1、 全 日 制 普 通 本 科 生 毕 业 设 计 集中供暖电气控制系统的设计THE DESIGN OF CENTRAL HEATING ELECTRICAL CONTROL SYSTEM目 录摘要1关键词11 前言21.1 课题背景和意义21.2 设计方案的可行性31.3 课题内容概述32 系统总体方案42.1 系统结构 42.2 方案总体设计框图42.3 模块方案设计的选择62.3.1 单片机的选择62.3.2 温度检测方案选择62.3.3 流量检测方案设计72.3.4 压力检测方案设计72.3.5 键盘显示电路方案设计72.3.6 射频卡接收电路方案设计82.3.7 报警电路方案设计82.
2、3.8 存储电路与时钟电路方案设计82.3.9 阀门及驱动控制电路方案设计92.3.10 通信电路方案设计93 硬件电路设计103.1 单片机 W77E58103.1.1 单片机 W77E58 引脚功能103.1.2 单片机 W77E58 复位电路123.2 温度检测电路的设计133.2.1 DS18B20 的外形和内部结构133.2.2 温度传感器与单片机的接口电路143.3 A/D 转换电路的设计143.3.1 TLC2543 的介绍143.3.2 A/D 转换工作原理153.3.3 3.3V 的基准电源153.4 流量检测电路的设计163.4.1 ZRN-LUG 涡街流量计163.4.2
3、 检测电路工作原理163.5 压力检测电路的设计173.5.1 压力传感器173.5.2 压力检测电路的工作原理173.6 键盘显示电路的设计183.6.1 键盘部分183.6.2 显示部分193.6.3 键盘显示的借口电路203.7 射频卡接收电路的设计213.8 报警电路的设计223.9 存储电路与时钟电路的设计223.9.1 存储芯片223.9.2 时钟芯片233.9.3 存储电路与时钟电路原理图233.10 驱动控制电路的设计233.10.1 电磁阀的驱动控制电路233.10.2 电动阀的驱动控制电路243.11 通信电路的设计273.12 电源电路的设计283.12.1 +5V 电源
4、293.12.2 +12V 电源294 软件设计294.1 主程序设计294.2 温度子程序设计314.2.1 读出温度子程序314.2.2 温度转换命令子程序324.3 电气量测量部分程序设计334.4 显示数据刷新程序设计334.5 键盘子程序设计334.6 中断服务程序设计355 结论36参考文献 37致谢 38附录391集中供暖电气控制系统的设计摘 要：随着人民生活水平的提高, 工作节奏的加快,使得集中供暖在全国大部分地区,特别是各大中城市的小区之中,逐步发展了起来在新时代背景下的小区住户, 对小区供暖系统的设计提出了人性化、智能化、数字化以及高能低耗等更全面的要求。本设计采用 77E
5、58 单片机作为控制装置的核心，实现整个装置的自动化控制。一方面硬件设计中论述了控制器中基本模块比方说温度检测电路所需的 DS18B20、扩展 I/O 口所用的 8255 以及变流器所用的 AD694 等芯片的型号以及功能介绍。重点阐述了单片机的工作原理、与各个功能之间的接口、扩展、数据传递、通信协议以及驱动。另一方面软件设计中论述了实现各个功能所需的流程。该系统采用单片机检测传感器、电阀等相结合，有效地监控了小区的供暖系统。关键词：供暖；智能控制；温度；射频卡；THE DESIGN OF CENTRAL HEATING ELECTRICAL CONTROL SYSTEMAbstract：Wi
6、th the improvement of peoples living standard, the accelerating pace of work, the central heating system in most parts of the country, especially big cities, is more and more important. The progressive development of the residential households demands the district heating system meets the requiremen
7、ts of intelligent, digital and energy effective.This design uses the 77E58 single chip microcomputer 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 por
8、t with 8255 and used the AD694 chip for the converter. Expounded the principle and functions of the interfaces between extension, data transmission, communication protocol and the hard drive. On the other hand, software design discussed the realization of the various functional processes needed. The
