基于单片机的热量计的设计.docx

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基于单片机的热量计的设计

本科毕业设计说明书

（

题目：

基于单片机的热量计的设计

学生姓名：

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班级：

指导教师：

二〇一一年六月

摘要

对于热量计的研究，国外的技术明显的先进与国内技术，当前国内的热量技术主要仍然存在下面的一些问题：

一种是集中供暖，不仅造成了热量的损失，而且在收费的时候容易产生矛盾，采用按面积收费，造成能源的浪费。

为了更好的节约能源，克服传统的供暖计费方式带来的弊端，首先本文对热量的计量原理进行了分析，在考虑到测量流体的粘性、腐蚀性等运行环境的情况下，选择出合理的能量平衡公式应用到热量表中。

然后在综合考虑可行性、适用性、先进性、安全性及易维护性等系统设计原则，选择出了基于基本热量计量原理的热量表硬件的硬件基本组成部分：

传感器、放大电路、A/D转换芯片、单片机、程序存储器、数据存储器、晶振电路、键盘电路及接口芯片、LED显示及电路、复位电路等。

最后，在主电路的基础上设计出简洁、明了、实用的软件程序，来实现整个热量计费系统的最终运行，而本文研究的热量计适合中国国情，并且计费简单，按用热量计费，对于节约能源有很大的作用。

本文研究的系统的使用和推广对于节约能源、减轻大气污染、提高效率和改革供暖体制必将起到巨大的促进作用。

关键词：

单片机；集中供暖；热量表；温度传感器；流量测量；热量计量

Abstract

Forheatofthousandsofresearch,foreigntechnologyofadvancedtechnologyanddomesticobviously,thequantityofheatofthecurrentdomestictechnicalmainstillexistssomeproblemsbelow:

onekindiscentralheating,notonlycauselossofheatincharge,andtobeacontradiction,madeaccordingtothearea,causingthewasteofenergycharge.

Inordertosaveenergy,overcometraditionalheatingbillingway,firstthispaperthemalpracticesofheatmeasuringprincipleisanalyzed,consideringthefluidviscous,measuringcorrosiveoperationenvironmentsituation,choosethereasonableenergybalanceformulaappliedtoheatmeter.Thenincomprehensiveconsiderationofthefeasibilityandapplicability,advancement,safetyandeasymaintenanceetcsystemdesignprinciple,choosetheheatmeasurebasedonthebasicprincipleofheatmeterhardwarebasiccomponents:

thesensors,amplifyingcircuit,A/Dconversionchipandsingle-chipmicrocomputer,programmemory,datastorage,crystalresonancecircuit,keyboardcircuitandinterfacechip,LEDdisplayandcircuit,resetcircuit,etc.Finally,themaincircuitdesignedonthebasisofaconcise,clearandusefulsoftwareprogram,torealizethewholeheatbillingsystemeventuallyrun.

Thispaperstudiestheuseandpromotesthesystemtosavetheenergy;reduceforatmosphericpollution,raisetheefficiencyandreformheatingsystemwillplayahugeroleinpromoting.

Keywords:

singlechip;centralheating;heatmeter；temperaturetransmitter；flowmeasurement；Heatmeteringdevice.

第一章绪论

1.1研究背景和意义

当前，建筑节能在世界上蓬勃兴起，成为大家关心的热点。

我国的建筑能耗很高，是发达国家三倍多，而城市供暖又是建筑耗能的主要部分。

发达国家普遍采用了能调节和控制的供热系统，锅炉和管网热效率很高，城市供热正在迈出改革步伐，迫切需要高薪计量设备进入供热领域，改变我国城市目前采暖技术的落后[1].

