摘要：針對我國北方農(nóng)村地區(qū)煤改電的需求，通過對暖氣混水系統(tǒng)的控制技術研究，提出了一種新的暖氣混水系統(tǒng)的控制方案，并完成了相關的軟硬件及控制算法的設計。控制系統(tǒng)由單片機控制器、溫度傳感器、編碼器、電機驅(qū)動模塊以及串口通訊模塊等模塊組成。在暖氣混水系統(tǒng)的軟件及控制算法上，提出了采用一階數(shù)字濾波及數(shù)字式二階平均濾波算法對數(shù)據(jù)進行濾波，使用PID控制的方法，通過調(diào)節(jié)熱水閥來調(diào)節(jié)混水的水溫，并且可以將實時溫度通過串口通訊返回給上位機。實驗結(jié)果表明，控制系統(tǒng)能夠完成供暖系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定控制。

　　關鍵詞：暖氣混水系統(tǒng);PID算法;數(shù)字濾波;溫度控制

　　伴隨著中國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，人們生活水平不斷提高，生產(chǎn)和生活對環(huán)境的影響日益嚴重。為滿足社會的發(fā)展和百姓對生活品質(zhì)的要求，中國政府近年來大大加強了環(huán)境保護力度，尤其是京津冀地區(qū)、以及華北其他各省，迅速出臺了一系列嚴格的環(huán)保政策。政策鼓勵冬季供暖使用晚間的峰谷電[1]，并給與力度很大的優(yōu)惠政策。將晚間的電能轉(zhuǎn)換為熱能存儲在水箱中，白天將水箱中的熱水通過水溫調(diào)節(jié)器釋放出來，供農(nóng)村家庭白天供熱使用，成為政府煤改電工程的重要技術措施。

　　針對此問題，開展了暖氣混水系統(tǒng)控制技術的研究。暖氣混水系統(tǒng)由以下幾部分組成：電磁加熱器、儲熱水箱和暖氣散熱器、混水控制系統(tǒng)。其工作原理是：在夜晚峰谷電的時間段開啟電磁加熱器，利用峰谷電加熱儲熱水箱中的水。峰谷電時間段過去之后，白天關閉電磁加熱器，暖氣混水系統(tǒng)會檢測出水管中的水溫，根據(jù)設定的溫度和出水管中的實際溫度，控制儲熱水箱中的水排向暖氣散熱器，使出水管溫度中的水溫達到設定的溫度。針對暖氣混水系統(tǒng)控制需求的特點，研究暖氣快速調(diào)節(jié)至設定溫度，提高系統(tǒng)效率的方法，并節(jié)約供暖成本。

　　1系統(tǒng)工作原理

　　暖氣混水系統(tǒng)[2]由上位機、控制器、編碼器、電機、溫度傳感器、熱水水閥和暖氣散熱器組成。其中控制器接收到上位機下發(fā)的水溫預設值，并發(fā)出采集出水管溫度指令。獲得水溫與預設水溫之差，即水溫偏差。通過PID算法計算出熱水閥所需打開程度，即電機所需旋轉(zhuǎn)的角度，并發(fā)出打開電機的指令。電機帶動水閥轉(zhuǎn)動，編碼器能夠讀取電機旋轉(zhuǎn)的角度參數(shù)，將角度參數(shù)與PID計算得到的角度值進行對比。

　　如果溫度偏差不在規(guī)定的偏差范圍，則繼續(xù)調(diào)整電機位置參數(shù)。如此循環(huán)直至溫度偏差達到規(guī)定偏差。每隔固定的一段時間，通過串口通訊將水溫的變化數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。控制器從上位機獲取預設水溫，并定時向上位機上傳溫度參數(shù)。控制器接收由溫度傳感器和編碼器獲得的溫度數(shù)據(jù)和角度數(shù)據(jù)，并控制電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向以及旋轉(zhuǎn)的角度，以此調(diào)節(jié)出水管中的水溫。單片機控制器采用串口通訊的方法上傳數(shù)據(jù)至上位機。

　　其中串口通訊采用中斷的方法實現(xiàn)。溫度傳感器可以測量暖氣中水的溫度，并及時將水的溫度上傳控制器。編碼器可以測量電機所旋轉(zhuǎn)的角度，從而得知水閥打開的程度，并及時將水閥的打開程度轉(zhuǎn)換為電機旋轉(zhuǎn)的角度。電機可以帶動水閥控制暖氣中熱水的注入速度。電機接受控制器發(fā)送的指令，將水閥置于適當?shù)奈恢谩?/p>

　　2系統(tǒng)設計

　　2.1外部接口

　　暖氣混水系統(tǒng)的所有外部接口功能[3]與外設的接口用下列方法實現(xiàn)。控制器的外部接口電路包括串行通訊接口、溫度采集接口、編碼器采集接口、電機驅(qū)動和控制接口。其中溫度采集接口、編碼器采集接口分別和外設中的溫度傳感器與編碼器相連，電機驅(qū)動、控制接口與電機相連。電機與水閥、水閥與暖氣硬件上相連，溫度傳感器插入出水管內(nèi)部。

　　2.2模塊硬件選擇

　　系統(tǒng)中的硬件模塊由以下功能模塊組成：控制器：STC單片機為主構(gòu)成的系統(tǒng)。溫度傳感器[4]：DS18B20溫度傳感器。編碼器：1024線相對編碼器。電機模塊：步進電機、步進電機的控制器、水閥，電機與水閥相連。

