及管道。

加热箱内设置有上下两个水位探测器，做到实时监测。 如果上探测器检测到水位已满，则立即停止注水，当下探测器检测到水位过低会停止加热过程并立即开启注水。

应用无线遥控可方便用户通过短信方式进行室温的设置，避免了手动调节，体现了智能化、人性化的要求。

3 系统硬件设计

STC12C5A60S2 单片机的EEPROM 断电数据不会丢失，开机时自动从中读取上次设定的温度值，避免用户反复设定，更加人性化。

显示模块采用数字字符液晶1602 显示温度信息， 两行显示，上方显示房间实时温度，下方为用户设定温度。

按键输入电路包含两个独立按键和一个双向开关， 原理图如图2（ a）所示。 按键用于设置温度值的增减，当单片机的P20或P21 检测到低电平时， 会进行设置温度值的增加或减小操作。 双向开关用于运行模式的选择，当P22 检测到高电平时，进入正常运行模式，低电平时进入低温运行模式。

图2

温度采集模块设置了三个DS18B20 温度传感器， 原理图如图2（ b）所示。

18B201 测室温，18B202 测平均水温，18B203 用于测经过散热片后回流进入加热水箱的水温。 系统处于正常运行状态时，将18B201 传回的数据与设定的温度值对比， 根据结果自动调整加热片及水阀的工作；处于低温运行时，为防止水温过低对水管造成损害，根据18B203 测得的回流水温和18B202 测得的平均水温对加热片和水阀做出调整。

加热电路选用三个铁铬铝电热合金， 由ULN2803 继电器驱动电路驱动继电器从而控制加热片的通断。 ULN2803 用以避免在电路通断的瞬间产生过大的电流而烧坏继电器等器件。 系统共用5 个继电器，3 个连接加热片，一个连接水阀，一个连接进水口电磁阀。

无线通信采用SIM900A 通信模块，与STC12C5A60S2 单片机的串口2 相连。 可以对手机号进行绑定，若单片机检测到发送方是所绑定的手机号则立刻进行数据提取，将所设的温度值写入EEPROM，否则单片机抛弃该短信包并通过指令告诉SIM900A 删除该条短信。

设计了两个浮力开关来监测加热箱内的水位。 两个浮力开关由单片机的两个外部中断进行控制，当水位下降到最低水位时，浮标因缺少水的浮力会落下，此时会触发系统的外部中断，水箱进水口处的阀门打开，向水箱内注水；当水位超过上开关时， 浮标借助水的浮力浮起此时再次触发系统的外部中断，关闭阀门，停止注水。

4 系统软件设计

程序运行流程：初始化后，主程序进入循环。 若没有中断发生，则先检测外部的模式选择开关，如果是正常运行模式，将调用按键输入函数，此时若有按键按下，将根据按键的操作对室温进行加1 或减1 操作， 随后进行EEPROM 扇区的擦除和改写。若无按键，则直接返回循环等待。如果定时器定时1 秒到时，相应的标志位置位，此时将进行温度的读取与显示，读取室温并和目标室温比较， 进行不加热或相应等级加热处理并进行LCD 显示。 若是低温运行模式，将进行回流水温度和平均水温的读取，然后根据平均水温和回流水温以及低温运行所设温度进行相应的加热处理并LCD 显示。 如果触发外部中断1，此时水箱的水位达到最低水位，将进行自动注水。 自动注水达标将触发外部中断0，在外部中断0 的子程序中控制停止注水。如果SIM900A 接收到短信，将触发串口2 中断，读取短信内容和相关信息，如果是绑定的手机号，将进行短信内容的提取和分析以及数据处理，并根据命令设定室内温度以及对EEPROM 进行擦除和改写和对所绑定的手机号回复设定成功的消息，并删除此条短信；如果不是所绑定的手机号，将直接删除短信，不执行相应命令。

结束语

本设计实现了对水加热过程和水循环过程的智能控制，采用了远程控制来调控室内的温度，方便了人们的生活，非常贴近智能家居的实现； 低温运行模式更是大大节约了供暖的成本，从而也节约了资源，达到了节能减排，保护环境的目的。