9、 system uses single-chip microcomputer detecting sensor, electric valve combination, controls the district heating system effectively.Key words: Heating；Intelligent control；Temperature；Radio frequency card21 前言1.1 课题的前景和意义随着社会能源问题日益引起社会关注, 各行业都在设法节能, 我国北方的供热行业也不例外。随着城镇供热体制改革的推进, 停止福利供热, 实行用热商品化, 推行供
10、热分户计量是必然趋势。这要求供热公司提供高质量的供暖, 使用小区供暖式能自主控制室温, 不仅可以降低热费, 而且可实现供热系统的节能。集中供暖具有管理方便、热源效率高、环境污染小等许多优点。但也存在很多问题，最突出的是节能与收费的问题。因为供暖是按面积收取的，不是按采暖量，再加上没有一种装置自动控制供热管道、自动调节室内温度，人工开启、关闭阀门又过于麻烦，所以大多采取开窗通风的方式来降低室内温度，使热能白白浪费掉了；还有，白天大多数家庭成员或是上班，或是上学，家里没人，但暖气还照常开着，也浪费了很多能源。浪费热能，其实就是浪费了用于供暖的煤炭资源。我们萌发了研究、开发自动控制小区集中供暖节能控
11、制器的想法，即利用自动控制原理调节暖气的供热量，解决上班、家中无人及室温过高时暖气的热能浪费问题。这样不仅能为家庭节省取暖费用，也能为国家节约很多煤炭资源。同时随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一。单片机自 20 世纪 70 年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广、发展很快。单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易 1 。由于具有上述优点，在我国，单片机已广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面，而 51 单片机是各单片机中最为典型和
12、最有代表性的一种。这次毕业设计通过对它的学习、应用，以 77e58 芯片为核心，辅以必要的电路，确保了供热管网安全、稳定、经济运行，提高热网管理效率，成功控制运行成本，实现热网现代化管理水平，对热网进行了智能化的集中监控和量化管理。1.2 设计方案的可行性分析本系统是基于单片机的系统设计，按照设计要求可分为安装于主管道的主管道控制系统和安装在建筑物内的房内控制系统两部分。主控制器根据建筑物内房间的温度，控制其主管道流量。一套主管道控制器可以控制相近的建筑物。而屋内控制器根据房间内的温度，控制其主管道流量；采用射频卡设置预存消耗水量值，预存水量不足时，发出报警；具有显示功能，显示内容包括：室内温
13、度，室内设定温度，用水量，供水温度、管道流量、通信通道状态等信息。其中流量、压力、通过传感器变为模拟信号3在通过 AD 转换变为数字信号传给控制器也就是单片机。室内控制流量用到了电磁阀，室外用到了电动阀，二者需要驱动电路。而电动阀门，其驱动电源为交流电压220V，电动阀门需要 4-20mA 的电流控制，单片机发出的数字信号转换电路转换成电流信号控制电动阀门，电流变换器可用 AD694。控制器从单片机价格考虑采用 77E58单片机对于数据存储量大的要求，用到了 EEPROM 存储器。显示电路采用 LED 显示温度、流量等状态。温度传感器用 DS18B20，压力传感器用到 ICS1220;流量传感
14、器用涡流流量计；通信电路用到传输芯片 RS-485；射频卡用 RS232；报警电路要用到蜂鸣器等2 。1.3 课题内容概述本课题用单片机完成居住室内的温度的自动控制及应用热量的计量，并能对小区内的主供热管道的温度检测和控制，获得小区的温度的分布，并作为供热中心对供热压力、流量和温度调整的重要依据（故障检测） 。其设计内容如下：（1）能根据房间的设定温度，自动调节房间的进水量，也可以手动控制；（2）根据供水的水温，自动换算标准水温的用水量,并实时记录其用水量 ；（ 3）采用射频卡设置预存消耗水量值，预存水量不足时，发出报警；（4）具有显示功能，显示内容包括：室内温度，室内设定温度，用水量，供水温
15、度、管道流量、通信通道状态等信息。 （5）通过键盘可以设置 5 个时段温度；（要求具有时钟功能） （6）.当控制器掉电后，电磁阀能自动关闭供热管路；（7）通过通信电路可实时将房间的实际温度及用水量传输到供热监控管理系统 ；（8）自动温度控制器电路要低功耗设计 ；（9）现场提供交流 220V 的电源 ；（10）主管道控制器可以检测：管道的温度、压力、流量以及流量累计量；（11）通过电动阀控制管道的流量；（12）完成控制的整体电路设计方案，并设计出电路原理图和印制板图； （13）根据系统的功能要求，完成其监控程序的流程。主要设计技术指标与参数：（1）温度测量范围：-40100； （2）温度测量精度
