基于STC单片机的温控热计费采暖阀门的设计

摘  要： 采集对采暖设备入户和出户的水温差，结合流量计算热量消耗并计费，通过室温的采集调控阀门开启比例调节流量，基于STC系列单片机的温控采暖阀门系统实现了温度、流量采集及室外阀门与室内遥控器的无线通信控制。通过IC卡完成热量费用的充值以及供热系数的更新，光电开关限位配合减速电机根据温度调节阀门开启比例。整体设计结构紧凑，成本较低，实验样机经测试能够可靠实现计费、充值以及温度调节等功能。
关键词： 热量计费；温控；阀门；IC卡；STC单片机
       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。