摘要：介紹一種基于AVR單片機(jī)無線互聯(lián)技術(shù)的樓宇供暖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)的監(jiān)控終端PC與各樓層AVR單片機(jī)通過無線信道進(jìn)行通信，完成對(duì)整個(gè)管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。另外，通過對(duì)超聲波式流量計(jì)誤差分析和補(bǔ)償，提高了管網(wǎng)參數(shù)測(cè)量的精確度。

　　關(guān)鍵詞：單片機(jī)無線互聯(lián),超聲波流量計(jì), 供暖系統(tǒng)。

　　引言：在現(xiàn)代化樓宇的集中式供熱系統(tǒng)中，如何提高 管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量精度和實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控顯得尤為 重要。因此利用單片機(jī)無線通信技術(shù)對(duì)各樓層管網(wǎng) 運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行控制，一方面提高供暖系統(tǒng)的運(yùn)行品質(zhì)，使室內(nèi)溫度更加穩(wěn)定;另一方面實(shí)現(xiàn)供暖系統(tǒng)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，減少整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)營成本。通過無線信道和PC機(jī)交換數(shù)據(jù)，可將各類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于PC機(jī)，降低了單片機(jī)端的開發(fā)難度。

　　1樓宇供暖系統(tǒng)總體方案

　　整個(gè)供暖控制系統(tǒng)由單臺(tái)PC機(jī)和多個(gè)AVR ATmega16單片機(jī)組成，PC機(jī)和ATmega16單片機(jī)之間通過無線信道進(jìn)行通信。其中PC機(jī)作為監(jiān)控終端，通過無線傳輸模塊與各個(gè)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，可實(shí)時(shí)查看和控制各樓層管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù);安放在各層的ATmega16單片機(jī)一方面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集完成實(shí)時(shí)控制，另一方面通過無線信道和PC機(jī)交換數(shù)據(jù)。

　　每層樓的管道與樓房主管道相并聯(lián)(見圖1所示)。在樓層管道入、出口處同時(shí)裝測(cè)流速和測(cè)溫度傳感器，以檢測(cè)供熱流量和經(jīng)過樓層前后熱水的溫度差。流量傳感器和溫度傳感器檢測(cè)每層樓的熱水流量和溫度，經(jīng)ATmega16單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后，傳給可編程控制器S7-226。根據(jù)室溫測(cè)量值與給定初始值比較，S7-226就可調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，改變水循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，即改變相應(yīng)樓層的熱水流量，從而達(dá)到控制室溫的目的。

　　2熱水流量的測(cè)量

　　供暖系統(tǒng)中常用超聲波式流量計(jì)，是一種非接觸式測(cè)量器件，故不會(huì)改變流體的狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力。超聲波傳感器安裝方式。A和B兩個(gè)傳感器均可發(fā)射和接受超聲波。超聲波從一個(gè)傳感器發(fā)射至另外一個(gè)傳感器所經(jīng)過的路徑稱為超聲波通道。超聲波在流體中以聲速傳送，當(dāng)超聲波發(fā)射方向與流體同向時(shí)，超聲波傳遞速度提高，反之則降低。因此，根據(jù)超聲波同時(shí)從兩個(gè)傳感器發(fā)射抵達(dá)對(duì)方傳感器的時(shí)間差，就可以按下式確定管路中的流體流速。

　　實(shí)際中一般采用多組超聲波流量計(jì)同時(shí)工作以消除單一測(cè)量點(diǎn)所帶來的誤差。實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn),對(duì)于單通道計(jì)算誤差為±1.0%，三通道計(jì)算誤差降為±0.4%，五通道計(jì)算誤差只有±0.3% 。每組傳感器各自測(cè)得管路中的流速,然后取它們的平均值，管路流量計(jì)算如下:

　　超聲波傳感器輸出信號(hào)為4-20mA的電流信號(hào)， 是電流的取樣電阻，其阻值大小受傳感器供電電壓的制約。當(dāng) 時(shí)，轉(zhuǎn)換輸出電壓為5V，而傳感器的供電電壓為12V，ATmega16微處理器中PA0口，將其數(shù)模轉(zhuǎn)換。這種電路的傳感器信號(hào)傳輸距離很遠(yuǎn)，所以線路的輸入與主電路隔離，起到對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的保護(hù)作用。

　　3單片機(jī)無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)中ATmega16單片機(jī)通過UART串口以及I/O控制口與nRF401直接相連，接口電路見圖5所示。ATmega16單片機(jī)完成對(duì)流量傳感器和溫度傳感器采集數(shù)據(jù)的處理以及對(duì)變頻器的實(shí)時(shí)控制，向nRF401發(fā)送數(shù)據(jù)并且接收PC機(jī)通過nRF401傳送過來的數(shù)據(jù)。

　　在PC機(jī)和nRF401接口電路的設(shè)計(jì)中需要注意，PC機(jī)的串行口支持RS232標(biāo)準(zhǔn)，而nRF401支持TTL電平。因此，它們之間的信號(hào)需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中選用美信公司的MAX202芯片來完成兩者之間的電平轉(zhuǎn)換。

　　本供暖控制系統(tǒng)軟件包括單片機(jī)端和PC機(jī)端兩部分。其配合主要在于設(shè)置單片機(jī)工作于半雙工方式通信。考慮到無線通信中受外部干擾而產(chǎn)生的誤碼率，所以通信協(xié)議中幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)保證通信的可靠性十分重要。本軟件中幀結(jié)構(gòu)分為指令幀和數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容包括起始字節(jié)，數(shù)據(jù)長度字節(jié)，數(shù)據(jù)字節(jié)，校驗(yàn)和字節(jié)，結(jié)束字節(jié)。在數(shù)據(jù)校驗(yàn)方面采用校驗(yàn)和的方法進(jìn)行幀的校驗(yàn)。即先將所有字節(jié)相加，然后將結(jié)果截短到所需位長，與數(shù)據(jù)一同發(fā)送，供接收端進(jìn)行誤碼判斷。數(shù)據(jù)采集前端獲取的數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送至PC機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)，程序?qū)懺趩纹瑱C(jī)的EEPROM內(nèi)，采用C語言編程，通信控制采用中斷方式。單片機(jī)端中斷處理子程序流程圖。PC機(jī)端程序可以通過接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)對(duì)供暖管網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)分析，完成報(bào)警，故障診斷等功能。并且可以向單片機(jī)發(fā)送指令來實(shí)時(shí)控制管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

　　4結(jié)束語

　　實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，通過對(duì)超聲波式流量計(jì)工作原理進(jìn)行誤差分析和補(bǔ)償，提高了管網(wǎng)參數(shù)測(cè)量的精確度。采用無線方式數(shù)據(jù)傳輸，無需拆卸設(shè)備安裝通信電纜線，降低強(qiáng)度勞動(dòng)，且提高了工作效率。

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