基于STC单片机的温控热计费采暖阀门的设计

目前市场上供热系统按热量消耗单独计费及根据室内温度调控热量供给的产品，大多都是通过温度测量反馈调整室内暖气入水口阀门开启程度来调控室温，而用热的计费则是根据阀门开启大小估算热水流量并结合供热时间来计费。室内热量的消耗即为流过室内各组暖气的热水放出的热量，它与热水的流量、进出户的水温差以及时间成正比，而热量的计费应当是综合上述诸多因素，仅仅以流量或使用时间进行计费有失准确。当然这种热量消耗与供热的取暖效果也不完全一致，它还取决于房间的布局以及散热等多重因素[2]。
    针对市场上大部分产品的缺陷，本文提出了一种基于STC单片机的温控采暖阀门的设计，其室温调控仍采用通过对室温的测量调节入水流量的方案，而供热计费则充分考虑了入水流量及进出户水温度差，供热计费引入的供热系数，则由当地燃料价格、燃料燃烧值、供热效率等综合因素确定。阀门电路的核心器件为STC系列单片机，具有功耗低、抗干扰性强的特点，比较适用于供热环境。
1 阀门总体设计
1.1 基本功能
    温控采暖阀门具备如下两个基本功能，室温调控和供热计费。
    供热系统的入室阀门设在住户室外的管道井中，因此需有无线连接的遥控器配合调节室内温度，遥控器内置的温度传感器测量室内温度，根据用户设定的需求温度来调节室外管井中阀门的热水流量，从而达到室温调节的目的。
    供热计费系统由流量计、入水口/出水口温度传感器组成，微控制器按一定周期采集实时的流量和温度差，用以计算产生的费用，计算如公式(1)。其中M为t1到t2时间段内产生的用热费用，K为供热系数，由地方供热部门根据各地实际情况确定，Tin，Tout为入水/出水口温度，I为当时测量的流速。

1.2 附加功能
    考虑到该阀门应用于家庭用户，但管理者为当地供暖部门，因此针对使用和管理双方利益，增加如下功能。
1.2.1 IC卡预付费功能
    通过IC卡实现购买供热热量并对阀门进行充值操作，阀门根据实时计费情况进行费用扣除，供暖季结束后，用户可通过IC卡将阀门剩余金额回写到IC卡内，用于退费。
1.2.2 防冻功能
    当阀门存储器内存储的费用不足时，阀门在提示金额不足后关闭，为了避免室内温度过低冻坏管道，增加了防冻功能，即在出水口温度低于8 ℃时，阀门开启一定角度，若温度仍有下降，阀门逐渐开大，以确保用户长时间离家无法充值或用户自行关闭阀门设备后室内管道上冻损坏。
1.2.3 除水垢功能
    如果阀门长期处于固定角度开启，则容易在阀门内积生水垢，不但增大了阀门开/闭的阻力，也容易造成驱动阀门的电机过热烧毁。因此微控制器定期将阀门旋转数周，避免阀门内水垢过多聚积。
1.2.4 供热系数便捷修正功能
    由于供热系数为供热部门或政府机构根据当年燃料因素、供热效率甚至小区布局及楼层等方面确定，因此会造成逐年修正，为了避免修正系数带来的程序升级的麻烦，本系统将供热系数相关数据存放于IC卡内，用户在购热时，便由供暖部门将当年的系数写入卡内，用户充值时，阀门系统即可读出，用于热量费用计算。
2 硬件电路设计
    温控阀门系统框图如图1所示，由阀门系统和遥控器构成。阀门系统包括球阀、控制模块、无线模块、温度采集模块和流量采集模块；遥控器主要包括温度采集模块、IC卡读卡模块、显示模块和无线模块。

2.1 阀门系统
2.1.1 球阀与控制模块
    控制模块采用STC系列单片机STC89LE52，这款3.3 V工作、PQFP封装的小型单片机功耗低(工作电压4 mA~7 mA)，抗干扰能力强(1.9 V~4 V可工作，抗2 000 V快速脉冲干扰)，自动加密，且通过串口即可下载程序，方便升级。
    单片机通过电机驱动芯片CR7010控制与球阀轴相连的减速电机正向/逆向旋转[3]来调整阀门开启程度，与球阀同轴相连的一片锯齿圆盘依靠光电开关来限位，如图2所示。

