ic卡城市供暖计费系统说明书大学论文.docx
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ic卡城市供暖计费系统说明书大学论文
目录
第1章绪论.......................................
（1）第1.1节课题背景、内容和意义..........................
（1）第1.2节国内外发展状况..............................
（1）第1.3节本文的主要研究内容...........................（4）第2章供暖计费系统的概述........................（5）第2.1节供暖计费原理................................（5）第2.2节供暖计费系统的组成...........................（7）第2．2.1节温度传感器................................（8）第2．2.2节流量传感器................................（8）第2．2.3节电动阀...................................（8）第2．2.4节IC卡.....................................（9）第2．2.5节供电方式.................................（10）第2．2.6节单片机的选择.............................（10）第3章硬件部分..................................（11）第3.1节温度测量电路原理............................（11）第3．1.1节温度传感器的选用..........................（11）第3．1.2节温度传感器DS18B20........................（12）第3．1.3节测温电路的实现............................（13）第3.2节流量测量电路原理...........................（16）第3．2.1节流量传感器的选择..........................（16）第3．2.2节流量测量原理及其电路......................（17）第3.3节电磁阀接口电路及工作原理.....................（18）第3.4节IC卡工作原理及接口电路.......................（19）第3.5节液晶显示模块与接口电路.......................（22）第3.6节单片机与计算机的串口通信.....................（24）第4章软件部分..................................（26）第4.1节总体设计...................................（26）第4.2节主程序设计.................................（27）第4.3节初始化程序设计..............................（28）第4.4节中断服务子程序..............................（29）第4.4.1节计量中断处理子程序.........................（30）第4.4.2节时钟中断处理子程序.........................（31）第4.4.3节IC卡中断处理子程序........................（32）第4.5节程序代码...................................（33）第5章总结与展望................................（43）参考文献.........................................（46）翻译.............................................（49）致谢............................................（75）
第1章绪论
1.1课题背景、内容和意义
进入21世纪以来，随着经济、社会的快速发展，能源问题已成为人们普遍关心的热点问题之一。
经济的发展离不开能源的支撑，我国经济已进入新的快速增长阶段，而粗放式的增长方式使得我国能源、淡水、矿产等资源不足的矛盾进一步凸显。
面对这些问题，建设节约型社会成为这一阶段的时代主题，而节能体现在供暖系统就是要集中供热、分户计量。
