集中供暖电气控制系统的设计设计.docx
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集中供暖电气控制系统的设计设计
集中供暖电气控制系统的设计设计
集中供暖电气控制系统的设计
摘要……………………………………………………………………………1
关键词…………………………………………………………………………1
1前言………………………………………………………………………………2
1.1课题背景和意义……………………………………………………………………2
1.2设计方案的可行性……………………………………………………………3
1.3课题内容概述……………………………………………………………………3
2系统总体方案……………………………………………………………………4
2.1系统结构…………………………………………………………………4
2.2方案总体设计框图……………………………………………………………4
2.3模块方案设计的选择……………………………………………………………6
2.3.1单片机的选择………………………………………………………………6
2.3.2温度检测方案选择………………………………………………………………6
2.3.3流量检测方案设计………………………………………………………………7
2.3.4压力检测方案设计………………………………………………………………7
2.3.5键盘显示电路方案设计…………………………………………………………7
2.3.6射频卡接收电路方案设计………………………………………………………8
2.3.7报警电路方案设计………………………………………………………………8
2.3.8存储电路与时钟电路方案设计………………………………………………8
2.3.9阀门及驱动控制电路方案设计………………………………………………9
2.3.10通信电路方案设计……………………………………………………………9
3硬件电路设计……………………………………………………………………10
3.1单片机W77E58……………………………………………………………10
3.1.1单片机W77E58引脚功能………………………………………………………10
3.1.2单片机W77E58复位电路………………………………………………………12
3.2温度检测电路的设计……………………………………………………………13
3.2.1DS18B20的外形和内部结构…………………………………………………13
3.2.2温度传感器与单片机的接口电路……………………………………………14
3.3A/D转换电路的设计……………………………………………………………14
3.3.1TLC2543的介绍……………………………………………………………14
3.3.2A/D转换工作原理……………………………………………………………15
3.3.33.3V的基准电源……………………………………………………………15
3.4流量检测电路的设计……………………………………………………………16
3.4.1ZRN-LUG涡街流量计…………………………………………………………16
3.4.2检测电路工作原理……………………………………………………………16
3.5压力检测电路的设计……………………………………………………………17
3.5.1压力传感器……………………………………………………………17
3.5.2压力检测电路的工作原理…………………………………………………17
3.6键盘显示电路的设计……………………………………………………………18
3.6.1键盘部分…………………………………………………………………18
3.6.2显示部分…………………………………………………………………19
3.6.3键盘显示的借口电路………………………………………………………20
3.7射频卡接收电路的设计………………………………………………………21
3.8报警电路的设计……………………………………………………………22
3.9存储电路与时钟电路的设计……………………………………………………22
3.9.1存储芯片…………………………………………………………22
3.9.2时钟芯片…………………………………………………………23
3.9.3存储电路与时钟电路原理图…………………………………………………23
3.10驱动控制电路的设计……………………………………………………………23
3.10.1电磁阀的驱动控制电路……………………………………………………23
3.10.2电动阀的驱动控制电路……………………………………………………24
3.11通信电路的设计……………………………………………………………27
3.12电源电路的设计……………………………………………………………28
3.12.1+5V电源………………………………………………………………29
3.12.2+12V电源……………………………………………………………29
4软件设计……………………………………………………………………29
4.1主程序设计……………………………………………………………………29
4.2温度子程序设计…………………………………………………………………31
4.2.1读出温度子程序………………………………………………………………31
4.2.2温度转换命令子程序…………………………………………………………32
4.3电气量测量部分程序设计………………………………………………………33
4.4显示数据刷新程序设计………………………………………………………33
4.5键盘子程序设计………………………………………………………………33
4.6中断服务程序设计………………………………………………………………35
5结论………………………………………………………………………………36
参考文献………………………………………………………………………37
致谢…………………………………………………………………………………38
附录……………………………………………………………………………………39
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77E58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;
THEDESIGNOFCENTRALHEATINGELECTRICALCONTROLSYSTEM
Abstract:
Withtheimprovementofpeople'slivingstandard,theacceleratingpaceofwork,thecentralheatingsysteminmostpartsofthecountry,especiallybigcities,ismoreandmoreimportant.Theprogressivedevelopmentoftheresidentialhouseholdsdemandsthedistrictheatingsystemmeetstherequirementsofintelligent,digitalandenergyeffective.
Thisdesignusesthe77E58singlechipmicrocomputerasthecorecontroldevice,realizedthecontrolwithautomation.ThedesignofthehardwarediscussedthebasicmodulecontrollersuchastemperaturedetectioncircuitforDS18B20,I/Oexpansionportwith8255andusedtheAD694chipfortheconverter.Expoundedtheprincipleandfunctionsoftheinterfacesbetweenextension,datatransmission,communicationprotocolandtheharddrive.Ontheotherhand,softwaredesigndiscussedtherealizationofthevariousfunctionalprocessesneeded.Thesystemusessingle-chipmicrocomputerdetectingsensor,electricvalvecombination,controlsthedistrictheatingsystemeffectively.
