南方家庭供暖系统设计diy

武汉理工大学

毕业设计（论文）

南方家庭供暖系统DIY

学院（系）： 机电工程学院 专业班级：机械工程及自动化专业0803班

学生姓名： 张 杰

指导教师： 罗 丹

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

年月日

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2、不保密囗。

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作者签名：年月日

导师签名：年月日

目 录

摘 要 (1)

Abstract (2)

1 绪论 (3)

2方案设计 (4)

2.1总体方案构想 (4)

2.2方案介绍 (6)

2.3方案详细设计 (12)

3 详细设计及选型 (15)

3.1 数字温度传感器 (15)

3.2遥控器模块 (17)

3.3 LCD显示模块 (17)

3.4 控制芯片（单片机）选型 (18)

3.5理论计算及热水器选择 (19)

3.6暖气方式选择及参数 (22)

3.7分流器 (26)

3.8电磁阀 (26)

3.9小水泵 (27)

3.10地暖管材料 (27)

3.11暖气片材料 (28)

4简易DIY设计 (29)

4.1 硬件的选型 (29)

4.2单片机编程 (30)

4.3 DIY回路的电、液回路 (32)

4.4经费表格 (33)

5总结与展望 (34)

参考文献 (35)

附 录 (36)

致 谢 (49)

摘 要

本文首先基于南方的天气特性，进行了暖气需求必要性和暖气应有特点的分析，并设计了几个版本的方案，供读者选择。本文中所设计的方案都是基于单片机的编程实现的，另外还包括暖气管道的设计、电路控制的设计以及程序的流程图。文中针对南方冬季寒冷和夏季炎热的特点进行了冷暖气的双重设计，通过程序和电路的控制，实现设计的功能。文章在最后描述了在DIY过程中所涉及到的器件选型、电路、液流回路及经费使用情况。

本文的设计结果可以运用在南方家庭当中，但是要实现预想的结果还需要经过一些实验测试，这个条件是笔者不具备的。

本设计的特色在于：方案中的冷暖双供的设计可以很好的满足南方人民冬天需要暖气，夏天需要冷气的特点，而且都可以通过自家的热水器和自来水管供水，区别于北方的统一供暖，在工作时间上有很大的柔性，而且主要费用支出为电费。

关键词：南方家庭；暖气；温度控制系统

Abstract

This paper first analyze the necessity of the need of heating system and the feature that a heating system ought to have on the base of the feature of weather in southern china, and in this paper there are some versions of design for readers to choose. All versions in this paper are based on programs of single-chip microcomputer, what’s more, the designs of pipeline and circuit-control and the flowchart of program are described in this paper. For the cold-winter and hot-summer features of weather in southern china, this paper gave a design of heating-cooling system, it can make the designed functions come true by the control of programs and circuits. This paper described the choices of devices, circuit, the fluid loop and usage of research budget in the process of DIY in the end.

The results of this paper can be applied to houses in southern china, however, it’s necessary to do some tests if you want to see the result had already been reckoned to be, and I can’t do this.

This paper is unique for those conditions: the design of heating-cooling system can meet the needs of heating system in winter and cooling system in summer in southern china, and people in southern china can get water from their own home, which differs from houses in northern china, the working-time is flexible, and the main expense is electricity bill.

Keywords: houses in southern china; heating system; temperature-control system

1 绪论

华尔街日报3月14日发表文章指出，在中国，供暖系统仍然停留在计划经济时代。20世纪50年代，政府制定政策，规定中国北方必须供暖，而为了节省，南方则不必供暖。结果，数十年来，北方人冬天在室内热得出汗，而南方人依然在严冬中冷的直哆嗦。

现在，越来越多的中国南方人民开始对现状表示不满。报纸上随处可见读者关于冬季供暖的抱怨信。一些知识分子发表文章认为，供暖政策体现了社会资源的不公平分配。在中国，无论南方和北方，许多酒店和为外国人、政府机构并不受现行供暖政策的制约，拥有他们自己的供暖系统。

从上述的描述来看，中国南方的暖气系统已经是势在必行。

在南方，需要用到暖气的时间不长，一般都在冬天的两到三个月里。因此，可以利用南方家庭普遍使用的热水器来改造暖气系统。通过这样一个暖气控制系统的研究制作，就将热水器的功能极尽发挥，不但可以满足日常家用热水，还可以在冬季为家庭提供暖气。

