基于传统超声波热表设计的智能供暖温度控制器解决方案
一、项目概述1.1 引言
从2009年开始，中国北方供热改革已经真正的迈开了脚步，在未来的几年当中，北方各地将会加快供热计量方面的改革力度，按热量计价收费将会成为今后北方供热供暖方面的一个重点工作，这样不仅使供热费用的收取更合理而且将会避免很多的能量浪费和环境的污染。随着供热改革的深入，对供热计量及控制设备的需求将形成一个巨大的市场。
1.2 项目背景/选题动机
随着社会不断进步，人们对居住环境、生活质量的要求也在提高。供暖设备在民用住宅、商用大厦、高档写字楼及多功能的综合性大楼中已被广泛采用。但在收费方式上仍沿用类似供暖模式按面积平摊收费。这种收费方法由于不能体现“公平合理、准确计量”的原则。收费按面积分摊，不能反映用户实际能源消耗情况。这就形成了用户“用与不用一样，用多用少一样”的观念，以至于用户从不主动去节约能源。不管是否需要，暖气总在使用，造成极大浪费，这种铺张浪费式的供暖机制也无形中增大了对环境的污染程度。
据有关部门不完全统计，我国用于房屋供暖的锅炉有几百万台，每年供暖方面的贸易结算高达几千亿元。因此对现有供暖系统进行技术改造，提高供暖效率，实行一户一表按用量收取供暖费用将会在资源利用、环境保护等方面取得非常大的社会效益和经济效益。进入21世纪以来，国家除在升级现有供暖系统的基础上，强制2000年以后新建建筑必须采用一户一表供暖模式，同时对老旧采暖建筑进行一户一表改造，所以现在我们正处于热量计量和控制设备的发展的黄金时期。
目前市场上主要的供热计量产品主要分机械式热量表和超声波式热量表两种，且超声波热量表相比较于机械式产品表现出的诸多优点越来越得到社会的认可，已经成为主流的推广产品。现阶段的超声波热量表完成的功能主要包括流量累积及存储、热量累积及存储和远程抄表功能，在对供热控制方面没有给客户一个完善的控制接口，客户只能手动调节供热管道的开关和流量的大小，不能根据时间、室内环境和室内是否有人来灵活控制室内供热系统，造成资源的大量浪费。
图1 智能供暖控制器架构图
上图是我们所设计的智能供暖控制器架构图，其设计初衷是提供给客户灵活的供暖控制接口，最大限度的节约资源，同时达到保护环境的目的。
我们在传统超声波热表的基础上，加入对室内供热系统的定时控制和远程控制，做到白天家中无人时减小供热流量，下班前让供热系统提前开始工作，保证回家时温度达到你设定的温度值，并能通过对室温的检测实时动态的调整供热流量的大小，为用户节约资金，为社会节约能源。
二、需求分析
2.1 功能要求
[*] 用户可以方便的观察室内供暖的水流量和热能总量
[*] 用户可以对室内的供暖设备定时开启和关闭，或者使用电脑和手机进行远程无线操作。
[*] 用户可以随时查询历史热能用量记录
图1 系统架构
2.2 性能要求
[*] 显示实时、精确：根据用户实际使用情况和产品规范，该系统应能够实时准确的显示出系统工作状态、水流温差、热能计量、流水量、流速、历史记录、时钟显示和调整、累计工作时间、累计流量和热能计量等参数。
[*] 操作方便：触摸屏显示和控制，从而大大缩小了系统模块的体积，方便用户操作。
[*] 定时开关：通过对供暖设备阀门的控制，用户可以根据自己的安排定时开启或关闭供暖设备，节约能源。
[*] 远程无线控制：为方便用户回家之前或离家之后对系统进行控制，该系统采用西门子公司的GPRS模块，用户可以使用手机或电脑对系统进行远程控制。
[*] 查询历史记录：用户数据存储在非易失性外部存储器中，掉电不会丢失，用户还可以方便的查询历史记录。
[*] 功耗低、稳定性高：本系统主控制模块采用低功耗、性能稳定的AVR 系列单片机，热能采集部分采用德国acam公司最新生产的高精度、低功耗时间数字转化器TDC-GP21芯片，系统在空闲时自动进入休眠状态，从而使得系统的整体功耗大大降低。
三、方案设计
3.1 系统功能实现原理
系统硬件结构框图
本课题设计的智能供暖温度控制系统通过TDC-GP21采集用户供暖设备的进水和出水的温差以及水的流量和流速等数据通过SPI总线传送给AVR系列单片机主控制器中，控制器通过接收到的数据通过算法计算出用户的水流量和热能计量数据交由给触摸屏控制与显示模块进行实时显示；并且将数据发送给非易失性存储器中存储起来，防止掉电丢失用户数据以及方便用户查询历史数据；通过对触摸屏的操作，用户可以根据自己的需要对供暖设备进行定时操作，设定供暖设备关闭和开启的时间；为了方便用户回家之前提前开启或离家之后关闭供暖设备，用户可以通过手机或电脑远程无线控制设备的开关状态；实时时钟模块可以为系统提供实时时钟和对供暖设备开关的定时操作提供定时时间，用户也可以对时钟进行调整和设定；当供暖设备处于关闭状态时，系统处于休眠状态以降低功耗，通过对触摸屏或GPRS模块的操作来唤醒系统工作。
