CN204730322U - 一种暖气供热自动调节装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种暖气供热自动调节装置，属于暖气供热节能控制领域。包括：单片机、舵机、电源模块、传感器模块和时钟模块；单片机同时与舵机、电源模块、传感器模块和时钟模块相连接；电源模块进一步包括半导体温差发电片、二极管、锂离子电池；其中，半导体温差发电片通过连接处于正向偏置状态的二极管为锂离子电池充电，实现锂离子电池持续为装置供电。本实用新型充分考虑供热环境温度、供热时间、及供热环境是否有人等诸多因素，通过舵机带动水阀来控制进入暖气片的热流量。本实用新型将供热室内墙面(建筑物维护结构)作为冷源，暖气片作为热源，利用二者的温差，通过半导体温差发电片产生电能，自动为锂离子电池充电，不需要外接电源。
Description
所属技术领域
本实用新型属于暖气供热节能控制领域，具体涉及一种暖气供热自动调节装置
背景技术
集中供热是我国北方城市冬季采暖的主要形式。但我国是能源短缺国家，且浪费严重。目前，我国的供热系统运营模式较发达国家落后，大部分供热用户室内无温度调节与节能控制设备，且多数供热公司采用的热计量收费模式对于建筑位置不同、室内居住时间不同的用户是非常不公平的，也带来了诸多弊端。因此设计一种能根据采暖用户的实际居住情况，合理控制供暖时间与采暖温度，充分利用现有热量，减少居民开窗散热，解决家中无人及室温过高时的热能浪费问题，并且提供适宜温度的室内环境是十分必要的。
目前，暖气供热节能控制领域中应用较多的是暖气节能阀，暖气节能阀主要有机械式和电动式两类。机械式暖气节能阀主要是根据形状记忆合金记忆效应的特性来实现的。例如，论文“智能型暖气片温度控制阀的设计[J]”(樊卫平，机床与液压,2006(9):200-201)所提出的智能型暖气片温度控制阀，使用Ni-Ti合金制成驱动弹簧，感应房间温度的变化而发生形状上的变化,驱动滑块移动,控制热水流量,起到调节房间温度的作用。这种机械式暖气节能阀结构简单，不需电源，但工作模式单一，环境适应性差，无法调节温度。电动式暖气节能阀主要是由温度或人体红外传感器采集信息，传至单片机，有单片机驱动舵机调节进入暖气的流量，例如，论文“基于暖气流量调节的室温控制装置[J]”(李腾飞,陆宜,奚小艳,等，科技创新与生产力,2011(11):103-105)提出的基于暖气流量调节的室温控制装置。但这种装置需要外接电源，且只针对温度单一因素考虑，未充分利用室内余热，仅适用于家庭。
实用新型内容
针对现有方法存在的不足，本实用新型提出一种暖气供热自动调节装置。
本实用新型所采用的技术方案是这样实现的：
一种暖气供热自动调节装置，包括：单片机、舵机、电源模块、传感器模块和时钟模块；
所述的单片机同时与舵机、电源模块、传感器模块和时钟模块相连接；
所述的舵机，根据单片机的控制信号，控制安装于供热水管上的水阀阀门的开合大小，进而调节供热水管内水流大小；
所述的电源模块，用于为装置供电；
所述的传感器模块，用于感知供热室内是否有人存在及供热室内温度大小；
所述的时钟模块，用于计时，为单片机提供当前时刻的日期和时间。
所述的电源模块进一步包括半导体温差发电片、二极管、锂离子电池；其中，半导体温差发电片通过连接处于正向偏置状态的二极管为锂离子电池充电，实现锂离子电池持续为装置供电。
所述的锂离子电池的额定容量为600mAh，额定电压为3.7V，该锂离子电池连接一升压模块升压后，为装置供电。
所述的传感器模块进一步包括人体红外传感器和温度传感器，所述的人体红外传感器用于检测供热室内是否有人存在；所述的温度传感器用于检测供热室内温度大小；所述的人体红外传感器和温度传感器均与单片机连接。
所述的半导体温差发电片置于暖气片背部，半导体温差发电片利用暖气片和墙体之间的温度差，产生电能为锂离子电池充电。
本实用新型的有益效果是：本实用新型以单片机为核心，充分考虑供热环境温度、工作供热环境的工作时间、及供热环境是否有人等诸多因素，针对不同的环境采取不同的工作模式，通过舵机带动水阀来控制进入暖气片的热流量。另外，本实用新型实行间断检测与工作的方法，在保证采暖需求的前提下最大限度的降低了能耗。再者，本实用新型将供热室内墙面(建筑物维护结构)作为冷源，暖气片作为热源，利用二者的温差，通过半导体温差发电片产生电能，自动为锂离子电池充电，不需要外接电源，且半导体温差发电片还具有无噪声、无污染、无磨损、寿命长的特点。