鉴于目前市场上已经出现“水空调”这样的商品，所以可以采取“水空调”的取水方式，这样一来，暖气设施就可以加入冷气功能。针对我国南方的气候特点，这样的暖气系统如果可以应用到家庭中去，无论是对于人类还是环境来说，都是一个很好的选择。

有条件的家庭可以采用地暖式的管道铺设方式，在客厅和卧室分别设置热水管道，而且不同房间的热水供应分别控制，这样可惜选择性的为房间供热同时最大程度地节省热水。

管道系统统一由控制器件实现控制，利用温度传感器来获得温度信号，从而辅助控制器件实现各个房间的热水供应（即温度控制）。

2 方案设计

2.1 总体方案构想

2.1.1 总体方案的示意图

如图2-1所示，热水器安装在卫生间里，出水管道通过分流器分为三向出水，分别供应三个房间的暖气。热水通过暖气管后降温，又返回到热水器中，重复利用。

其中，在分流器后安装一个压力水泵，确保水压供应稳定，在分流器后的三个管道上都装上继电器控制的开关，分别用来控制三个房间的供暖。继电器开关由单片机来控制。

图2-1 房间管道示意图

为了适应南方家庭的居住特点，在本设计中有必要加入降温系统。对于一个南方家庭来说，不仅冬天需要暖气，在进入夏天以后，热浪来袭也是一种煎熬。

所以在暖气设计的同时，可以在夏季的时候将自来水供入暖气管道，为室内散热。但是，用来降温的暖气管道要与普通的暖气管道区分开来，也可以将水管嵌入墙壁当中，这样通过水的流动，可以帮助散发室内的热量。

当夏季来临时，自来水通入暖气管道降温并不实际，如何获得温度较低的水源是一个难题。目前市场上有一种叫做“水空调”的设备，采取地下水为冷水源，通入暖气管道，实现室内降温，为了不造成水源浪费，用完的水还要送入地下。这种采水方式的规模较大，而且如果只是单个家庭是不切实际的，所以可以在每个小区开一口冷水井，为小区的住户统一供水。

2.1.2 总体方案的原理图

如图2-2所示，整个控制系统要有数字温度传感器、LCD显示屏、继电器、遥控器以及单片机芯片组成，根据测得的室内温度来控制继电器的断开或闭合，从而控制电磁阀和水泵的开关。

图2-2 控制系统构成

2.1.3 方案的详细介绍

假设这个系统是用于一个两室一厅的南方家庭中，并假设需要供暖的房间是两个卧室和一个客厅，为了详细描述，标号为A、B、C三个房间。

这三个房间的供暖是各自独立的，简单的说就是一个房间内的冷暖不会对其他房间有任何直接的影响。在冬季，假如A房间的室内温度到达了16℃以下，而其他两个房间在16℃以上，而这时系统处于工作状态，A房间内的传感器会监测到A房间的室内温度已经低于16℃了，因为传感器一直不断的向单片机发射数字温度信号，所以单片机接到低于16℃的信号以后，会将这个温度显示在LCD 显示器和LED数码管上，并且将连接A房间电磁阀和水泵的继电器打开，这样控

制A房间热水管道供水的电磁阀和水泵就会进入工作状态，热水进入A房间的散热器，A房间的温度开始升高，当单片机通过A房间内的温度传感器监测到A房间的室内温度高于24℃时，就会向连接A房间电磁阀和水泵的继电器关闭，这样控制A房间热水管道供水的电磁阀和水泵就会停止工作，从而在室外低温的作用下A房间的室内温度逐渐降低，当温度低于16℃时，系统将进行上述的同样地工作，总之，简单的说，系统的作用就是要维持室内温度在16-24℃之间。

每个房间热水管道的控制跟上面所讲的控制方式相同，不做赘述，每个房间都有独立的热水管道、水泵、电磁阀和继电器，但都由单片机统一编程控制，所以说整个系统是“同一控制，独立执行”。

2.2 方案介绍

在本次课题中，针对南方家庭不同的需求，做出了几个不同版本的方案设计，在实际应用中，用户可以根据自身需求来选择不同的方案进行家庭暖气的安装。方案具体分为简单、普通、全面三个版本，以下是详细介绍。

2.2.1 方案一（简单版）

如图2-3，在暖气系统工作时，要维持室内温度基本稳定，在问的上下限之间波动。这样的暖气工作方式可以保证室内温度稳定在人体感觉舒适的温度范围内，使南方的家庭可以通过自家的热水器来实现暖气的作用。