多年以来，我国的供热情况一直是采取集中供热，一个小区一个集体单位共同使用一个控制阀，按住宅面积为主要的计费依据，按季度或者年缴费，这样不仅不能增强人们的节能意识，而且不能满足不同居民对供暖的不同需求，也无法衡量供热的质量。

虽然，我国在近几年大力进行节能建筑研究，在墙体保温上做出了努力，但是节能效果并不理想，其原因是:

:

通过改善墙体结构使室温有所提高，甚至出现过热现象，但是因为没有房间温控与计量手段，用户在感觉到温度过高时通常会开窗降温，使得通过改善墙体结构降低室内热负荷所做的工作没有体现出来，没有达到节能的目的。

因此改善围护机构节能只能为建筑节能创造条件，而温控计量才是落实技能的关键。

没有温控计量，不能将能耗与用户的经济利益联系起来，不能主观上促进用户节能，实现改善围护结构多带来的技能效果。

而本文将通过结合国内外先进的技术和理论，设计一个能满足中国广大用户需求的，并且有效的起到节能减排作用的新的热量计量工具。

1.2国内外研究的状况

1.2.1国外热量计量的状况

国外的热量计量技术始于20世纪70年代。

70年代末的能源危机和能源消耗加大了环境污染，使得节约能源和环境保护成为了举世瞩目的大事。

国外特别是北欧国家十分重视建筑节能工作，普遍采用热量计量收费制度，并制定了有关政策、法规以及相配套的技术措施，经过40来年的发展，使得国外现代有了成熟的一套热量计量系统。

目前，欧美分户计量热量使用的方法基本是以下四种：

（1）直接测定用户从供暖系统中获取的热量。

即通过热量表对流体的流量（质量流量、体积流量）、入水温度和回水温度进行测量，然后利用热力学公式计算出用户耗热量，根据耗热量来进行收费。

基于热量表的热计量系统的构建方式主要有两种：

一是采用IC卡进行预付费，通过IC卡做媒介，一次性完成计量抄收与收费全过程，简捷方便。

一是采用远程自动抄表技术，欧洲有专为热量表设计的总线系统M．Bus，而且拥有十年以上和在欧洲国家几百万个点使用的成功经验，技术相当成熟，国际上已为其制定应用标准ISO／CD30／SC7[2]。

这种测量方法的特点是，理论上测量准确，价格适中，但是安装比较复杂，小流量时对于流量传感器的要求比较高。

（2）通过测定用户散热设备的散热量来确定用户的用热量。

该方法是利用散热器平均温度与室内温度差值的函数关系来确定散热器的散热量。

该方法采用的仪表为热量分配表，它并不能测量出每个散热器的具体散热量是多少，只能测量出散热器散热量与其他散热器散热量的相对多少，因此它要和热量表配合使用。

与热量表相比，热分配表计算相对复杂；测量结果的影响因素较多，不宜于批量生产和大范围推广。

（3）通过测定用户的热负荷来确定用户的用热量，该方法是测定室内外温度并对供暖季内的室内外温差累积求和，然后乘以房间常数（如体积热指标等）来确定收费。

该方法采用的仪表为测温仪表。

但有时将记忆散热器温控阀的设定温度作典型室内温度，某一基准温度作室外温度。

该方法的特点是：

安装容易，价格较低。

但由于遵循相同舒适度缴纳相同热费的原则，用户的热费只与设定的或测得的室温有关，与实际用热量无关，因此开窗等浪费能源的现象无法约束，不利于节能。

（4）目前正在研发一种计量装置，即通过计量温控设备的开启时间（通断阀）及室内温度（也可设定），并依据散热器尺寸、类型等修正来确定各户用热量的分配。

该方式价格低，易于安装，如果考虑经过散热器的平均水温度影响，其准确度较高，目前正处于试验研究阶段[3]。

1.2.2国内热量计的发展状况

我国热量表的研究始于上世纪90年代，一方面认真学习借鉴国外成熟的先进技术，一方面针对中国国情做了大量的自主开发的努力。

从1990年，热量表专用电路模块被列入国家“七五”科技攻关课题，由有关单位研究仿制开始；到1992年国家技术监督局和国家法制计量组织单位中国秘书处翻译出版OIML—R75国际建议《热能表》；1994年以后，一些中小型企业自发的开始了开发工作，到2001年，国家参照欧美热量标准EN1434和国际法制计量组织的R75号国际建议，建立起自己的热量表行业标准（CJ128-2000），直到今天全国已有许多厂家在开发或批量生产热量表，其中江苏环能工程有限公司、大连天正热能自动化设备有限公司、清华同方股份有限公司等企业先后开发出独具特色的户用热量表，并具备了一定的规模，在实际中得到了应用。