附图说明
图1为本实用新型一种实施方式的暖气供热自动调节装置的结构示意图；
图2为本实用新型一种实施方式的暖气供热自动调节装置的电路原理图；
图3为本实用新型一种实施方式的电源模块的结构示意图；
图4(a)为本实用新型一种实施方式的暖气供热自动调节装置与暖气片的连接关系示意图的正视图；图4(b)为本实用新型一种实施方式的暖气供热自动调节装置与暖气片的连接关系示意图的侧视图；
图5为本实用新型一种实施方式的控制舵机工作的PWM波形图图；
其中：1-单片机；2-电源模块；3-时钟模块；4-传感器模块；5-舵机；6-半导体温差发电片；7-二极管；8-锂离子电池；9-5V升压模块；10-温度传感器；11-人体红外传感器；12-联动轴；13-水阀；14-供热水管；15-回水管；16-暖气片；17-墙体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。
本实施方式的暖气供热自动调节装置，如图1所示，包括：单片机1、舵机5、电源模块2、传感器模块4和时钟模块3；单片机1同时与舵机5、电源模块2、传感器模块4和时钟模块3相连接的电路原理图，如图2所示；本实施方式的传感器模块4进一步包括人体红外传感器11和温度传感器10；本实施方式的电源模块2，如图3所示，进一步包括半导体温差发电片6、二极管7、锂离子电池8和5V升压模块9；本实施方式中将单片机1、时钟模块3、温度传感器10、锂离子电池8组合放置于开口透明盒中，并将透明盒放置在暖气片16上部，半导体温差发电片6置于暖气片16的背部，如图4(a)和图4(b)所示。
本实施方式采用的单片机的型号为IAP15F2K60S2；本实施方式采用的舵机的型号为MG995；本实施方式采用的人体红外传感器是HC-SR501人体感应模块；本实施方式采用的温度传感器是型号为MF52AT的负温度系数(NTC)热敏电阻；本实施方式采用的时钟模块中的时钟芯片的型号为DS1307；本实施方式采用的半导体温差发电片的型号为SP1848-27145；本实施方式采用的二极管的型号为IN4007；本实施方式采用的锂离子电池为600mAh、3.7V的锂离子电池；本实施方式采用的升压模块为CE8301-5V升压模块。
本实施方式的电源模块中，SP1848-27145型半导体温差发电片利用暖气片16和墙体17的温度差通过温差电效应产生电能，并通过SP1848-27145型半导体温差发电片正电极端连接IN4007二极管的阳极端(即IN4007二极管处于正向偏置)产生正向电流为锂电池充电，如图3所示。半导体温差发电是一种利用赛贝克效应，将温差能(热能)转化成电能的固体状态能量转换方式。本实施方式的IAP15F2K60S2型单片机，所需供电电压为5V，而一般600mAh锂离子电池供电电压一般为3.7V，因此需要使用升压模块。本实施方式的锂离子电池通过导线与CE8301-5V升压模块相连，CE8301-5V升压模块的OUT+引脚与整个装置共同连接的电源引脚VCC相连，CE8301-5V升压模块的OUT-引脚与整个装置共同连接的GND引脚相连。CE8301-5V升压模块输出5V电压供包括单片机在内的整个装置用电。
如图2所示，本实施方式中时钟模块的DS1307型时钟芯片的数据I/O口连接IAP15F2K60S2型单片机的P1.0引脚，DS1307型时钟芯片的SCLK引脚连接IAP15F2K60S2型单片机的P1.1引脚，DS1307型时钟芯片的RST引脚连接IAP15F2K60S2型单片机的P1.2引脚，DS1307型时钟芯片与IAP15F2K60S2型单片机之间采用I2C通信方式：1)当IAP15F2K60S2型单片机向DS1307时钟芯片写入数据时，所采用的数据写入协议为：单片机首先发送I2C通信开始信号，接着发送时钟芯片的设备地址数据11010000(二进制)，然后发送所需时间的时钟芯片寄存器地址，单片机等待时钟芯片发送ACK回应信号后连续发送8位数据，每次发送完8位数据等待时钟芯片回应ACK信号后继续发送。所有数据发送完毕后 单片机发送I2C通信终止信号即完成了数据写入的通信过程。2)当IAP15F2K60S2型单片机从DS1307时钟芯片读取数据时，所采用的数据读取协议为：单片机同样先发送I2C通信开始信号，然后发送数据11010001(二进制)，等待ACK回应后连续发送8位数据，每次发送完8位数据等待时钟芯片回应ACK信号后继续发送。所有数据发送完毕后单片机发送I2C通信终止信号即完成了数据读取的通信过程。
