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

　　關鍵詞：暖氣混水系統;PID算法;數字濾波;溫度控制

　　伴隨著中國經濟的迅猛發展，人們生活水平不斷提高，生產和生活對環境的影響日益嚴重。為滿足社會的發展和百姓對生活品質的要求，中國政府近年來大大加強了環境保護力度，尤其是京津冀地區、以及華北其他各省，迅速出臺了一系列嚴格的環保政策。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惠政策。將晚間的電能轉換為熱能存儲在水箱中，白天將水箱中的熱水通過水溫調節器釋放出來，供農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控制技術的研究。暖氣混水系統由以下幾部分組成：電磁加熱器、儲熱水箱和暖氣散熱器、混水控制系統。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，暖氣混水系統會檢測出水管中的水溫，根據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。針對暖氣混水系統控制需求的特點，研究暖氣快速調節至設定溫度，提高系統效率的方法，并節約供暖成本。

　　1系統工作原理

　　暖氣混水系統[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的水溫預設值，并發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，即電機所需旋轉的角度，并發出打開電機的指令。電機帶動水閥轉動，編碼器能夠讀取電機旋轉的角度參數，將角度參數與PID計算得到的角度值進行對比。

　　如果溫度偏差不在規定的偏差范圍，則繼續調整電機位置參數。如此循環直至溫度偏差達到規定偏差。每隔固定的一段時間，通過串口通訊將水溫的變化數據發送給上位機。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。控制器接收由溫度傳感器和編碼器獲得的溫度數據和角度數據，并控制電機的轉速、轉向以及旋轉的角度，以此調節出水管中的水溫。單片機控制器采用串口通訊的方法上傳數據至上位機。

　　其中串口通訊采用中斷的方法實現。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換為電機旋轉的角度。電機可以帶動水閥控制暖氣中熱水的注入速度。電機接受控制器發送的指令，將水閥置于適當的位置。

　　2系統設計

　　2.1外部接口

　　暖氣混水系統的所有外部接口功能[3]與外設的接口用下列方法實現。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部。

　　2.2模塊硬件選擇

　　系統中的硬件模塊由以下功能模塊組成：控制器：STC單片機為主構成的系統。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]，對采集到的溫度數據進行濾波處理。處理之后將計算所得的角度工程參數，傳輸至電機模塊。使得電機模塊根據溫度控制模塊的輸出對電機狀態進行調整。

　　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，得到處理結果為一個脈沖個數u(t)。脈沖個數u(t)控制電機的狀態，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)。如此循環直至水溫偏差e(t)到達混水系統的設定偏差范圍之內。

　　3系統軟件設計

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

　　1)系統初始化模塊：該模塊的功能是完成系統的初始化，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]：暖氣混水系統的通訊功能主要包含兩個方面的內容：單片機接收上位機發送達給系統的指令;單片機向上位機發送采集到的數據。

　　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，溫度轉換為12位數字格式的數據，單次最大值采樣時間為750ms。暖氣混水系統會按照固定的時間間隔采集溫度，作為水閥控制的依據。

　　4)編碼器數據采集模塊[11]：編碼器采用相對編碼器，編碼器旋轉角度為0°～180°。編碼器軸與電機軸相連，指示電機的旋轉角度值，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通過向電機發出脈沖信號，控制電機的轉速和旋轉位置。CPU通過向電機發出高低電平信號，控制電機的轉向。

　　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。如此調整直到偏差在規定偏差范圍之內。

　　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，在發生程序進入死循環或跑飛等故障時，將單片機復位，用以保證系統的正常運行。

　　通過STC單片機上的定時器、UART及DS18B20分別實現系統時間、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定運行。

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

　　4濾波算法

　　系統每分鐘讀取一次水溫，考慮到實際環境特點，為防止環境溫度錯讀，需要對溫度數據進行濾波。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。在溫度數據正確讀取的的基礎上，通過一階滯后濾波法及數字式平均法[15]進一步處理數據。

　　5實驗結果

　　根據預先設定的溫度控制曲線，在暖氣混水系統剛開始啟動的時候，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節至預設溫度[17]。在41分鐘時，溫度趨向穩定，達到了穩態。

　　6結束語

　　針對暖氣混水系統的控制需求提出了一個創新性的解決方案，通過現場的實際運行，達到了設計要求，能夠將利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]，大大節約了供暖成本，對于未來節約能源，造福百姓，環保供暖有著重大的意義。

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