CN206708501U - 一种供热系统的阀门控制电路及利用该电路的控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种供热系统的阀门控制电路，包括测温电路、时钟电路、按键电路、阀门驱动电路、显示电路和主控电路，该阀门控制电路能够实现实时温度监测、控制阀门开度、记录时间并显示工作，本实用新型还提供了利用所述阀门控制电路的一种供热控制系统，包括系统主控模块，汇集各模块采集的数据，向阀门终端发送并接收控制指令；自测模块，检测主控核心系统模块各端口引脚是否正常，对硬件电路进行测试；CAN模块，将温度传感器数值与相应的时间通过CAN总线传送给上位机，负责上位机与下位机之间的数据传输，本实用新型实现了自主调节室温，供热的量化、市场化和货币化，降低能源浪费的同时又降低用户经济成本。
Description
技术领域
本实用新型属于供热控制技术领域，特别涉及一种供热系统的阀门控制电路及利用该电路的控制系统。
背景技术
据国家有关资料显示，我国化石能源资源中90％以上是煤炭，人均储量为世界平均水平的50％，人均石油储量为世界平均水平的11％，天然气仅为4.5％，煤炭消耗量占世界总量的40％，石油消费位居世界第二，中国对海外能源的依赖程度达50％以上。目前，能源的紧张形势在我国已十分严峻。
在资源如此紧张的形势下，住宅建筑能耗却占了全国能耗的32％。我国既有的近400亿平方米的建筑基本上是高耗能建筑，单位面积采暖能耗相当于气候条件相近发达国家的2-3倍，若再不采取节能措施、不推行建筑节能控制，改变传统的按照面积计费的粗放管理体制，2020年建筑能耗将达到11亿吨标准煤，相当于目前建筑所消耗能源的三倍。
因此，无论是企业还是用户都希望能够像用水、用电一样实行“谁用热谁付费”，实现供热的量化、市场化和货币化，降低能源浪费的同时又降低用户经济成本，实现自主调节室温，按量计费的管理体制。
发明内容
为了克服上述粗放供能的缺点，实现自主调节室温，本实用新型的目的在于提供一种供热系统的阀门控制电路及利用该电路的控制系统。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种供热系统的阀门控制电路包括：
测温电路：用于测量室内的温度，采用DS18B20数字温度传感器，VCC端口接3.3V，电源GND端口接地，DQ端口连接数据输入/输出脚；
时钟电路：用于提供时钟信号和时间检测；
按键电路：用于实现按键输入；
驱动电路：用于驱动步进电机，以ULN2003芯片为核心，其输入端接5V直流电源，GND端口接地；
显示电路：用于显示当前时间与室内外温度；
主控电路：采用单片机作为主控芯片，与测温电路连接接收其测量数据，为驱动电路提供脉冲信号来控制步进电机的顺时针旋转、逆时针旋转与调速。
其中：
测温电路，采用DS18B20数字温度传感器，VCC端口接3.3V，电源GND端口接地，DQ端口连接数据输入/输出脚，用于测量室内的温度。
时钟电路，以DS1302时钟芯片为核心，提供时钟信号并准确显示当前的时间，在系统中起辅助作用，方便了解每一时刻对应的温度，有利于进行检测控制。
按键电路，其输入端接3.3V直流电源且分别串联3个5.1K欧电阻连到处理器数据输入/输出脚，主要功能是通过按键用来设置设定温度上下限并实现设定温度的调整。
驱动电路，以ULN2003芯片为核心，它是由7对NPN达林顿管组成的，是一个单片高电压、高电流的达林顿晶体管阵列集成电路，用于驱动型号为28BYJ48的步进电机，其输入端接5V直流电源，GND端口接地。可应用于继电器驱动器，字锤驱动器，灯驱动器，显示驱动器(LED气体放电)，线路驱动器和逻辑缓冲器。
显示电路，采用LCD1602液晶显示器，其输入端接5V直流电源，GND端口接地，引脚3与滑动变阻R1相连。
主控电路，采用TI公司MSP430系列超低功耗的MSP430F149单片机作为主控芯片，根据实际温度与设定温度差值对比判断阀门开度，并为驱动电路提供脉冲信号来控制电机的顺时针旋转、逆时针旋转与调速。
所述主控电路通过有线或者无线方式与天气预报系统连接，接收天气预报信息，结合天气预报信息提前调整阀门开度。
所述测温电路使用无线模块，基于CC2530，并采用阻抗匹配电路连接CC2530两个射频端口与单端口天线，以巴伦电路实现差分信号转单端信号，同时增加功率放大芯片RFX2401C，通过CC2530的P1.4口控制功率放大芯片的RXEN端口，通过CC2530的P1.5口和控制功率放大芯片的TXEN端口，功率放大芯片连接有2个去耦电容，其RF两端分别设计一个阻抗匹配电路，连接CC2530部分采用巴伦电路进行阻抗匹配，连接天线部分采用π型匹配电路实现，由此以单节点的方式采集温度数据。