目前，我国生产的户用型热量表，从功能上主要分为以下几种：

普通计量型、智能通讯型和预付费型热量表，其中前两种类型的国外产品很多，对国内的热量表产品的开发研制起到很好的借鉴作用。

在热量表发张的过程中，中国走出了一条有引进到创新的道路，使中国的供暖热量计量逐步的跟上了世界的轨道，但是中国的供热系统提出了比欧洲更苛刻的要求：

一方面是部分地区供暖管道内水被盗用的现象严重，造成了热量的损失和计量的难度。

另一方面我国的供暖基础设施存在这水质差、杂志多、管道系统停运时空置，造成结垢、氧化及腐蚀等问题。

同时，中国现在正使用的热量计仍然存在这许多的技术问题，长期使用的可靠性仍待时间的证明，由于中国国情的特殊性，中国的热量计市场在未来很长一段时间内会保持这很大的需求量，因此研制低成本、适合中国国情、符合国际和中国标准的热量计是十分必要的。

1.3本文研究的主要内容

热量表是一种以单片机和高精度传感器为基础，包含机械、电子和信息技术的高科技产品。

它比建筑业过去已普遍使用的户用计量表——水表、电表、煤气表有更复杂的设计和更高的技术含量。

正因如此，它的研制、开发、生产、测试、校准及产业化等到都需要相当多的技术投入与资金投入[4]。

本文主要是结合国内外实用的热量计量技术，研究出符合中国国情的、成本低、适用范围广的热量计量表。

具体的设计如下：

（1）测量原理的选择。

热量表的测量原理主要是热力学工程热量计量的原理、温度传感器的测温原理、流量传感器的测量原理以及整个热量测量的工作原理等几部分组成。

通过比较我们将会选择出合适的测量公式，进而选择出合适的传感器、微处理器等硬件。

（2）硬件及其电路的选择和设计。

通过我们的热力学热量计量公式我们可以选择出满足我们设计要求的传感器、放大电路、A/D转换芯片、单片机、数据存储器、LED显示及其接口芯片、复位电路、晶振电路、电源电路等。