IAP15F2K60S2型单片机开机后首先对DS1307型时钟芯片进行数据初始化，由于DS1307型时钟芯片内的时间数据在运行前已经进行过时间校准，就无需再写入时间数据，每次循环时仅仅需要读取时间日期数据即可，读取时间数据是从DS1307型时钟芯片寄存器中分别读取年、月、日、时、分、秒、周的数据，由于读取的数据为BCD码格式，因此需要进行BCD码到十进制转换，最后便可以得到当前时刻的日期与时间数据。
本实施方式中IAP15F2K60S2型单片机分别通过读取人体红外传感器和温度传感器两个传感器的数据获得供暖室内是否有人存在以及室内温度高低。
人体红外传感器的安装位置以具体情况而定，应避开明显热源，且应安装在最容易感应到人体的位置，又由于人体红外传感器感应范围有限，因此需将其安置在暖气片前端以用于更精准的检测，若暖气片的位置并不是正对供热室中央，可把人体红外传感器放置在屋顶。
本实施方式所采用的HC-SR501型人体感应模块是基于红外线技术的自动控制模块。该模块使用简单，通电后有一分钟左右的初始化时间，一分钟后进入待机状态。当进入检测状态后人进入其感应范围则输出高电平，人离开其感应范围则自动延时关闭高电平，输出为低电平，因此，如图2所示，本实施方式使IAP15F2K60S2型单片机的P3.4引脚与HC-SR501人体感应模块的信号引脚VO相连，读取HC-SR501人体感应模块的高低电平状态即可知道供热室内人员存在的状态；若有人，则IAP15F2K60S2型单片机的P3.4引脚为高电平，反之为低电平。
本实施方式采用的MF52AT型热敏电阻是一种负温度系数(NTC)热敏电阻，热敏电阻的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值，其中负温度系数(NTC)热敏电阻在温度越高的时候阻值越低。由于MF52AT热敏电阻的电阻值随温度的变化而发生变化，因此将它与一个10K的电阻串联后接入电路VCC和GND之间，通过测量MF52AT热敏电阻两端电压即可得出当前环境温度下的电阻值，然后根据MF52AT热敏电阻的热敏特性曲线即可得出当前环境温度，本实施方式中是通过IAP15F2K60S2型单片机的P1.7引脚自带的ADC功能采集MF52AT型热敏电阻两端电压。
如图4(a)和图4(b)所示，本实施方式采用的MG995型舵机通过联动轴12与安装于 供热水管14上的水阀13相连，IAP15F2K60S2型单片机的P00引脚与MG995型舵机的Signal数据线相连。单片机采用PWM调制方式控制舵机，PWM调制即改变信号占空比，单片机发送的控制信号由舵机的数据线进入舵机的信号调制芯片。本实施方式利用PWM对舵机的控制，如图5所示，让舵机转向左极限的角度，它的正脉冲为2ms，则负脉冲为20ms-2ms＝18ms，所以开始时IAP15F2K60S2型单片机从P0.0引脚发送高电平给MG995舵机数据线，然后设置IAP15F2K60S2型单片机定时器在2ms后发生中断，中断发生后，在中断程序里将控制口改为低电平，并将中断时间改为18ms，再过18ms进入下一次定时中断，再将控制口改为高电平，并将定时器初值改为2ms，等待下次中断到来，如此往复实现单片机发送PWM信号通过数据线输出到舵机。用修改定时器中断初值的方法巧妙形成了脉冲信号，调整时间段的宽度便可使舵机灵活运动。由于舵机的转动轴直接与水阀的开关轴相连，就可以通过单片机对舵机的转动的控制实现控制水阀的开合大小进而控制供热水管上进水流量。
根据装置应用于工作办公环境中和应用于家庭环境中，本实施方式的暖气供热自动调节装置的工作方式划分为工作模式和家庭模式；
一)所述的工作模式的过程为：
步骤1：时钟模块采集供热室内当前时间数据，并传送至单片机；