3.2 硬件平台选用及资源配置
时间数字转化模块：采用德国acam公司最新生产的针对超声波热量表的高集成度TDC-GP21芯片，在性能质量、功耗及其他各个方面全面超越TDC-GP2的热量表芯片。本芯片采用QFN32管脚的封装形式，具有更高的精度和更小的封装，尤其适用于低成本的工业应用领域。GP21具有高速脉冲发生器，停止信号使能，温度测量和时钟控制等功能，这些特殊功能模块使得它尤其适用于超声波流量和热量测量方面的应用。测量范围1采用双通道，典型分辨率可达50ps，测量范围为0—1.8us，可测量4次采样中任意2个采样之间的时间间隔；测量范围2单通道典型精度为90ps，双精度模式为45ps，四精度模式为22ps，测量范围为500ns—4ms，间隔脉冲对分辨能力为两个校准时钟周期，可进行3次采样；温度测量单元包含两个或者四个传感器，可选择PT500/PT1000或者更好的温度传感器，有效分辨率可达16位（每个铂金温度传感器的分辨率可达0.004℃），超低的电流消耗。脉冲产生器可以产生最多127个脉冲，可以选择上升沿和/或下降沿触发。具有4线制SPI接口，温度范围为-40℃到+85℃，核心电压为2.5V到3.6V。基于上述一系列优点，本系统选用TDC-GP21作为超声波热量采集芯片。
GPRS控制模块：本系统GPRS无线通信模块选用Siemens公司推出的无线通信GSM模块，该模块自带RS232通讯接口，可以方便地与PC机、单片机连机通讯。可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务和传真功能。TC35模块的工作电压为3.3—5.5V，可以工作在900MHz和1800MHz两个频段，所在频段功耗分别为2w(900M)和1w(1800M)；模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。此外，该模块还具有电话薄功能、多方通话、漫游检测功能，常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号及控制信号的双向传输。通过ZIF连接器及50Ω天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线；TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。作为TC35的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数字信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能，在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR、和EFR语音信道编码。
3.3系统软件架构
为了充分挖掘本系统在实时响应和低功耗方面的潜能，在充分理解AVR系列MCU优秀的IC设计理念的基础上，我们在系统软件开发过程中将会尝试探索在软件层面上实现实时响应设计和低功耗设计的极致。
本系统软件设计将不会引入任何操作系统，我们选择在硬件层面之上直接开发本系统主控软件，开发语言拟采用C语言。系统软件架构将采用分层设计思路，将系统软件分为硬件抽象层、中断服务层和功能实现层三个层次。在具体设计时采用统一的标准模块化设计思想和动态调用机制，保证在最短的响应时间内激活相应外设和系统内核完成工作任务，而使不需要工作的外设工作在非激活状态，在保证了系统软件开销的同时加快系统响应时间降低系统整体功耗。系统软件架构如图4444所示：
系统软件架构图
3.4 系统软件流程
系统软件的设计关键在于中断服务逻辑的良好设计，保证在完成系统功能的前提下，降低软件资源开销和系统功耗，系统软件流程图如下：
主函数流程图
热量测量功能模块流程图
定时控制功能模块流程图
远程控制功能模块流程图
3.4 系统预计实现结果
1、对用户使用的热量进行准确的计量和历史用量的记录。
2、根据用户设置使室内供暖系统在不同时间工作在不同模式。
3、根据用户远程发出的指令控制室内供暖系统工作在用户指定的状态。
4、根据用户设置的温度值动态微调供暖系统的工作状态，保持室温的相对恒定。
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