图2-3 控制系统温度控制曲线

流程图如图所示，在这个方案一中，系统包括单片机控制器模块（其中包括温度测量模块、LCD显示模块、继电器控制模块）和液压回路模块（其中包括热水器、分流器、电磁阀、水泵、暖气管道）。本流程图只是示意一个房间的回路工作，若多个房间都要设计暖气管道，那么每个房间的工作方式相同。

图2-4 方案一流程图

正如图2-4所示，在该工作模式下，当系统通电后，温度传感器检测到的室内温度自动在LCD屏幕上显示出来。并在LCD液晶显示屏上显示出“auto/off”的字样，顾名思义是自动模式处于关闭状态。这样系统程序循环一次就会更新一次室内温度，当在循环过程中检测到遥控器按下“打开”键时，LCD液晶显示屏就会显示出“auto/on”的字样，表示系统已经进入自动工作模式。

在自动工作模式下，若室温低于16℃，系统则会启动继电器，从而电路中

的电磁阀和水泵进入工作状态，热水器中的热水就在水泵的作用下进入暖气管道，为室内提供热能。因为程序每次循环都会检测室内温度，所以，当室内温度达到24℃的时候，系统则会向继电器发出停止信号，这时继电器就会断开，水阀和水泵就会关闭，室内温度就会停止升高。

优劣分析：

优点：这种方案可以实现家庭暖气的基本要求，成本稍低，而且程序开发相对简单；

缺点：本方案中只有暖气模式，这样在南方的夏天，管道就会被搁置，这样管道容易随坏，而且显得性价比不高。并且要在热水器事先有热水的情况下才能满足功能。

2.2.2 方案二（普通版）

和方案一最大的区别在于，在本方案中，系统中不但包括暖气控制，而且还包含有简单的冷气功能，而这个冷气功能能否达到预想的效果还不得而知，如果家庭采用地暖管道铺设，而且铺设面积较大的话，冷气的功能还是可以有所体现，但毕竟冷水的凉爽效果不如空调来的舒服，但却比空调更为健康，更为自然，对环境的污染也少的多。

如图2-5所示，是方案二的流程方框图，在本方案中，系统的工作模式包括暖气控制和冷气控制，而工作模式的选择需要人工通过遥控器来选择。

实际上这种工作方式跟线型市场上的空调的工作方式很相似，但是它们之间还是存在很多不同的地方，比如说，空调的制冷效果更好而且更快，空调是通过吹风来实现热量的传递；而本方案的基础还是一个暖气系统，是通过热辐射来实现热量的传导，这里的制冷功能只是暖气系统的一个拓展，效果的好坏要视管道铺设密度大小和覆盖面积多少来定，但是这样的系统在制冷时有一个很大的优点：大家都知道空调都是含有氟的，而这种元素对于大气的污染是非常严重的。空调的使用会使地球进入一个恶性的循环，就是温度升高了，人们会更多使用空调，这会进一步地污染大气，使大气温度升高；而如果采用这种制冷方式的话，对于大气层的污染会大大减少，而且这种制冷方式是辐射式的降温，如果在地板和墙面内都安装管道的话，就会将室内与室外通过冷水隔离开来，这样通过冷水的循环来吸收热量，便可以使室内的温度有一定的下降。

图2-5 方案二流程图

在该方案中，当系统通电后，温度传感器检测到的室内温度自动在LED灯上显示出来，并在LCD液晶显示屏上显示出“auto/off heating”的字样，即自动状态关闭并默认为制热模式。系统程序每次一循环都会检测并更新室内温度值，当在循环过程中检测到遥控器按下“打开”键时，若遥控器未改变模式，则进行制热模式，LCD液晶显示屏显示“auto/on heating”的字样，若室温低于16℃，系统则会启动继电器，从而电路中的电磁阀和水泵进入工作状态，热水器中的热水就在水泵的作用下进入暖气管道，为室内提供热能。因为程序每次循环都会检测室内温度，所以，当室内温度达到24℃的时候，系统则会向继电器发出停止信号，这时继电器就会断开，水阀和水泵就会关闭，室内温度就会停止升高。通过程序完善以后，当继电器开关状态时，LCD上也可以显示，当继电器开时，LCD的最后一个字符显示符号“*”；当继电器关时，LCD最后一个字符显示“-”。

若在按下“打开”键以后，改变了工作模式，即切换到制冷状态，LCD显示器就会显示“auto/on cooling”的字样。此时，若室温高于24℃，先关闭热继电器，然后制冷管道电路中的继电器打开，自来水进入暖水关，降低室内温度。当室内温度低于16℃时，冷继电器关闭，室内温度不再升高。