16、：小于 0.5%；温度控制精度：1.5;（3）流量计量精度：小于 0.5%；（4）采用电磁阀控制供热量：阀门驱动电源：220V/120mA; （5）主管道电动阀：阀门驱动电源：220V/1A，并且尽量选择具有自保持功能的阀门 ;（6）具有有线或无线通信功能，以便实现小区的集中供热联网监控；（7）供热控制系统与上位机的串行通信：波特率应大于 1200bps，通信误码率10-8 ；42 总体方案设计2.1 系统结构图 1 建筑物内温度控制Fig1 Building temperature control注：1.回水管未画；2. D电磁阀；3. S-管道温度和流量传感器。2.2 方案总体设计框图本设
17、计要求采用单片机完成居住室内的温度的自动控制及应用热量的计量，并能对小区内的主供热管道的温度检测和控制，获得小区的温度的分布，并作为供热中心对供热压力、流量和温度调整的重要依据（故障检测）。按照设计要求本系统可分为安装于主管道的主管道控制系统和安装在建筑物内的房内控制系统两部分。它们的设计框图如图 2、图 3 所示。主控制器根据建筑物内房间的温度，控制其主管道流量。我们可以将主控制器分为多个模块。主管道上需要安装有管道温度、压力和流量传感器和电动阀门。其中安装压力传感器的目的是便于检测管道压力，便于管道出现泄漏时的检修。采用电动阀5LED 显示电路单片机流量监测温度检测压力检测控制驱动电路通信
18、电路存储电路图 2 主管道控制器框图Fig2 Main controller block diagramLED 显示电路单片机流量监测温度检测射频卡接受电路存储电路控制驱动电路通信电路键盘电路报警电路图 3 屋内控制器框图Fig3 The room controller block diagram门主要是控制管道流量的大小，它要用到驱动控制模块。控制核心模块可以用单片机，由各个电路分别采集来的流量温度、压力、信息传给控制器。通过显示模块，可以显管道流量、压力、温度、通信通道状态等信息，利用通信模块可以实现与屋内控制器以及上位机的信息传送。另外还用用到存储电路来存储和处理整个控制器的数据信息。而
19、屋内控制器根据房间内的温度，控制其主管道流量；我们可将主控制器分为多个模块。屋内管道上需要安装有管道温度、流量传感器和电磁阀门。采用电磁门主要6是控制管道流量的开关，它要用到驱动控制模块。控制核心模块可用单片机，由各个电路分别采集来的流量、温度等信息传给控制器。通过键盘显示模块，可以显示管道流量、温度、时段、通信通道状态等信息，并进行调节 3 。采用射频卡接收电路与报警电路主要是设置预存消耗水量值，预存水量不足时，发出报警。利用通信模块可将实现与主控制器的信息传送。另外还用到存储电路来存储和处理整个控制器的数据信息。2.3 模块方案设计的选择2.3.1 单片机的选择单片机又称作单片微控制器,它
20、不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是将一个计算机系统集成到一个芯片上。它具有体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利的条件。现在从 8 位、16 位到 32 位等等，应有尽有，有与主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供了广阔的天地。串口的设计，考虑到本设计所需要的 I/O 口较多，故这里选用了双 W77E58 单片机 4 。单片机采用 W77E58，77E58 与标准 8051 相兼容的全新核心的微处理器。由于去掉了多余的存储器周期和运算周期，它在相同周期里执行 8051 的指令比最初的 8051快得多。典型的指令周期 77E58 比
21、8051 快 1.5 到 3 倍。电源消耗也做了改进采用静态 COMS 设计。可以工作于较低的时钟频率下。由于需要我们用到了 8255 对单片机的 I/O 口进行了扩展，同时用到了 74LS245 扩展了并行输入口用于连接显示电路。2.3.2 温度检测方案选择本设计主要就是针对现有的集中供暖系统中的弊端来进行的改进，本系统充分体现了人性化设计，用户可以根据屋内现有的温度状况来设置所需供暖的时段进行调整。同时，供暖监控中心也可时时获知主管道的水温，以便对阀门的开度及时进行调节。而温度的采集主要是由温度传感器来处理，这就要求本系统要用到温度传感器。温度传感器一般分为接触式和非接触式两种，所谓的接触式传感器就是温度测量的基本形式，它的测量精密低而非接触方式是测量物体热辐射而发出的红外线从而测量物体的温度。本系统选择非接触式温度传感器， 适合于管道温度测量的温度传感器有热电偶传感器、热电阻传感器、集成温度传感器等。集成温度传感器是把温敏元件、偏置电路、放大电路及线性化电路集成在同一芯片上的温度传感器，其特点是使用方便、外围电路简单、性能稳定可靠。温度传感器 DS18B20，作为 DS1820 的改版可使温度信号直接转换成串行数字信号供微处理器处理，现场温度直接以“一线总线”