在选择电路及其原件的时候我们会充分考虑到我们的设计要求，尽量满足成本低、测量准、可靠性高、安全性好的设计原则。

（3）软件的编辑和测试。

通过软件的运行控制整个系统中各个元器件的正常运行，并且保证各个元器件的使用安全。

（4）在设计中遇到的问题以及解决方法，同时对于热量计的发展进行展望，预测热量计的发展趋势及其建议。

第二章热量计量系统的设计

2.1热量计量数学模型

按照中华人民共和国城镇建设行业标准《热量表》CJ128-2000，热量计算公式如下：

（2.1）

式中：

Q——释放或吸收的热量（J或Ｗｈ）；

　　　ｑｍ——流经热量表的水的质量流量（Kｇ/ｈ）；　　

　　　ｑｖ——流经热量表的水的体积流量（ｍ３/ｈ）；

　　　ｐ——流经热量表的水的密度（Kｇ/ｈ）；

　　　△h——在热交换系统的入口和出口温度下，谁的焓差（J/Kｇ）；

　　　ｔ——时间（ｈ）；

在热量计算公式中，（2.1）两个公式决定了两种不同的流量测量方法：

一种是质量流量测量（焓差法）；一种是体积流量测量（热系数法）。

质量测量的方法容易受到流体的腐蚀性、粘稠度等水质的影响，不适合中国的供暖条件的应用。

在这里我们选用体积测量的方式来实现热量的准确测量，一次上边的公式也可以表示成（2.2）形式：

（2.2）

式中：

V——载热液体流过的体积（m3）；

θf——热交换回路中载热液体入口处的温度（0C）；

θr——热交换回路中载热液体出口处的温度（0C）；

K——热系数，它是载热液体在相应温度、温差和压力下的函数（J/m30C或KW·/m30C）；

通过（2.2）公式我们可以看出，在这里流量传感器的的选择不仅决定了测量的准确性，而且直接关系到测量数据计算的复杂程度。

通过公式我们可以看法出当我们选择的流量传感器为将流量转换成脉冲信号的时候，热量计量公式可以变换为（2.3）的形式，大大的缩减了计算的工程量。

（2.3）

式中：

Q——释放或吸收的热量（J或Ｗｈ）；

V——热液体流过的体积（m3）；

△T——进水温度与回水温度的差（0C）；

K——热系数，它是载热液体在相应温度、温差和压力下的函数（J/m30C或KW·/m30C）；

2.２热量表的总体结构

2.2.1热量计量系统的基本框架及组成

图2-1　热量表的系统框图

热量表的核心结构是一个微处理器，它的作用主要是数据采集、处理、显示和电源、电磁阀开关的控制，这个系统的其它组成部分还包括传感器、信号放大电路、A/D转换电路、LED显示器、键盘及键盘电路、电磁阀及其驱动电路、数据存储模块、时钟控制电路、复位电路等组成。

系统框架如图2-1。

2.2.2温度传感器的选择及测温原理

2.2.2.1温度传感器的选择

温度传感器就是将外界的温度信号转换成电信号的器件，它的种类比较繁多，但是总体而言，我们常用的只有两大类：

一种是热电偶式温度传感器；一种是热电阻是温度传感器。

（1）热电偶式温度传感器是利用两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生热电势的原理进行温度测量的。

（2）热电阻温度传感器是利用电阻随温度的变化而变化的特性制作的测温元件。

在工业中应用最广是铂和铜，并已制作成标准测温热电阻，很大程度的方便了我们的应用，并且价格比较低、准确度高、性能稳定、应用范围广，因此我们选择典型的热电阻温度传感器pt100本设计系统的温度传感器。

2.２.2.2PT100的工作原理

PT100是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在-200℃至650℃的范围，而供暖的温度范围为30摄氏度到60摄氏度，并且PT100在这段温度范围内的线性度较好，符合我们的设计要求。

在温度为0℃——650℃的范围内，铂电阻的阻值与温度的关系如公式（2.4）

（2.4）

式中：

Rt——温度为t℃时的温度；

R0——温度为0℃时的温度；

a、b——分度系数，

/℃，

/℃；

2.２.3流量传感器的选择及测量原理

2.2.2.1流量传感器的选择

有2.1节我们分析得到体积流量测量应用比较广泛，并且误差较小。

而常用的流量测量传感器有如下几种：

（1）叶轮式流量计。

它是通过叶轮的转速测量热水的流量。

转速通常是通过磁耦合的方式传递给计数器的，它对水质的要求比较比较高。

如果水中含有的杂物过多就会叶轮的正常运转，影响测量的准确性。

（2））超声波流量传感器。

它是通过波在水中的传输速度在顺水流和逆水流的方向不同而求出热水的流速，进而计算出热水的流量。

理论上它的测量精度较高，但在实际应用中由于安装的问题，往往会导致与理论有很大的差距，并且现在使用超声波的价格比较昂贵，不适于大范围的推广。

（3）涡街流量计。

涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体,游涡的速度与流体的速度成一定比例，从而计算出体积流量。