2000年2月，建设部发布了《民用建筑节能管理规定》,规定中第五条：
“新建居住建筑的集中采暖系统应当使用双管系统，推行温度调节和户用热量计量装置，实行供热计量收费”。
目前，我国城市集中供热收费的基本情况仍然是，仍按传统的建筑面积结算收费，这既不科学又不公平合理。
2003年7月，建设部、国家发改委等八个部委印发了《关于城镇供热体制改革试点工作的指导意见》，意见中明确要求城镇供热体制改革要逐步实行按用热量计量收费制度，积极推进城镇现有住宅节能改造和供热采暖设施改造[1]。
随着微电子技术，电子计算机技术，智能检测技术以及现代通信技术的迅猛发展，在供暖计费系统设计中遇到的问题都可以迎刃而解了。
1.2国内外发展状况
集中供暖计量收费是20世纪70年代中期由欧洲开始的。
相应的“热表”，也经历了从机械式、电子数字积分式，直到微处理器为基础的智能式的发展过程。
1988年，国际法制计量组织公布了世界上第一个国际性的标准文件：
“OIML-R75号国际建议热量表（Heatmeters）”。
到90年代，户用热量表基本上定型，设计趋于一致。
1997年4月，欧洲共同体正式通过了统一的热量表标准代号为EN1434。
现在向中国市场上推销的欧洲各国的热量表，大部分都标明了“符合OIML-R75标准”和“符合EN-1434标准”。
这既是给用户一个选择、判断的基本依据，也表明了欧洲热量表技术成熟和标准化的程度。
欧洲的热量表在中国应用时，存在以下的局限性：
1）欧洲热量表积分计算仪一律采取的是K系数补偿的方式。
K系数的取值在进水和回水上是不同的。
只能规定其中一个固定的位置，不得变换。
因此，欧洲的热量表一般规定要安装在回水管道上，也就是流量计只能测回水的流量。
2）欧洲热量表采用的测温元件是PT100和PT500，而且PT100居多（即在0℃时电阻值为100欧姆）。
测温探头的引线电阻必然会给测量带来误差；因此对引线电缆的长度有严格的要求。
一旦配对完毕，不可任意延长或缩短。
3）国际法制计量组织OIML-R75规程中，对“热能表”的定义是：
“适用于测量在热变换环路中，被称作载热液体的液体所吸收或转换热能的仪器”。
但是迄今为止，欧洲的热量表绝大多数只能测量供热量，不能测量供冷量（吸热量）。
或者，测量供热和供冷要分别由两只不同的表完成。
据悉，最近，德国已开始了“冷热两用”热量表的研究[2]。
此外，当然还有价格昂贵的问题。
几年来，从欧洲有关公司在中国几个城市的试点情况来看，在节能效果上都得出了肯定的结论，但推广却受到阻力。
除去有关政策因素之外，价格也不能不认为是一个重要的原因。
我国城市集中供热收费的基本情况是,供热企业与热用户根本没有计量仪表,城市供热若不进行计量并按热用户使用热量多少收费,就会造成能源浪费,投资增多,供热企业技术与管理水平低,供热效果不好,直至造成热用户拖欠热费,供热企业运行困难等严重问题。
按建筑物使用性质的不同，供暖制度可分为两大类：
其一是连续供暖制度，即24小时内都是使用时间，要求室内平均温度全天都保持设计温度。
其二是间歇供暖，即每天并不是24小时供暖，甚至每周内也不是每天都要求供暖，只要求在使用时间内的室内平均温度保持设计温度，其它时间可以降低温度。
目前，城市集中供热系统所存在的主要问题是：
1运行的室外管网多为枝状管网，近热远冷，水力工况失调，导致只能用大流量超负荷供热来保证供热标准；
2室内多采用单管系统。
各热用户不能根据室内温度调节热量，造成热能浪费；
3目前城市供热系统大多数不能根据室外温度变化而适时有效地调节供热流量和供水温度。
我国各地的供热收费办法，都是根据当地的具体情况确定的。
大概有如下几种：
（1）按建筑面积收费。
这种方法主要用于城市采暖用热的用户。
是目前各类城市中采用较多的一种方法。
（2）按使用面积收费。
这种方法与第3种方法基本相同。
两种方法在粗略估算时以建筑面积乘以0.7等于使用面积。
（3）按安装的散热器数量收费。
这种方法在个别中小城市中采用。
主要是为了制止、控制某些居民随意在居住建筑中增设散热器而采用的办法。
综上，我国还依然存在着供暖计费不合理的问题，而且造成资源浪费等诸多问题。
1.3本文的主要研究内容
本文主要围绕IC卡供暖系统的提出、构建方案和实现，按照从分析到设计的顺序展开论述。
内容概要如下：
第二章IC卡供暖系统总体结构，先从原理上论述了热量计算原理和IC卡计费原理工作原理。
第三章硬件部分，具体从温度测量电路、流量传感器、LCD液晶显示、电动阀驱动和IC卡及接口电路等方面对IC卡供暖计费系统的硬件实现加以祥述。
第四章软件部分，详细论述了初始化程序、中断服务子程序、计量中断处理子程序、IC卡中断处理子程序、时钟中断处理子程序等软件程序的实现。