　　2.3控制算法

　　溫度控制模塊為PID算法[5]，對采集到的溫度數(shù)據(jù)進行濾波處理。處理之后將計算所得的角度工程參數(shù)，傳輸至電機模塊。使得電機模塊根據(jù)溫度控制模塊的輸出對電機狀態(tài)進行調(diào)整。

　　2.3.1控制流程

　　首先設定溫度(rt)，將(rt)與作為負反饋溫度傳感器所得到的實時水溫c(t)相減，得到的差值為偏差e(t)。將得到的偏差e(t)送入PID控制器進行PID算法處理，得到處理結(jié)果為一個脈沖個數(shù)u(t)。脈沖個數(shù)u(t)控制電機的狀態(tài)，使電機控制水閥放出熱水加熱暖氣，再通過溫度傳感器所得到的實時水溫c(t)，將其與預設溫度作差，得到偏差e(t)。如此循環(huán)直至水溫偏差e(t)到達混水系統(tǒng)的設定偏差范圍之內(nèi)。

　　3系統(tǒng)軟件設計

　　在完善硬件平臺的基礎上，STC12C5A60S2單片機軟件系統(tǒng)[8]根據(jù)功能可劃分為如下8個模塊。

　　1)系統(tǒng)初始化模塊：該模塊的功能是完成系統(tǒng)的初始化，包括設置定時器的初值與定時器寄存器;設置定時中斷、外部中斷以及通訊中斷的方式;設置所有I/O口的輸出方式;設定所有變量的初始值。

　　2)通訊管理模塊[9]：暖氣混水系統(tǒng)的通訊功能主要包含兩個方面的內(nèi)容：單片機接收上位機發(fā)送達給系統(tǒng)的指令;單片機向上位機發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。

　　3)溫度采集模塊[10]：溫度傳感器采用DS18B20，測溫范圍0～100℃，固有測溫誤差0.5℃。溫度傳感器可編程的分辨率為9～12位，溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式的數(shù)據(jù)，單次最大值采樣時間為750ms。暖氣混水系統(tǒng)會按照固定的時間間隔采集溫度，作為水閥控制的依據(jù)。

　　4)編碼器數(shù)據(jù)采集模塊[11]：編碼器采用相對編碼器，編碼器旋轉(zhuǎn)角度為0°～180°。編碼器軸與電機軸相連，指示電機的旋轉(zhuǎn)角度值，以確定電機帶動水閥打開的程度。

　　5)電機運行控制模塊[12]：CPU通過向電機發(fā)出脈沖信號，控制電機的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)位置。CPU通過向電機發(fā)出高低電平信號，控制電機的轉(zhuǎn)向。

　　6)溫度控制模塊：控制器通過獲得水溫與預設值之差，即水溫偏差。利用PID算法計算熱水閥所需打開程度。如果偏差變大就加大熱水排出量，反之減小熱水排出量。如此調(diào)整直到偏差在規(guī)定偏差范圍之內(nèi)。

　　7)時鐘管理模塊：利用CPU的定時器T0進行計時功能，從而得到系統(tǒng)守時的時鐘。

　　8)看門狗模塊[13]：看門狗定時器對CPU提供了獨立的保護系統(tǒng)，在發(fā)生程序進入死循環(huán)或跑飛等故障時，將單片機復位，用以保證系統(tǒng)的正常運行。

　　通過STC單片機上的定時器、UART及DS18B20分別實現(xiàn)系統(tǒng)時間、串口通訊及溫度采集[14]。運行程序時，控制器首先將控制器中各個參數(shù)進行初始化。其次接收上位機注入控制器中的預設溫度值。之后開始采集溫度的操作，并進行一次喂狗以確保程序的穩(wěn)定運行。

　　將采集到的溫度數(shù)據(jù)與預設值的溫度參數(shù)進行對比。如果兩個溫度參數(shù)符合規(guī)定的溫度偏差，則繼續(xù)采集溫度工程參數(shù)，直到不滿足規(guī)定的溫度偏差。如果不滿足規(guī)定的溫度偏差，將對溫度數(shù)據(jù)進行理，并控制電機運行。直到電機運行到預定位置，再重新采集溫度數(shù)據(jù)。

　　4濾波算法

　　系統(tǒng)每分鐘讀取一次水溫，考慮到實際環(huán)境特點，為防止環(huán)境溫度錯讀，需要對溫度數(shù)據(jù)進行濾波。濾波采用如下的算法：若溫度超過一定范圍，則認為本次溫度讀取錯誤，保持上次溫度值不變。在溫度數(shù)據(jù)正確讀取的的基礎上，通過一階滯后濾波法及數(shù)字式平均法[15]進一步處理數(shù)據(jù)。

　　5實驗結(jié)果

　　根據(jù)預先設定的溫度控制曲線，在暖氣混水系統(tǒng)剛開始啟動的時候，混水溫度增長相對迅速，增幅約為每30s增長1℃。在18分鐘左右增幅開始下滑約至每30s增長0.3℃。在36.5分鐘時即將到達預設溫度48℃，此時混水溫度開始小范圍調(diào)節(jié)至預設溫度[17]。在41分鐘時，溫度趨向穩(wěn)定，達到了穩(wěn)態(tài)。

　　6結(jié)束語

　　針對暖氣混水系統(tǒng)的控制需求提出了一個創(chuàng)新性的解決方案，通過現(xiàn)場的實際運行，達到了設計要求，能夠?qū)⒗�用晚間峰谷電加熱的水，按照設定的溫度注入到暖氣散熱片中[18]，大大節(jié)約了供暖成本，對于未來節(jié)約能源，造福百姓，環(huán)保供暖有著重大的意義。

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