优劣分析：

优点：相比于简单方案中的功能，这个方案中增加了制冷工作模式，可以在夏季充分利用系统进行工作，将系统的利益发挥到最大化。

缺点：虽然增加了制冷模式，但是由于制冷源于自来水，如果在夏季很炎热的时候，效果不会很明显。同上一方案一样，本方案必须建立在事先热水器有热水的基础上。

2.2.3 方案三（全面版）

在这个方案中，上述两个方案中的一些问题得到了解决，这个方案的电路将热水器的开关串联其中，可以控制热水器在需要的时候加热烧水，这要通过温度传感器测量热水器内热水温度来实现控制。本方案最大的特点在于，系统的工作方式可以自动选择；而且既然是精英版的方案，里面的各种硬件设施都比较高端，比如说电容触摸屏的控制面板、静音的水泵电机等。但这个方案中要实现的功能更多，所控制的器件和检测的元件也较多，所以使用到的接口就会更多，因此，若AT89S52单片机的引脚数不够的话，需要更换引脚更多的单片机。

如图2-6所示，就是方案三的框图。

图2-6 方案三流程图

此方案中，系统有两种工作模式，即制冷模式和制热模式。

同前两个方案相同，当系统通电后，若未按下“打开”键，系统只在LED和LCD上显示室温和“auto/off”。当按下“打开”键后，系统进入工作状态，检测当前温度是否低于16℃，若低于16℃，则系统进入制热模式。在制热模式中通前两个方案的不同之处在于，在本方案中，会检测热水器是否有热水，若没有则快速加热两分钟，然后工作，之后的工作模式同前两个方案相同。

若即时温度高于24℃，系统进入制冷模式，其工作方式同方案2相同。

若即时温度在16℃和24℃之间，则LCD上显示出“input mode”，此状态下，室内的人可根据自身感觉来选择工作模式；也可以不选择，系统将会在温度低于16℃或者高于24℃时重新启动制热或者制冷工作模式。

优劣分析：

优点：此方案设计更加人性化，无需多少操作就可以实现工作模式的自动选择和切换，而且会自动检测热水器是否有热水，操作方便，只需控制总开关即可。

缺点：此方案的硬件设施同方案2中没有差别，但是主要难度集中在程序编制方面，而且要实现这样的功能会使程序的循环周期变长，这样温度的更新较慢，但无伤大雅。

2.3 方案详细设计

2.3.1 方案一设计

1）电路设计

电路采用继电器开关控制，由于在方案一中，每个房间的地暖管道都有各自的控制，所以方案中采用三个（数量与热水管道数相同）继电器分别控制每个房间的电磁阀和水泵，而这三个继电器又单片机程序统一控制，各自之间相对独立。

如附图1，电路中的SB1开关由单片机控制，当室内温度达到设定值的时候，单片机程序会控制开关SB1打开，这是继电器KM1得电，电路通电，接在变压器另一端的电磁阀和水泵便进入工作状态。

2）液压回路设计

如附图2所示，是方案一的液压回路设计，经过热水器加热后的热水经过集分水器流入各个管道，当某个房间的室内温度低于16℃时，单片机便会控制这个房间内的电磁阀和水泵打开，热水进入这个房间的地暖盘管，这个房间的室内温度开始上升；当上升到24℃时，单片机控制电磁阀和水泵关闭，室内温度在

外在寒冷环境的作用下慢慢下降，如此往复，室内的温度会保持在大约16℃-24℃的范围。

2.3.2 方案二设计

1）电路设计

相对于方案一中的电路，方案二的电路设计显得更加复杂。由于在方案二中有暖气和冷气两个功能，需要分别控制，同时要保证暖气和冷气不同时工作。

如附图3所示，图中下面的电路中，两个变压器并联在220V的电源上边，这两个变压器的另一侧分别是热水管和冷水管的电磁阀开关。图中的SB1和SB2由单片机来控制开关，为了保证Fr和Fl不会同时工作，在并联的两个支线中，要设置互锁功能，即当打开热水阀时，要断开冷水阀，打开冷水阀时，要断开热水阀。在图中使用常开、常闭的继电器开关可以解决这个问题。如图中所示，当继电器KM1得电，常闭开关KM1断开，这样热水管道进入工作状态，而冷水管道则停止工作；相反，当继电器KM2得电，常闭开关KM2断开，这时冷水管道进入工作状态，而热水管道停止工作。