第五章结束语，对研究工作的总结和未来工作的展望。
第2章供暖计费系统的概述
供暖计费一体化系统，它包括数据采集器等功能部分。
系统能保证热量计量的准确性，为供热计费管理信息化建设奠定了良好的基础。
本章首先介绍了供暖系统的计费原理，然后根据原理选出了所需要的传感器，阀体，电源等。
2.1供暖计费原理
在供热用户中安装热量表，当热水流经供热用户时，根据流量传感器给出的流量和配对温度传感器给出的供回水温度，以及热水流经的时间，通过单片机可计算并显示供热用户所吸收的热量，公式为：
式中：
Q---供热用户所吸收的热量，J或W·h
---流经热量表的水的质量流量，kg/h
---流经热量表的水的体积流量，
/h
ρ---流经热量表的水的密度，kg/
△h---供热用户的入口和出口温度下水的焓值差，J/kg
τ---时间，h
目前，国产热量表的热量计量方法基本可以分为以下几种：
1）直接焓差法
式中
、
为入口热载体与出口热载体的定压比热容；
为瞬时体积流量、瞬时质量流量；
、
为入口与出口温度下的载热流体密度；
、
为入口与出口的温度。
该公式计算简单，只要根据实测温度
与
查表得
、
及
等4个常数，代入式中即可。
显然，温度测量精度越高，数据表所占的存储空间越大。
对于实测温度，需要采用线性插值等近似计算技术，通过搜索与其距离最近的点计算相应的焓值，从而得出瞬时热量。
但这一方法会带来人为误差。
2）常系数焓差法
式中
为定压比热容，
=
视为常数。
该方法计算简便，为常数，使得程序的计算量减少，计算速度大大加快。
3）分段式k系数法
式中k是热交换系数，当压力一定时，它随温度而变化，将其按回水温度进行分类:
<
=
;
<
<
=
;
>
=
该方法将热交换系数量化为三个分段常数，在一定程度上对其进行了温度修正。
式中三个关键常数凭经验来确定，而且温度区间划分较粗,温度适应性依然较差。
因此,分段式k系数法仅适用于对热量计量的精度要求不高，温差变化也较小的情况。
以上无论是焓差法还是分段式k系数法都可以达到一定的精度。
k系数值取决于热量表的体积流量计是安装在进水还是在回水的系统中。
即使在同一温差条件下，也必须研究体积流量计的安装位置[7]。
迄今为止，关于欧洲先进水平的热量表产品及设计方面的报导，都是采用k系数的修正来保证其精度的。
但是这种规定对于用户盗用热不能有效地控制，这种方式在考虑到我国热用户消费实际时，不太可取。
采用不同温度（或压力）下比热焓值和密度（或比容）直接计算出热量值，理论上较K系数补偿更为直接、明确，而且在实用上有其优越性。
IC卡供暖系统的具体计量原理是：
每当热水流过10升时，流量计发出脉冲信号，唤醒热量表的微控制器检测温度一次，然后根据进出口的温度差与供热介质的比热计算出所耗热量，并在上次剩余热量值中扣除后，将所得新剩余热量值在液晶屏上显示。
用户将已经购热的IC卡插入热量表的IC卡接口中，热量表从低功耗模式中唤醒，根据IC卡中储存预购热量数据，打开电动阀，从而实现对用户的供暖。
2.2供暖系统的组成
IC卡式热量表由流量传感器、温度传感器、电磁阀和IC卡等部分组成，供暖系统原理如图2-1。
图2-1供暖系统原理图
2.2.1温度传感器
随着大规模集成电路工艺的提高，出现了多种集成的数字化温度传感器。
本设计选用了美国DALLAS公司最新推出的DS18B20单线数字式温度传感器。
2.2.2流量传感器
目前热量表中使用的流量传感器主要有以下三种类型：
叶轮流量传感器、超声波流量传感器、电磁式流量传感器。
由于单片机采用电池供电，要求流量计耗电尽可能的低，同时也为了降低成本，我们采用无磁式流量传感器来进行对供热流量的计量。
2.2.3电动阀
目前，用在供暖系统中的阀门主要为先导型自保持电磁阀和电动球阀。
先导型自保持电磁阀虽然开、关阀瞬间通电、功耗低，但如果水中含有杂质，先导孔易发生堵塞，导致阀门不能正常开、闭，不适合供暖管路中的水质，而且对水压有一定要求，还有一定的压力损失（0.1-0.2Mpa）。
电动球阀虽然功耗稍大，但具有压损极低、体积小、对水压无要求等优点，而且可以增大驱动器减速比，进而增加阀门的开启力矩。
因此采用电动球阀。
如图2-2所示：
图2-2电动球阀
2.2.4IC卡
我们采用的IC卡是SLE4442逻辑加密卡，它由EEPROM单元阵列和密码控制逻辑构成，具有一定的保密逻辑功能，不像存储器卡那样可以被自由擦写，也不需要像CPU卡那样需要进行复杂的密码计算，成本也低。
2．2.5供电方式
IC卡预付费热量表选用3.6V锂电池作为电源，要求线路板上所有设计都要围绕低功耗进行。
当电源电压下降到设计值时，单片机应能检测到，并及时保存数据切断阀门。
2．2.6单片机的选择