2.1.2 采集模块
    温控阀门系统需要采集的数据为当前的入水口温度、出水口温度和流量。
    温度传感器采用LM75，这是一款价格低廉的I2C协议温度传感器[4]，精度为0.5 ℃，满足水温及室内温度测量。而根据使用习惯，本系统显示的温度值精度为1 ℃。流量传感器采用韦根传感器WG112，直接将阀门内涡轮旋转产生的磁信号转换成脉冲信号，由单片机计数器采集转换，即可得到阀门流量。
2.1.3 无线模块
    遥控器与阀门的通信采用2.4 GHz射频通信模式，射频芯片采用nRF2401[5]，这款芯片功耗低(在-5 dBm的发射功率下工作电流仅为10.5 mA)，体积小(仅为5 mm×5 mm)。单片机与nRF2401间的通信为串行通信，射频的频道、校验地址码和发射功率均由单片机串行配置。为了避免相邻用户间相互干扰，每个用户的校验地址码均在第一次购买热量时由管理中心按照用户信息写在用户的IC卡内（同时作为用户ID号），首次使用前用户通过数据线将遥控器和阀门连接进行地址注册，即可为其配置好唯一的校验地址，避免了因每套设备单独烧制校验地址带来的麻烦。
2.2 遥控器
2.2.1 控制模块和射频模块
    遥控器的单片机和射频芯片同样采用STC89LE52和nRF2401，IC卡使用西门子的SLE4442[6]，其内部256 B的EEPROM足以满足用户ID号、金额、相关系数等信息的存储。另外，同样使用一片LM75作为室内温度的采集。
    按键K1～K4实现控制操作，定义如下：
    长按K1：开/关机；
    短按K1：查询余额、流量；
    长按K4：查询并调整档位；
    短按K4：查询并设定温度；
    K2：升高温度（设定温度时）、充值（IC卡插入时）；
    K3：降低温度（设定温度时）、回写（IC卡插入时）。
2.2.2 显示模块
    显示模块需显示室内温度、用户设定温度、IC卡内金额、阀门存储器内余额、当前流量等数据信息（当读取阀门档位时显示档位信息），并要显示插卡错误、温度设定过高、余额不足、电量不足、充值或回写成功等提示信息。单片机通过IO口控制LCD驱动芯片HT1621来实现对液晶屏的控制[7]，设计中液晶屏为26段段码屏，通过4-com线与22-seg线实现上述信息的显示，HT1621的控制为串行通信，节约了单片机的IO口。
3 单片机程序设计
3.1 数据格式
    IC卡作为存储用户ID号、费用等信息的载体，系统对其数据格式的定义如表1所示。

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    金额采用浮点型数据，为管理中心购热后充入的费用。当取暖季结束后，用户如做金额回写操作，即可将温控阀门剩余费用回写至卡内，用于退费等需求。
    用户ID号为5字节数据，为用户在管理中心数据库内相关信息的登记号，并在第一次购热操作时由管理中心设定，在第一次对阀门充值时将ID号写入遥控器和阀门的存储器内。此时，用户ID号亦作为IC卡、遥控器、阀门的唯一识别码，避免了IC卡的混用和无线通信的干扰。
    供热系数3字节，包括热力系数、压力系数和效率系数（也可作其它定义），由管理中心根据实际情况确定后在用户购热时设定。
    工程码是维护人员所持工程卡专用，可将阀门存储器内数据进行初始化操作。
    校验码为金额数据的校验和，在写卡时避免数据错误。
    读卡后，单片机将数据信息存入存储器，数据格式如表2。

    标志位用作阀门是否第一次使用的标识，用来判断是否对阀门系统的ID号进行更新。
    由于nRF2401集成的shockburstTM发射/接收模式仅需要用户配置好寄存器内发射频道、数据宽度、地址宽度、发射功率等信息后即可直接将数据写入寄存器发射，本系统选用5字节地址，12字节数据，地址即用户ID号。通信数据格式如表3。

    其中命令字：
    0：充值，1：回写，2：读取金额和流量，3：读取档位，4：更新温度，5：调整阀门档位，6：更新系数，7：余额不足，8：电量不足。
3.2 程序流程
3.2.1 遥控器程序设计
    遥控器实现如下功能：用户设定温度、根据室温调控阀门流量、读写IC卡、读出当前阀门流量等，费用值、系数值等都存储在阀门的存储器上，遥控器只是在用户需要时通过无线读出阀门系统的信息。
3.2.2 控制系统程序设计
    图3和图4为系统遥控器部分和阀门部分的主要程序流程图，遥控器通过4个按键实现了的温度设定、充值、回写以及阀门手动调节等功能，接收到阀门发出的欠费、电量不足等报警信息时能够予以警示，在定时器启动后则通过对比设定温度与室温的温差控制阀门调整流量。当用户插上IC卡，系统识别供热系数是否改变，如有改变则向阀门发送更新系数命令，而后等待用户的充值或回写操作。阀门部分实现了流量及供暖入户水温和出户水温的测量并定时计费，在定时器启动时根据遥控器发出的指令调整阀门流量。阀门同时响应遥控器所发出的查询余额、流量、调整阀门、更新系数等指令并做相应操作。

    通过入户与出户水温的温度差与当时流量积分所计算的用户所消耗热量更接近于实际值。引入了供暖系数通过用户所持IC卡随供暖中心购热时即可更新，省去了系统后期的固件升级。由于使用唯一序列号作为用户ID，实现了IC卡、阀门、无线通信地址码的唯一性，避免了IC卡的混用以及无线通信的干扰。实验样机通过测试，阀门调节、温度控制等稳定可靠，无线通信距离超过100 m。
参考文献
[1] 国务院法制办建设部.民用建筑节能条例释义[M].北京：知识产权出版社，2008.
[2] 孙继红.分户热计量的应用和推广中遇到的问题[J].科技情报开发与经济，2008，18（34）：227-228.
[3] 周建国，曹炬，姚全斌.单片机与PC机实现的电动阀门控制系统设计[J].计算机自动测量与控制，2001，9（2）：33-34.
[4] 刘永亮，赵磊，甄鹏，等.分布式多点温度测量系统的设计与实现[J].微计算机信息，2008，24（9-1）：145-147.
[5] 刘立新，李国辉，郝云芳.基于nRF2401的无线自动抄表系统[J].微计算机信息，2006，22（9-1）：158-160.
[6] 陈建良，李玉谦.基于SLE4442的IC卡系统设计与实现[J].微计算机信息，2008，24（9-2）：247-248，254.
[7] 唐日泉，袁景淇，邱宪波.液晶驱动芯片HT1621及其在便携式血糖仪中的应用[J].微型电脑应用，2003，19(5)：22-24.