步骤2：温度传感器对供热室内当前时刻的温度进行采集，并将采集到的温度数据传送至单片机；
步骤3：根据接收到的时间数据，单片机判断出供热室当前所处的供热时间段，并根据供热室当前所处的供热时间段及供热室当前温度，控制舵机转动，进而控制水阀阀门的开关程度，实现对供热水管中水流大小的调节；
步骤3.1：若供热室当前处于临近下班时间段，则控制水阀的阀门关至用户预设的最小开度；
步骤3.2：若供热室当前处于临近上班时间段，则控制水阀的阀门开至最大；
步骤3.3：若供热室当前处于工作时间段，则单片机将供热室当前温度与用户预设的标准有人供热温度进行比较，若供热室当前温度高于用户预设的标准有人供热温度，则控制水阀减小阀门开度，以减小供热水管中水流；若供热室当前温度低于用户预设的标准有人供热温度，则控制水阀增大阀门开度，以增大供热水管中水流；
步骤3.4：若供热室当前处于下班时间段，则启动人体红外传感器工作，单片机根据人体红外传感器的测量数据，判断供热室内是否有人存在，若供热室内有人存在：则单片机将供热室当前温度与用户预设的标准有人供热温度进行比较，若供热室当前温度高于用户预设的 标准有人供热温度，则控制水阀减小阀门开度，以减小供热水管中水流；若供热室当前温度低于用户预设的标准有人供热温度，则控制水阀增大阀门开度，以增大供热水管中水流；若供热室内无人存在，则控制水阀将水阀阀门关至用户预设的最小开度。
步骤4：单片机判断时钟模块计时是否达到用户预设的暖气供热自动调节时间间隔，若是，则转至步骤1；若否，则装置处于休眠状态，直至时钟模块计时达到用户预设的暖气供热自动调节时间间隔；
二)所述的家庭模式的工作过程为：
步骤1：时钟模块采集供热室内当前的时间数据，并传送至单片机；
步骤2：温度传感器对供热室内当前时刻的温度进行采集，并将采集到的温度数据传送至单片机；
步骤3：启动人体红外传感器工作，单片机根据人体红外传感器的测量数据，判断供热室内是否有人存在，若供热室内有人存在：则单片机将供热室当前温度与用户预设的标准有人供热温度(例如：18℃)进行比较，若供热室当前温度高于用户预设的标准有人供热温度，则控制水阀减小阀门开度，以减小供热水管中水流；若供热室当前温度低于用户预设的标准有人供热温度，则控制水阀增大阀门开度，以增大供热水管中水流；若供热室内无人存在且无人存在时间超过用户预设的时间阈值(例如：20分钟)：则单片机将供热室当前温度与用户预设的标准无人供热温度进行比较，若供热室当前温度高于用户预设的标准无人供热温度(例如：16℃)，则控制水阀减小阀门开度，以减小供热水管中水流；若供热室当前温度低于用户预设的标准无人供热温度，则控制水阀增大阀门开度，以增大供热水管中水流；
步骤4：单片机判断时钟模块计时是否达到用户预设的暖气供热自动调节时间间隔，若是，则转至步骤1；若否，则装置处于休眠状态，直至时钟模块计时达到用户预设的暖气供热自动调节时间间隔。
实施例1
沈阳市某公司的供热时间段如下：临近下班时间段为11:40-12:00及17:40-18:00、临近上班时间段为07:40-08:00及13:40-14:00、上班时间段为08:00-11:40及14:00-17:40和下班时间段为12:00-13:40及18:00-次日07:40。根据沈阳市供热标准为不低于18℃的要求，本公司设置的标准有人供热温度为18℃，标准无人供热温度为16℃，暖气供热自动调节时间间隔为10分钟，本实施例以该公司的一天24小时为例，对其采用本实用新型的暖气供热自动调节方法的工作模式进行说明：
(1)7：40-8：00AM：
MF52AT热敏电阻对室内温度进行检测，IAP15F2K60S2型单片机对MG995舵机开始进行调控，使得水阀的阀门开度最大。从而保证办公人员进入办公室时不会感到凉意。此过程中，阀门的开度随温度近似呈线性变化。由于设备的精度有限，可能8：00时温度会高于设定温度18℃。
(2)8：00-11：40AM
每当达到10分钟的暖气供热自动调节时间间隔，IAP15F2K60S2型单片机对MG995舵机进行一次调控。若检测到温度高于设定温度18℃，则IAP15F2K60S2型单片机就会对MG995舵机输出控制信号以控制其反转，减小水阀阀门的开度；若检测到办公室温度低于设定温度18℃，则IAP15F2K60S2型单片机会对MG995舵机输出控制信号以控制其正转，增大水阀阀门的开度,以使室内温度稳定在18℃附近。
