王 婷，丁明琪

（安徽文達(dá)信息工程學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，安徽合肥 231201）

1 供暖管道監(jiān)控現(xiàn)狀

為了滿足基本的生產(chǎn)生活需求，國(guó)家大力建設(shè)集中供暖設(shè)施。在國(guó)家政策的大力扶持下，供暖用戶逐漸增多，供暖管道負(fù)擔(dān)也越來(lái)越大。由于多數(shù)城市管道陳舊或者鋪設(shè)管道的空間狹小，當(dāng)供暖管道發(fā)生異常時(shí)很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，因此在這個(gè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)供暖管道實(shí)時(shí)檢測(cè)就顯得尤為重要。

傳統(tǒng)檢測(cè)方法采用的是人工檢測(cè)。隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，以及各種處理系統(tǒng)的出現(xiàn)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取精度要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的精確度已經(jīng)不能夠滿足不同的應(yīng)用環(huán)境。使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)檢測(cè)既不方便，在一定程度上也不能夠適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)。

為了解決上述問(wèn)題，近年我國(guó)在新鋪設(shè)的供暖管道中大量運(yùn)用傳感器來(lái)進(jìn)行管道檢測(cè)，但是早期鋪設(shè)或者老舊的管道仍然只能靠人力檢測(cè)。而且早期供暖管大多數(shù)鋪設(shè)不規(guī)范且鋪設(shè)地方較為狹小，管道發(fā)生大面積破損，作業(yè)人員無(wú)法及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行修理，導(dǎo)致大量水資源被浪費(fèi)。為了彌補(bǔ)現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的不足之處，相對(duì)智能且易于安裝的供暖管道智能監(jiān)控系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生，它能自行處理一部分管道問(wèn)題。目前市場(chǎng)上檢測(cè)水管漏水的儀器主要有相關(guān)儀、管線儀和非金屬管道探測(cè)儀。相關(guān)儀是一種基于聲學(xué)原理的泄漏檢測(cè)儀器，可以快速、準(zhǔn)確、可靠地定位泄漏點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們研發(fā)出了各種各樣的智能監(jiān)控設(shè)備，使得供暖管道監(jiān)控系統(tǒng)朝著體積小、運(yùn)行速度快的方向迅速發(fā)展，這也為智能監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行提供可靠保障。

在此背景下，本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32的供暖管道智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含溫度、壓力和流量檢測(cè)模塊，通過(guò)溫度檢測(cè)模塊檢測(cè)供暖管道的溫度；通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)管內(nèi)壓力；通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)關(guān)閉閥門，減少熱水的流失；通過(guò)流量檢測(cè)模塊檢測(cè)供暖所消耗的用水量，并且與水表上顯示的用水量對(duì)比，從而達(dá)到檢測(cè)用戶或管道用水量是否正常的目的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

供暖管道智能監(jiān)控系統(tǒng)的具體工作流程是：通過(guò)傳感器模塊對(duì)供暖管道進(jìn)行溫度、壓力及水流量檢測(cè)，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)控制器分析處理。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)，控制器進(jìn)行報(bào)警并通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制閥門的開啟和關(guān)閉。此外，為避免水壓過(guò)大導(dǎo)致管道破裂的情況，本設(shè)計(jì)還額外添加了自動(dòng)泄壓閥。供暖管道智能監(jiān)控系統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 供暖管道智能監(jiān)控系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文利用Altium Designer軟件設(shè)計(jì)供暖管道智能監(jiān)控系統(tǒng)的電路，如圖2所示。該系統(tǒng)電路主要由單片機(jī)核心電路、溫度檢測(cè)電路、壓力檢測(cè)電路、液體流量監(jiān)測(cè)電路、聲光報(bào)警電路和步進(jìn)電機(jī)電路組成。

圖2 電路原理

溫度檢測(cè)模塊主要采用DS18B20溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。該傳感器能夠直接獲取環(huán)境中的溫度數(shù)據(jù)且體積較小，可在空間狹小的地方使用。該傳感器檢測(cè)到環(huán)境溫度數(shù)據(jù)后會(huì)把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，對(duì)于環(huán)境模擬數(shù)據(jù)能夠快速進(jìn)行獲取，不用獨(dú)立提供電源。

液體流量檢測(cè)電路主要采用YF-S201霍爾流量傳感器實(shí)現(xiàn)液體流量測(cè)量。YF-S201霍爾流量傳感器是一種易于學(xué)習(xí)和使用且低成本高效益的檢測(cè)傳感器。其基本工作原理是：當(dāng)水通過(guò)該傳感器的水流轉(zhuǎn)子組件時(shí)，會(huì)帶動(dòng)磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)霍爾傳感器輸出相應(yīng)脈沖信號(hào)并發(fā)送給STM32單片機(jī)。STM32單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)到的脈沖數(shù)即可計(jì)算水流量，最終由顯示模塊顯示具體數(shù)據(jù)。