由于单片机是本系统的核心，所以如何选择性价比最优，开发容易，开发周期最短的产品，是系统硬件设计的主要问题之一。
选购单片机总体应从以下几个方面考虑，其一是目标系统需要哪些资源；其二是根据成本的控制选择价格最低的产品；其三是应尽量选择自己熟悉的单片机品种，这可以缩短研制周期；其四是选择具有现成开发工具的机种；其五是选择集程度高、可靠度高的机种，使系统体积小、成本低。
目前单片机已进入广泛发展时代，种类多。
我国销售的主流MCU产品有8051,PIC,MSP430,AVR等系列单片机，经过比较，本系统选用了AT89C51单片机。
AT89C51主要性能参数如下[6]：
（1）兼容MCS-51指令系统
（2）全静态操作0～24MHz
（3）4k可反复擦写FlashROM（4）3级加密程序存储器
（5）32个双向I/O口（6）128×8bit内部RAM
（7）两个16位可编程定时/计数器（8）共6个中断源
（9）可编程UARL通道（10）低功耗空闲和掉电模式
（11）软件设置睡眠和唤醒功能
综上所述，所选的模块与单片机结构简单，成本低，功耗小，能与单片机直接进行数据传输，大大减小了传统传感器与单片机复杂的接口电路，实现了简单化，节约化。
第3章硬件部分
硬件系统是实现供暖计费的关键。
在系统设计方案确定后，接下来的任务就是设计满足系统要求的硬件。
本章将围绕如何实现该硬件系统展开分析，对硬件主要电路分块测试，最后给出设计电路图。
3.1温度测量电路原理
3.1.1温度传感器的选用
测温方法一般分为两类：
接触式和非接触式。
接触式又包括热电阻测温法和热电偶测温法两种。
热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。
其中将温度变化转换成电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换成热电势变化的称为热电偶传感器。
温度检测的传统方法是使用模拟传感器，那么一个温度量要经过感温元件、测量电路、放大电路、模数转换电路之后才能得到相应的数字量。
这样设计者须考虑的线路环节较多，相应测温装置中元器件数量降不下来，随之影响产品的可靠性和体积微小化。
而且模拟信号在长距离传输过程中，如何抗电磁干扰是一个难以解决的问题。
对于多点温度检测的场合，各被测点到测试装置之间引线距离往往不同，还有各敏感元件参数的不一致性都是造成误差的原因。
选择热电阻测温法对暖器管热水温度进行检测就需要温度传感器、电桥电路、滤波器、运算放大器和A/D转换器才能构成完整的温度采集系统。
但如果把被测温度这一非电模拟量转换成数字信号的处理过程的多个环节集成在单片IC器件内部，便解决了传统温度检测方法的弊病，而且系统结构和电路都会比较简单。
与模拟传感器相比，由于采取高集成度设计，使数字式传感器在可靠性、抗干扰能力以及器件微小化方面都有明显的优点。
对于本设计中需要对暖气片进、出水口温度进行检测，这就是多点温度数据采集[3]。
如果能选择一种自带编码的数字温度传感器，就能省去多路开关和通道选择电路，使测温模块变得更加简洁、小巧。
3.1.2温度传感器DS18B20
随着大规模集成电路工艺的提高，出现了多种集成的数字化温度传感器。
设计选用了美国DALLAS公司最新推出的DS18B20单线数字式温度传感器。
DS18B20温度传感器与传统的热敏电阻温度传感器不同，它可以把温度信号直接转换成数字信号，其特点如下：
（1）DS18B20采用DALLAS公司的“单线总线”专有技术。
单线接口，只有一根信号线与CPU连接。
（2）通过串行通信传送串行数据直接输出被测温度值，不需要外部元件，适配各种单片机或系统机。
（3）每一片DS18B20具有全球唯一的序列号，多个DS18B20可以并联在唯一的单线上，实现多点测温。
（4）DS18B20的测温范围为：
－50℃～＋125℃，-10℃～＋85℃时测量精度为±0.5℃，测温结果的数字量位数为9～12位，可通过编程进行选择。
在93.75ms和750ms内将温度值转化为9位和12位的数字量。
（5）DS18B20内含寄生电源，不需要备份电源，一种为用数据线供电如图3-1（a），此时VDD接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量来完成温度转换，相应的完成温度转换的时间较长。
为了保证在有效的时钟周期内，提供足够的电流，这种情况下需要对DS18B20总线进行上拉；另一种用外部的电源（3.0～5.5V）供电如图3-1（b），相应的完成温度转换的时间较短。
（6）用户可自己分别设定各路温度的非易失性报警上、下限值并写人随机存储器RAM中。
（7）报警搜索命令可以识别哪片DS18B20温度超限。
图3-1
图3-2DS18B20的内部结构