本发明还提供了利用所述阀门控制电路的供热控制系统，包括：
系统主控模块，汇集所述测温电路、按键电路、时钟电路的数据，向阀门终端发送控制指令，并将控制结果发送至上位监控机；
自测模块，检测系统主控模块各端口引脚是否正常，对硬件电路进行测试；
阀门控制电路模块，检测反馈室内外温度，根据系统主控模块的控制指令，控制阀门终端开度，及时记录并显示；
CAN模块，将测温电路检测数值与相应的时间通过CAN总线传送给上位监控机，负责上位监控机与下位机之间的数据传输。
在自测模块中，采用流水灯测试实验，主要是用于检测系统主控模块与程序下载模块硬件电路，以及对系统主控模块各端口引脚的状况的检测。
在阀门控制模块中，采用TI公司MSP430系列超低功耗的MSP430F149单片机作为主控芯片，采用DS18B20数字温度传感器检测反馈室内外温度，以DS1302时钟芯片为核心记录时间，以ULN2003芯片为核心来驱动28BYJ48型号步进电机控制阀门终端开度，采用LCD1602液晶显示器显示相关信息；
在CAN模块中，CAN协议控制器SJA1000通过一条串行数据输出线TXD和一条串行数据输入线RXD连接到收发器TJA1050，而收发器则通过它的两个有差动接收和发送能力的总线终端CANH和CANL连接到总线上。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
(1)将室内、室外温度综合考虑，建立实际温差与阀门开度量化等级对应关系指标，计算出电动机角度与阀门开度量化等级，通过控制阀门终端实现供热控制。
(2)该供热系统实现了室内供热量的大小随着室内温度的变化而改变，通过按键模块，实现人为控制。
(3)该供热系统提供了完善的、合理的以及节能的技术方案，实现了“谁用热谁付费”，从而得以实现节约能源的目的，以达到提高经济效益和节能效果目标。
(4)该供热系统采用了MSP430系列超低功耗的MSP430F149单片机作为主控芯片，大大降低了系统能耗。
(5)该供热系统实现了上位机的远程监控和智能管理，从更本上加强了对整个楼宇供热系统的监管。
(6)本实用新型完善地组建了一套智能供热控制体系，企业和用户很容易实现更多终端设备的加入。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构布局图。
图2为本实用新型的系统硬件结构框图。
图3为本实用新型系统主控模块电路原理图。
图4为本实用新型阀门控制测温电路图。
图5为本实用新型阀门控制时钟电路图。
图6为本实用新型阀门控制按键电路图。
图7为本实用新型阀门控制驱动电路图。
图8为本实用新型阀门控制显示电路图。
图9为本实用新型自测模块电路原理图。
图10为本实用新型CAN模块电路原理图。
图11为本实用新型程序设计流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。
如图1所示，本实用新型一种供热控制系统，使用MSP430作为主要处理平台，通过CAN总线实现上位机数据传输和监控，同时实现用户独立控制室内温度。系统主要完成对室内温度数据信息采集、设定、处理和控制，总控制室也可以通过CAN总线实现对各用户家庭温度的控制，避免能源浪费。
如图2所示，为本实用新型的系统硬件结构框图。主要包括自测电路、测温电路、按键电路、时钟电路、显示电路、电机驱动电路和CAN总线接口电路等。本实用新型利用数字式温度传感器DS18B20实现室内温度的检测，检测结果直接送到单片机中进行数据处理，并与设置温度值相比较，进行智能化的判断处理，当温度传感器的值小于设定温度时，根据相应的模糊算法进行处理，步进电机正转，电动阀门开度加大，增大供热量；当温度传感器的值高于设定温度时，步进电机反转，阀门开度减小，减少供热量，同时可以通过按键对室内设定温度的值进行设定，从而达到自动控制阀门的开度与供热量的目的，本实用新型并将温度传感器数值通过CAN总线传送给上位机，进行远程监测，同时进行了辅助的时钟设计，使得系统的功能更加完善。
如图3所示，为本实用新型系统主控模块电路原理图。主控核心系统采用的是TI公司MSP430系列超低功耗的MSP430F149单片机作为主控芯片，一般包括单片机、晶振电路、复位电路等外围电路。