壓力檢測(cè)模塊由以下兩部分組成。

（1）壓力檢測(cè)電路。本設(shè)計(jì)采用的XGZP6847型壓力傳感器適用于非腐蝕性氣體和液體，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出、寬溫度補(bǔ)償。其工作原理是：當(dāng)外界壓強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)其OUT角輸出不同電壓值，通過(guò)STM32單片機(jī)PB1引腳檢測(cè)電壓變化，從而得到具體壓強(qiáng)值，并通過(guò)顯示模塊顯示具體壓強(qiáng)值。當(dāng)測(cè)得的壓力低于設(shè)定閾值時(shí)，聲光報(bào)警電路報(bào)警，STM32單片機(jī)通過(guò)ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)一圈半，關(guān)閉閥門，避免水管破裂導(dǎo)致大量水資源浪費(fèi)。當(dāng)壓力高于設(shè)定閾值時(shí)，通過(guò)ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)一圈半，開啟閥門，同時(shí)聲光報(bào)警電路報(bào)警提示已打開閥門，防止水壓過(guò)大對(duì)供暖系統(tǒng)造成損壞。

（2）自動(dòng)泄壓閥模塊。該模塊主要解決避免水壓過(guò)大導(dǎo)致管道爆裂的問(wèn)題。其工作原理相對(duì)簡(jiǎn)單，當(dāng)水壓小于泄壓閥閾值時(shí)閥門關(guān)閉；當(dāng)水壓超過(guò)泄壓閥閾值時(shí)閥門自動(dòng)打開。本系統(tǒng)在設(shè)置高壓閾值時(shí)，將管道供暖時(shí)所能承受的最大壓力值設(shè)為略高于自動(dòng)泄壓閥臨界閾值，以達(dá)到提前泄壓的目的。

4 軟件設(shè)計(jì)流程

本文設(shè)計(jì)的供暖管道智能監(jiān)控系統(tǒng)，是通過(guò)主控單片機(jī)、外圍檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行管道運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集以及轉(zhuǎn)化。通電后，首先要對(duì)各個(gè)檢測(cè)模塊、傳輸引腳初始化。各個(gè)檢測(cè)模塊初始化成功后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的邏輯處理工作。根據(jù)邏輯處理使得系統(tǒng)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)自主化處理、判斷等工作，系統(tǒng)面臨緊急情況的處理方式都進(jìn)行邏輯編程控制。系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程

5 實(shí)物調(diào)試

本設(shè)計(jì)的硬件實(shí)物如圖4所示，通電后能夠看到液晶顯示當(dāng)前環(huán)境下的溫度T、壓強(qiáng)P以及流量flow。長(zhǎng)按K1進(jìn)入設(shè)置界面，按下K2、K3對(duì)溫度上限進(jìn)行調(diào)整，第一次按下K4后，按K2、K3對(duì)溫度下限進(jìn)行調(diào)整。第二次按K4鍵，進(jìn)入設(shè)置壓力界面，按下K2或K3調(diào)整壓力設(shè)定值。

圖4 硬件實(shí)物圖

當(dāng)用注射器打入或者抽取空氣模擬壓力變化時(shí)，壓力檢測(cè)模塊能夠正常檢測(cè)出氣壓的變化，并且步進(jìn)電機(jī)會(huì)隨著氣壓超出設(shè)定值正轉(zhuǎn)一圈半（模擬打開閥門），低于設(shè)定值反轉(zhuǎn)一圈半（模擬關(guān)閉閥門）。對(duì)溫度傳感器加熱時(shí)，當(dāng)溫度超出上限和低于下限時(shí)則報(bào)警，溫度在上限和下限之間時(shí)不報(bào)警，低于下限時(shí)報(bào)警。對(duì)霍爾水流量傳感器通水時(shí)，傳感器能夠正常測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后由液晶顯示器顯示。

6 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)供暖管道溫度、流量和壓力的實(shí)時(shí)檢測(cè)，不僅可以有效避免因地下供暖管道損壞沒(méi)有及時(shí)處理，導(dǎo)致水資源浪費(fèi)及公共財(cái)產(chǎn)損失的問(wèn)題，還節(jié)約了大量的人力成本。此外，本設(shè)計(jì)裝置體積相對(duì)較小，易于安裝，可以有效彌補(bǔ)現(xiàn)有供暖管道系統(tǒng)監(jiān)控不足的問(wèn)題。本設(shè)計(jì)具有一定的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。