DS18B20的内部结构如图3-2所示，它由64位ROM、9字节中间结果暂存器RAM、3字节EEPROM寄存器（包括非易失性电可擦写温度报警触发器TH、TL和非易失性电可擦写设置寄存器）、温度传感器和8位CRC发生器组成。
每片DS18B20含有一个唯一的64位ROM编码。
头八位是产品系列编码，接着的48位是产品序列号，最后8位是循环冗余（CRC）校验码。
所以多片DS18B20能够连接在同一条数据线上而不会造成混乱，这为温度的多点测量带来了极大的方便。
温度传感器的转换结果以16位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中，如果测量的温度值高于温度报警触发器TH或低于TL中的值，则DS18B20内部的报警标志位就被置位，表示温度测量值超出范围[16]。
DS18B20温度传感器的测温原理如图3-3所示：
DS18B20采用特有的温度测量技术，通过温度对振荡器的频率影响来测量温度。
DS18B20内部有两个不同温度系数的振荡器。
低温度系数振荡器的振荡频率不受温度变化的影响，产生固定频率的信号给计数器1，而高温度系数振荡器的振荡频率则受温度变化的影响，它相当于t/f转换器，能将被测温度t转换成频率信号f，其脉冲信号输入计数器2。
DS18B20低温度系数振荡器输出的时钟脉冲信号在高温度系数振荡器产生的门周期内进行计数，通过对门开通期间内低温度系数振荡器经历的时钟周期个数来测量温度，而门开通期由高温度系数振荡器决定。
计数器1和温度寄存器初值被预置为-55℃所对应的一个基数值。
计数器1是一个减法计数器，如果计数器1在高温度系数振荡器输出的门周期结束前计数到零，则温度寄存器加1。
若计数器2没有计数至零（即记数门没有关闭），则计数器1重新预置基数，又进行计数，然后重复这个过程，温度寄存器不断累加，直至计数器2计数至零为止，这时温度寄存器的值即为测量的温度值。
显然温度越高，门开通期越长，高温度系数振荡器的振荡频率越小。
所得的温度值以16位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中。
此温度值可由单片机通过发存贮器读命令而读出，读取时低位在前，高位在后，经过取补和十进制转换，得到实测的温度值。
斜率累加器能对振荡器的非线性予以补偿和修正，提高测量准确度。
图3-3测温原理图
3.1.3测温电路的实现
图3-4温度采集部分的硬件电路
本系统中温度采集部分的硬件电路框图如图3-4所示，其中测温点是由数字温度传感器DS18B20构成，DS18B20直接把温度信息转换成相应的数字信号。
数据采集、处理模块主要由AT89C51单片机构成。
单片机AT89C51起实时控制及通讯作用，完成温度数据的读取和传输。
第3.2节流量测量电路原理
3.2.1流量传感器的选择
对于户用供暖来说，国外普遍采用超声波式流量计，而国内普遍选用磁传感式或者机械式流量计，下面对这三种流量计进行一下比较:
（l）机械式流量计这种流量传感方式被认为可以无需外部电源供电即可完成流量信号的传递，另外还具有启动流速比较低、压损小、量程大、安装拆卸维护方便，特别是具有能耗低、价格低等优点;但主要缺点是对水质要求较高，微量的铁屑和细沙都会急剧降低测量精度直至在短期内损坏，而我国大部分地区的水质较低，限制了其在国内市场的推广。
（2）超声波式热量计该流量计的主要优点是对水质要求较低，不易损坏，使用寿命长，但大多应用于大流量、大口径的流量测量，与我国巳前以小口径为主的供热结构不太相符，而且能耗比较大，价格较贵。
（3）电磁式流量计其在测量过程中不受被测介质的温度、粘度、密度的影响，测量原理比较先进，但是其最大的缺点就是耗电量大，对供热介质的电导率有要求（>10us/cm），同时结构复杂，成本较高，一般在小口径表方面很少采用。
综合以上各种比较，设计选用无磁式流量传感器，它既不受水质、供热介质电导率的影响，又结构价格适中、使用寿命长。
3.2.2流量测量原理及电路图
流量测量的基本结构类似于叶轮式流量计，只不过转盘由两种材料制成，一半是非金属材料，另一半是金属材料。
在转盘上面成90度放置两个电感线圈，他们同电路中的电容并联形成两个LC谐振电路，通过这两个谐振电路就可以测量转盘的转向和转速，进而测量出热水的流向和流量来，其测量原理如图3-5所示。
无磁传感器模块定时激励LC回路。
等断开激发电路以后，电感就会产生阻尼振荡。
电感L的阻尼系数取决于电感线圈和转盘的相对位置。
当转盘的金属面（图中转盘上有阴影的部分）转到电感线圈的下面时，电感的阻尼系数较大，振荡衰减的幅度
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