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基于单片机的无水地暖控制系统

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 109次


王磊

(河南科技大学 国际教育学院,河南 洛阳 471023)

摘要:为了研究单片机对无水地暖的控制效果,本系统以两个单片机STC89C52RC作为控制核心,利用温湿度传感器进行实时监测,通过485通讯进行室内控制与室外操作的数据交互。建立数学模型来量化地暖的制热量,提升制热效率,增强系统稳定性。

关键词:无水地暖,单片机,温湿度传感器,485通讯,制热效率

中图分类号:TN13       文献标识码:A

 

Controlling System of Radiant Floor Heating without Water based on SCM

WANG Lei

(School of International Education,Henan University of Science and Technology,Luoyang,471023,China)

Abstract: In order to find out the result of SCM controlling Radiant Floor Heating without Water, The system which is controlled by two SCM of STC89C52RC monitors temperatures and humidity real-time by sensors and controls transmission of data by 485 protocol between commands and operations. The system sets up a model of algorithm to figure out heat capacity, and then to promote the efficiency of heating, finally to enhance the stability.

Keywords: radiant floor heating without water; SCM; temperature and humidity sensor; 485 protocol; efficiency of heating

 


引言

    无水地暖,是使用氟氯昂等媒介来传导热量,通过对地板的加热来实现“温足而顶凉”的一种供暖方法。无水地暖实际上是把制冷空调的工作原理反过来应用,利用膨胀阀对流量的控制来实现对室内散热量的调节。由于室内空气温度变化表现出非线性与滞后性,因而前人常用各种PID算法[1][2]来进行温度控制,本文通过建立数学模型计算地暖散热量,利用定量的方法来控制膨胀阀开度,调节室温。该系统以单片机STC89C52RC为核心,用传感器DS18B20[3]来实现各部分温度的实时反馈,具有较高的测量精度和控制精度,可靠性高,稳定性强。

 

 

 

 

 

 

硬件设计

作者简介:王磊(1985-),男,河南省洛阳市,助理实验师,硕士研究生,软件工程。

本系统具有室内温、湿度实时监测功能、通过判断室内温度与设定温度差值的大小,来调节膨胀阀的开度,控制地暖制热量,实现对室温稳定、合理的控制。

该控制系统以单片机STC89C52RC为核心,利用串口485[4]通讯来实现数据的发送与接收,通过实时测定地暖各部位的具体温度值来完成对散热量的计算,从而控制整个地暖系统。

系统总体框图如图1所示,系统控制部分由控制板1与控制板2组成,控制板1是用户操作面板,通过连接DHT11[5]来读取室内温湿度;通过连接按键模块,来发出开机、关机、设置以及显示屏操作指令;通过连接JLX12864G-109液晶显示屏来实现与用户的交互;同时将蜂鸣器作为报警装置,当地暖运行到预期以外的条件时接通报警装置,发出刺耳的报警声。控制板2安装在地暖的压缩机附近,按照设定好的规则直接控制地暖中各种组件的运行。系统使用4DS18B20来测量压缩机的排气温度、回气温度,以及盘管温度和室外温度,通过对各部分温度值的监测与处理,来控制膨胀阀[6]的开、合,并使用SN74LS125AN缓冲器来控制压缩机、风机、曲轴与四通阀的开关。控制板1与控制板2利用串口485来实现通讯,完成用户对地暖的控制以及地暖相关运行数据的反馈。


 

2 控制板1电路图

3 控制板2电路图


 

 

建立模型

在房间中安装无水地暖,即在地板下方埋有铜管,制热剂(氟氯昂)在铜管中流过释放热量,从而控制房间温度。现将房间温度作为系统的控制对象,它是一个二阶系统,但在能够满足控制要求的情况下,建立模型时常采用带延迟的一阶模型近似描述其动态特性[7]。建立被控对象数学模型如下:            1

其中     2   

                (3

为某一时刻t的盘管温度,为某一时刻t的压缩机回气温度,是在某一时刻t制热剂在地面释放热量时的温度变化值,是电子膨胀阀在某一时刻的开度与制热剂流量的固定比例系数,为某一时刻t的膨胀阀开度,范围是:0o~256o为某一时刻t的制热剂流量,即为地暖在某一时刻的散热量。

    通过实时监测各部分的温度值变化,可利用该模型计算出各个时刻的地暖散热量,再结合实际的室温变化情况来合理控制散热量大小,即控制膨胀阀开度,限制制热剂流量。最终实现对室温的有效调节。

实验测试与结果分析

本次测试放在一个铺设了地暖的空旷民房中进行,选取一个面积约为10M2的空旷小房间,在环境温度为10℃时对屋内进行升温实验,将室温提升至20℃,在室温变化过程中监测了20个点,变化过程如下表所示,

 

 

 

 

 

 

 

室温变化表

序号

时间/min

室内温度/

1

10

10

2

20

10

3

30

10

4

40

11

5

50

12

6

60

14

7

70

15.5

8

80

16

9

90

17

10

100

19

11

110

20.5

12

120

21

13

130

22

14

140

22.5

15

150

21.5

16

160

21

17

170

20

18

180

19

19

190

19.5

20

200

19

 

通过对室温200分钟的实时监测,清晰的反映出该系统的工作过程。基于地暖的特点,在前半小时内,室温几乎没有变化,到30分钟左右地暖的效果开始显现,室内逐渐升温,第140分钟时,室温已经超过设定温度并达到峰值22.5℃,然后开始逐渐回落,并伴随小幅波动,最终稳定在20℃上下。

结语

     本系统以单片机STC89C52RC作为核心器件,利用DS18B20温度传感器,DHT11湿度传感器,MAX485有线传输模式,以及按键、显示屏等输入输出设备实现了对地暖系统的有效控制。该系统结构简单、对地暖的控制效果显著,具有很好的应用前景。但是,在室温的精确调节方面还有待进一步提升,下一步还需要在室温的自适应调节方面继续研究和改进。

参考文献

[1] 张新荣,徐保国.基于数字PID的空调系统温度 

检测与控制设计[J].仪表技术与传感器, 

2010,10(10):104-107.

[2] 武林,楼恩平,侯东晴,徐亮. 基于PID算法的

    无线温湿度控制系统[J]. 仪器仪表学,2006,

    27(6):619-620.

[3] 王文. 基于ARMDS18B20的温度监测系统

    [D]. 江苏:江苏科技大学, 2012.

[4] 周修理,杨方,陈萍.常见的串行通讯接口标

    准[J]. 电测与仪表, 2001,38(4):33-35.

[5] 倪天龙. 单总线传感器DHT11在温湿度测控

中的应用[J]. 单片机与嵌入式系统应

,2010, (6):60-62.

[6] 张芝雨,张婧.电子膨胀阀控制设计[J].

    科技资讯,2012,9(9):32-37.

[7] 蒋正金.基于单片机的无线温-湿度采集与控

制系统[J].现代电子技术, 2012,35 (17):126

- 129

 

 

 

作者简介:王磊(1985-),男,河南省洛阳市,硕士研究生,助理实验师,软件工程。

工作单位:河南科技大学              

Email:15038647836@126.com


 

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