(3)11：40AM-12：00PM
IAP15F2K60S2型单片机对MG995舵机开始进行调控，减小水阀的阀门开度至15％最大开度，并维持至12：00。由于暖气片从设定温度18℃开始降温需要一定的过程，过程中暖气片的热量仍然能保证室内工作人员不会感觉到凉意，并且这样能有效的节约能源。
(4)12：00PM-13：40PM
若检测到室内无人，则维持水阀阀门开度为15％最大开度；若检测到室内有人，则单片机将供热室当前温度与18℃进行比较，若供热室当前温度高于18℃，则控制水阀减小阀门开度，以减小供热水管中水流；若供热室当前温度低于18℃，则控制水阀增大阀门开度，以增大供热水管中水流。
(5)13：40-14：00PM
MF52AT热敏电阻对室内温度进行检测，IAP15F2K60S2型单片机对MG995舵机开始进行调控，使得水阀的阀门开度最大。从而保证办公人员进入办公室时不会感到凉意。此过程中，阀门的开度随温度近似呈线性变化。由于设备的精度有限，可能14：00时温度会高于设定温度18℃。
(6)14：00-17：40PM
每当达到10分钟的暖气供热自动调节时间间隔，IAP15F2K60S2型单片机对MG995舵机进行一次调控。若检测到温度高于设定温度18℃，则IAP15F2K60S2型单片机就会对MG995舵机输出控制信号以控制其反转，减小水阀阀门的开度；若检测到办公室温度低于设定温度18℃，则IAP15F2K60S2型单片机会对MG995舵机输出控制信号以控制其正转，增大水阀阀门的开度,以使室内温度稳定在18℃附近。
(7)17：40-18：00PM
IAP15F2K60S2型单片机对MG995舵机开始进行调控，减小水阀的阀门开度至15％最大开度，并维持至18：00。由于暖气片从设定温度18℃开始降温需要一定的过程，过程中暖气片的热量仍然能保证室内工作人员不会感觉到凉意，并且这样能有效的节约能源。
(8)18：00PM-次日7：40AM
若检测到室内无人，则维持水阀阀门开度为15％最大开度；若检测到室内有人，则单片机将供热室当前温度与18℃进行比较，若供热室当前温度高于18℃，则控制水阀减小阀门开度，以减小供热水管中水流；若供热室当前温度低于18℃，则控制水阀增大阀门开度，以增大供热水管中水流。
Claims (6)
1.一种暖气供热自动调节装置，其特征在于，该装置包括：单片机、舵机、电源模块、传感器模块和时钟模块；
所述的单片机同时与舵机、电源模块、传感器模块和时钟模块相连接；
所述的舵机，根据单片机的控制信号，控制安装于供热水管上的水阀阀门的开合大小，进而调节供热水管内水流大小；
所述的电源模块，用于为装置供电；
所述的传感器模块，用于感知供热室内是否有人存在及供热室内温度大小；
所述的时钟模块，用于计时，为单片机提供当前时刻的日期和时间。
2.根据权利要求1所述的暖气供热自动调节装置，其特征在于：所述的电源模块进一步包括半导体温差发电片、二极管、锂离子电池；其中，半导体温差发电片通过连接处于正向偏置状态的二极管为锂离子电池充电，实现锂离子电池持续为装置供电。
3.根据权利要求2所述的暖气供热自动调节装置，其特征在于：所述的锂离子电池的额定容量为600mAh，额定电压为3.7V。
4.根据权利要求3所述的暖气供热自动调节装置，其特征在于：所述的锂离子电池连接一升压模块升压后，为装置供电。
5.根据权利要求1所述的暖气供热自动调节装置，其特征在于：所述的传感器模块进一步包括人体红外传感器和温度传感器，所述的人体红外传感器用于检测供热室内是否有人存在；所述的温度传感器用于检测供热室内温度大小；所述的人体红外传感器和温度传感器均与单片机连接。
6.根据权利要求2所述的暖气供热自动调节装置，其特征在于：所述的半导体温差发电片置于暖气片背部，半导体温差发电片利用暖气片和墙体之间的温度差，产生电能为锂离子电池充电。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20151028 Termination date: 20160330 |