如图4所示，为本实用新型阀门控制测温电路图。DS18B20采用外部电源供电方式，单线总线接P1.5、P1.6口，为保证在有效的时钟周期内提供足够的电流，用一个5.1K欧电阻来完成对总线的上拉作用。
DS18B20引脚连接关系是：引脚1接地，引脚2为数据输入/输出脚，引脚3连接电源。DS18B20通过一个单线接口发送或接收信息，因此在主控电路和DS18B20之间仅需一条连接线，用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。
如图5所示，为本实用新型阀门控制时钟电路图。DS1302是由DS1202改进而来增加了以下的特性：双电源管脚用于主电源和备份电源供应Vcc1为可编程涓流充电电源附加七个字节存储器它广泛应用于电话传真便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。
时钟模块电路是用于显示当前的时间，在系统中起到了一个辅助作用，方便用户了解每一时刻对应的温度，有利于进行检测控制。
采用DS1302时钟芯片提供时间检测，通过一块纽扣电池为在断电情况时提供电源，同时外接晶体振荡器提供晶振，CE(RST)输入有两个功能：首先，CE打开控制逻辑，允许访问的移位寄存器的地址/命令序列。其次，CE提供了一个终止单字节或多字节数据传输方法。
如图6所示，为本实用新型阀门控制按键电路图。按键电路电路一共有三个按键，主要功能是通过按键用来设置设定温度上下限。三个按键分别与单片机的P1.0、P1.1、P1.2引脚相连，实现设定温度的调整。S1键为加1键，S2为减1键，S3为功能键，当按键S3按下时，开始进入设定时钟设置，若按键S1按下则开始移动光标位置进行开始设定，若按键S2按下则相应数值+1，若按键S3按下时保存时钟设置。
如图7所示，为本实用新型阀门控制驱动电路图。驱动电路中使用的步进电机型号为28BYJ48，5V驱动的4相5线的步进电机，而且是减速步进电机，减速比为1：64，步进角为5.625/64度。如果需要转动1圈，那么需要360/5.625*64＝4096个脉冲信号。
芯片ULN2003是一个单片高电压、高电流的达林顿晶体管阵列集成电路，它是由7对NPN达林顿管组成的，它的高电压输出特性和阴极箝位二极管可以转换感应负载，单个达林顿对的集电极电流是500mA，达林顿管并联可以承受更大的电流。此电路主要应用于继电器驱动器，字锤驱动器，灯驱动器，显示驱动器(LED气体放电)，线路驱动器和逻辑缓冲器，此电路用来驱动5V直流步进电动机28BYJ-48。
如图8所示，为本实用新型阀门控制显示电路图。显示电路主要由LCD1602实现。LCD1602液晶显示器的第三引脚与一个滑动变阻相连，用来调节液晶显示的对比度，P3.0—P3.2口用来控制液晶显示器的读写控制，P4口即是传送数据与控制字的端口，用P3.3控制的液晶显示器的背光。
如图9所示，为本实用新型自测模块电路原理图。采用流水灯测试实验，主要是用于检测主控核心系统与程序下载模块硬件电路，以及对主控核心系统各端口引脚的状况的检测。
如图10所示，为本实用新型CAN模块电路原理图。CAN模块主要是将温度传感器数值与相应的时间通过CAN总线传送给上位机，负责上位监控机与下位机之间的数据传输。
CAN协议控制器SJA1000通过一条串行数据输出线TXD和一条串行数据输入线RXD连接到收发器TJA1050，而收发器则通过它的两个有差动接收和发送能力的总线终端CANH和CANL连接到总线上。
如图11所示，为本实用新型程序设计流程图。供热控制系统首先对单片机中断初始化，温度传感器、时钟芯片初始化，对温度信号进行采样，通过按键实现设定温度上下限值，用时钟芯片提供时钟信号、采集实时时间，通过模糊算法判定对电机进行相关控制，并将温度值与实时时间在LCD1602液晶显示器显示。
本实用新型可将主控电路通过有线或者无线方式与天气预报系统连接，接收天气预报信息，结合天气预报信息提前调整阀门开度。
本实用新型测温电路可使用基于CC2530的无线模块，并采用阻抗匹配电路连接CC2530两个射频端口与单端口天线，以巴伦电路实现差分信号转单端信号，同时增加功率放大芯片RFX2401C，通过CC2530的P1.4口控制功率放大芯片的RXEN端口，通过CC2530的P1.5口和控制功率放大芯片的TXEN端口，功率放大芯片连接有2个去耦电容，其RF两端分别设计一个阻抗匹配电路，连接CC2530部分采用巴伦电路进行阻抗匹配，连接天线部分采用π型匹配电路实现，由此以单节点的方式采集温度数据。