在附图3中上边的电路中，可以看到与方案一中的电路类似，只是在电路中加入了KM3和KM4的两个常开的继电器开关，这样设计是为了保证当热水或者冷水总阀打开后，每个房间的电磁阀和管道才可以自由的进入或者停止工作状态，有效的防止因为总阀没打开而导致水泵过载的情况的发生。当Fr通电进入工作状态，继电器KM3得电；当Fl通电进入工作状态，继电器KM4得电，这两种情况下，各个房间的阀门和水泵开关都可以进入工作状态。

2）液压回路设计

方案二中的液压回路跟方案一相差不大，主要区别就是加入了冷水管，并且在冷热水的进口都加入了总阀门。最大的区别还是在于电路的设计和程序的编写来有效的控制冷热水的转换和每个房间供水的控制。

2.3.3 方案三设计

1）电路设计

该方案中的电路设计充分考虑了使用的安全性，更加有效合理的为电路加入了延时控制。

如附图5所示，整个电路图和方案二中的电路图很相似，区别的地方在于，每个房间的电磁阀和水泵的控制电路中。电磁阀和水泵并联连接，电磁阀串联一个得电延时继电器和一个断电延时继电器开关，而水泵串联一失电延时继电器和一个得电延时继电器开关。这样的设计会实现的功能是：当电磁阀打开，水泵会延时片刻再开启；而当水泵停止，电磁阀会延时片刻再关闭。这样的功能有效的

避免了水泵在开始和停止工作时可能出现的超负荷工作的情况。

具体工作方式如下：当热水或者冷水总阀打开以后，房间内达到设定的温度，单片机程序会控制房间内的电磁阀F1和水泵B1打开进入工作状态，由于电磁阀F1打开需要一个过程，这时水泵B1可能会进入超载运转，在加入延时装置以后，当通电后，得电延时继电器KT1得电，电磁阀F1马上打开，而由于水泵B1和得电延时继电器常开开关KT1串联，所以会延时片刻进入工作状态，这样就有效的避免了水泵B1超载的发生；当房间温度达到适合温度时，单片机程序控制房间内的电磁阀F1和水泵B1关闭，由于惯性，水泵B1的关闭要一些时间，而电磁阀F1的关闭时间较快，所以这时也可能会导致水泵B1进入超载状态，而在加入延时装置以后，当断开电源，失电延时继电器KT2失电，水泵B1会马上停止工作，而由于电磁阀F1和失电延时继电器常闭开关KT2串联，所以会延时片刻关闭，这样同样避免了水泵B1超载的发生。

2）液压回路设计

如附图6所示，该方案中的液压回路和方案二中的区别就是在每个房间中的电磁阀和水泵之间连接一个安全阀到回路出水口处，这样的话，一旦程序发生错误或者硬件损坏，造成电磁阀关闭，而水泵仍然工作的情况，当管道内的压力达到安全阀设定值的时候，安全阀就会自动打开，防止水泵因为过载而损坏了管道系统中的任何部件而造成安全上的威胁。

3 详细设计及选型

3.1 数字温度传感器

3.1.1 数字温度传感器优点

在本设计中采用的温度传感器型号为DS18B20，这种传感器在使用时较普通的温度传感器有很多优点：

(1) 具有3 引脚TO - 92 小体积封装形式. 在其内部使用了在板(ON2BOARD) 专利技术,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内.

(2) 温度测量范围为- 55 ～ + 125 ℃,可编程为9 位～12 位A/ D 转换精度,测温分辨率可达0.0625 ℃,被测温度用符号扩展的16 位数字量方式串行输出。

(3) 其工作电源既可在远端引入,也可采用寄生电源方式产生。

(4) 独特的单线接口方式. DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20 的双向通讯。

(5)DS18B20 支持多点组网功能. 多个DS18B20 可以并联在唯一的三线上,实现多点测温,可节省大量的引线和逻辑电路。

DS18B20温度传感器的误差范围在0～0.5℃之间，其误差曲线如图3-1所示

图3-1 温度传感器误差

3.1.2 温度信号与单片机传输介绍

由于DS18B20与单片机只是通过单个引脚直接相连，却要输送16位的温度信号，所以在单片机内有特殊的程序来完成对温度信号的读取和显示。读取温度传感器数字信号的程序要按照严格的循环顺序来执行，即:

1） DS18B20的初始化。

图3-2 初始化时序图

2）DS18B20的写操作

图3-3 写时序图

3）DS18B20的读操作

图3-4 读时序图