Keywords:
Heating;Intelligentcontrol;Temperature;Radiofrequencycard
1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在通过A\D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:
-40℃~100℃;
(2)温度测量精度:
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;
2总体方案设计
2.1系统结构
图1建筑物内温度控制
Fig1Buildingtemperaturecontrol
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
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”的数字方式传输,每一颗自带地址,大大减少了系统的电缆数,提高了系统的稳定性和抗干扰性。
温度测量范围宽,能测到-55—125度的温度,在-10到+85度时精度为正负0.5度。
另外提供9到12位的测量分辩率,对应的温度精度分别为0.5度、0.25度、0.125度和0.0625度,实现了高精度的测量。
2.3.3流量检测的方案的设计
因本系统需要用户对自己屋内管道进行检测,以了解自己的取暖用水量,来更合理的安排用水;而且供暖监控中心的工作人员也需要知晓各个用水单元的用水量来进行合理调配,安排,同时用户和供暖监控中心还可以通过调节管道流量来提高或降低供暖温度。
故本系统需要测量屋内和屋外管道的流量,这就需要用到流量传感器。
从功能和经济效益等方面考虑最终选择了涡街流量计来测量管道流量。
涡街流量计主要用于工业管道介质流体的流量测量,如气体、液体、蒸气等多种介质。
本设计用的流量计为ZRN-LUG涡街流量计,极大地克服了传统压电式涡街流量仪表抗振性差、不耐高温的缺点,扩展了涡街流量仪表的应用范围。
其输出为4-20mA的电流信号,便于传感器可安装在室内与室外,也可安装在水平、垂直或倾斜(流体的流向自下而上)的与其公称通径相应的管道上。
2.3.4压力检测的方案设计
因为各个用户取暖所用的热水都是经由主管道的传输送到各个单元,然后再经由屋内管道送到暖气设备。
因为主管道的口径较宽,而且供应很多用户的取暖热水,雇主管道的工作压力会相对较大。
若是主管道出现裂纹或是破损,不仅会影响到住户的供暖质量,还可能因为主管道的破损而对小区居民造成安全隐患。
所以,对主管道是否处在正常的工作模式即管道压力是否处于正常值的范围的检测就显得尤为重要。
压力传感器用来测量主管道的压力,方便供暖监控中心对供暖管道进行检测和维修。
根据本系统的要求等综合考虑,本系统选用的是NPC-1220压力传感器。
1220型是经过温度补偿的硅压阻式压力传感器,采用双列直插封装结构,它的压力范围可达到0-70KPa,符合管道要求适用要求成本低,性能优越,长期稳定性好的应用领域。
2.3.5键盘显示电路的方案设计
因本系统需要用户和供暖监控中心的工作人员及时了解供暖现状,这就需要一个媒介把信息数据告知用户和工作人员,这就需要显示电路。
显示电路可以把温度、流量、压力、余额等信息显示出来,以便人们进行合理调度及安排。
而且用户可以自己设定五个时间段的供暖信息,对屋内供暖系统进行调节。
主控室工作人员也可以根据各楼宇的供暖温度设定调节主管道阀门开度,这就需要人机接口键盘电路对系统进行操作。
为了方便经济易于设计,本设计采用了动态的LED显示,考虑到时间。
温度等的精确显示,本设计采用了6个数码管显示。
键盘电路部分,设计采用行列式按键结构,键盘区设计4*2个按键,共占用4个I/O端口,,行列式键盘的硬件结构比较简单,这种键盘易于设计,编程简单,通过软件按键延时去除按键抖动现象。
2.3.6射频卡接收电路的方案设计
由于各个用户取暖所用的热水都是经由主管道的传输送到各个单元,然后再经由屋内管道送到暖气设备中。
因为各个用户的需要的供暖情况不同,用水流量也不同,采用射频卡设置预存消耗水量值。
射频卡是一种以无线方式传送数据的集成电路卡片,它具有数据处理及安全认证作用等特有的优点。
射频卡又叫非接触式IC卡,诞生于90年代初,是世界上最近几年发展起来的一项新技术,它成功地将射频识技术和IC卡技术结合起来,解决了无源(卡中无电源)和免接触这一难题,是电子器件领域的一大突破。
RFID技术有很多突出的优点,如不需要人工干预,不需要直接接触、不需光学可视即可完成信息输入和处理,可工作于各种恶劣环境,可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签,操作快捷方便,实现了无源和免接触操作,应用便利,无机械磨损,寿命长,机具无直接对最终用户开放的物理接口,能更好的保证机具的安全性能。
所以综上考虑,本系统选用RFID射频卡技术
2.3.7报警电路的方案设计
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。
压力传感器用来测量主管道的压力,方便供暖监控中心对供暖管道进行检测和维修,管道发生故障如泄露时,都要报警。
考虑为了不影响用户的生活,我们用了蜂鸣器和软件设计实现间断报警。
2.3.8存储电路与时钟电路的方案设计
由于本系统需要采集和处理大量的数据和程序,如温度、流量、压力、显示等,所以这就要求系统要有足够的存储空间来储存和处理这些数据。
另外用户还要在不同的时间段设置不同的供暖模式。
本设计中它与时钟芯片PCF8563相结合,存储大量的时段温度等状态信息。
这就需要用到存储芯片与时钟芯片。
存储器大致可分为两大类:
易失和非易失。
易失存储器在系统关闭时立即失去存储在内的信息;它需要持续的电源供应以维持数据。
大部分的随机存储器(
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