本实用新型主控电路，还可接收用户手机发送的代码，根据代码和相应的手机号，输出相应的脉冲信号来控制相应的步进电机，进而控制阀门开度。
Claims (10)
1.一种供热系统的阀门控制电路，其特征在于，包括：
测温电路：用于测量室内的温度，采用DS18B20数字温度传感器，VCC端口接3.3V，电源GND端口接地，DQ端口连接数据输入/输出脚；
时钟电路：用于提供时钟信号和时间检测；
按键电路：用于实现按键输入；
驱动电路：用于驱动与阀门连接的步进电机，以ULN2003芯片为核心，其输入端接5V直流电源，GND端口接地；
显示电路：用于显示当前时间与室内外温度；
主控电路：采用单片机作为主控芯片，与测温电路连接接收其测量数据，为驱动电路提供脉冲信号来控制步进电机的顺时针旋转、逆时针旋转与调速。
2.根据权利要求1所述一种供热系统的阀门控制电路，其特征在于：
所述测温电路，采用DS18B20数字温度传感器，VCC端口接3.3V，电源GND端口接地，DQ端口连接数据输入/输出脚，用于测量室内的温度；
所述时钟电路中，以DS1302时钟芯片为核心，Vcc1、Vcc2端接3.3V直流电源，GND端口接地，VRESET端接复位引脚，X1、X2接32.768KHz晶振管脚，I/O接数据输入/输出脚；
所述显示电路，采用LCD1602液晶显示器，其输入端接5V直流电源，GND端口接地，引脚3与滑动变阻R1相连；
所述主控电路中，采用TI公司MSP430系列超低功耗的MSP430F149单片机作为主控芯片，根据实际温度与设定温度差值对比判断阀门开度。
3.根据权利要求1所述一种供热系统的阀门控制电路，其特征在于，所述按键电路中，其输入端接3.3V直流电源且分别串联3个5.1K欧电阻连到主控电路数据输入/输出脚，GND端口接地，I/O接数据输入/输出脚，通过按键设定温度上下限并实现设定温度的调整。
4.根据权利要求1所述一种供热系统的阀门控制电路，其特征在于，所述驱动电路中，以ULN2003芯片为核心，它是由7对NPN达林顿管组成的，是一个单片高电压、高电流的达林顿晶体管阵列集成电路，用于驱动型号为28BYJ48的步进电机，其输入端接5V直流电源，GND端口接地。
5.根据权利要求1所述一种供热系统的阀门控制电路，其特征在于，所述主控电路通过有线或者无线方式与天气预报系统连接，接收天气预报信息。
6.根据权利要求1所述一种供热系统的阀门控制电路，其特征在于，所述测温电路使用无线模块，基于CC2530，并采用阻抗匹配电路连接CC2530两个射频端口与单端口天线，以巴伦电路实现差分信号转单端信号，同时增加功率放大芯片RFX2401C，通过 CC2530的P1.4口控制功率放大芯片的RXEN端口，通过CC2530的P1.5口和控制功率放大芯片的TXEN端口，功率放大芯片连接有2个去耦电容，其RF两端分别设计一个阻抗匹配电路，连接CC2530部分采用巴伦电路进行阻抗匹配，连接天线部分采用π型匹配电路实现。
7.根据权利要求1所述一种供热系统的阀门控制电路，其特征在于，所述主控电路，接收用户手机发送的代码，根据代码，输出相应的脉冲信号来控制步进电机，进而控制阀门开度。
8.一种利用权利要求1所述阀门控制电路的供热控制系统，其特征在于，包括：
系统主控模块，汇集所述测温电路、按键电路、时钟电路的数据，向阀门终端发送控制指令，并将控制结果发送至上位监控机；
自测模块，检测系统主控模块各端口引脚是否正常，对硬件电路进行测试；
阀门控制电路模块，检测反馈室内外温度，根据系统主控模块的控制指令，控制阀门终端开度，及时记录并显示；
CAN模块，将测温电路检测数值与相应的时间通过CAN总线传送给上位监控机，负责上位监控机与下位机之间的数据传输。
9.根据权利要求8所述一种供热控制系统，其特征在于，在自测模块中，采用流水灯测试实验，用于检测主控电路与程序下载模块硬件电路，以及对主控模块各端口引脚的状况的检测。
10.根据权利要求8所述一种供热控制系统，其特征在于， 在CAN模块中，CAN协议控制器SJA1000通过一条串行数据输出线TXD和一条串行数据输入线RXD连接到收发器TJA1050，而收发器则通过它的两个有差动接收和发送能力的总线终端CANH和CANL连接到总线上。
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