它运行时会产生噪音，而且要求流体具有较高的流速，以产生旋涡。

（4）电磁式流量计。

它是按法拉第定律测量热水的流量，与超声波⋯样，其内部也没有任何可动部件。

但是它的结构原理复杂、价格较高且通常要求交流市电供电，通常不适用于户用计量。

为了能够克服以上各种流量计的缺点，本文将采用先进的无磁流量计进行流量测量。

它是通过管道中的流体推动叶轮不断地旋转，其转速直接决定于流体的流速。

此机械转动信号经一种无磁非接触式传感器将其转化为脉冲信号送至微处理器，同时计算出流体流量的。

它克服了运行中的噪声、磁场不稳定的缺点，并且能够长久可靠的使用。

2.2.2.2流量传感器的工作原理

RC阻尼振荡无磁式流量测量方法基本原理如下：

叶轮上方固定一个同轴的转盘，转盘的一半敷有铜或其他有阻尼性的金属。

把一个谐振回路中的电感置于叶轮的上方可以检测到转盘的转动，由电感在叶轮上方的位置决定了谐振回路的阻尼系数，电感位于两个不同区域时，将会产生两种不同衰减。

使之分别输出0、1信号，则叶轮转过一圈就相当于产生一个波形信号，对该信号进行计数便可以实现对转动的测量。

该方法的关键在于两点：

首先要控制好激励脉冲的周期，过快则可能区分不出衰减度，过慢则可能产生漏计圈数。

实际上叶轮的转速总是有一个限制的，一般不会超过20r／s，对于单片机系统的工作频率来说，这点完全可以满足计量的要求。

其次，要选取合适延时时间以区分阻尼和非阻尼的两种衰减，使无阻尼时，输出1信号，有阻尼时输出0信号．这和实际阻尼系数的大小、激励脉冲的幅度、频率都有关，需要经过实验来最终确定。

如今国内在这方面已经有很多成熟的模块实现无磁流量测量，利用这些模块可以直接将叶轮的转动信号输出为脉冲信号。

本设计选用的无磁流量计配套Yx-2型电感式无磁模块。

第三章硬件及其电路的设计

3.1传感器及其电路　

3.1.1温度传感器及其电路

有公式（2.4）得到，在工作温度为30℃——60℃的范围内，PT100的阻值变化并不是很大，因此在使用PT100时如何精确测量阻值的微小变化是温度测量的关键。

实现PT100的微小电阻的测量的方法有如下两种方法：

（1）强迫恒定电流通过传感器，通过测量传感器两端的电压，从而确定传感器电阻。

所以这种方法对于电流源的要求很高，不易实现。

（2）利用惠斯通电桥的原理，把铂电阻传感器作为电桥的一个桥臂。

电桥可以消除铂电阻在测温下限时自身电阻的影响，并且输出信号反映的只是电阻值的变化量，这样可以有效的利用A／D转换器，提高测量精度。

因此在本文我们采用的是电桥的作为信号的转换电路。

电路连接如图3-1。

本次设计的电路如图2所示。

在电桥电路中PT100在0℃时的电阻为8K，所以决定了与之对应的R1＝R2=R3＝8K。

当温度为0℃时，RPT=1K，电桥输出为0.随着温度的升高，输出电压将随着铂电阻阻值变大而增加。

由于我们所测量的温度工作范围为30℃——60℃，PT100的电阻的阻值范围为

，所以电桥的输出电压为：

。

通过理论计算我们得到，输出的电压值较小，不容易测量和计算，因此我们需要放大电路进行电压信号的放大。

图3-1电桥电路

由于常用的芯片大多是5V的，所以我们选择放大电路时可以考虑到放大后的电压<=5V,因此我们可以次用图3-2所示的放大电路，放大倍数为200倍，并且放大后的电压范围为：

，符合设计的安全、可靠的要求。

放大电路如图3所示。

图3-2信号放大电路

3.1.2ADC0809介绍

有传感器测得到电信号为模式信号，微处理器进行计算时使用的是数字信号，在这里需要我们把模拟信号转换成数字信号，本文选用的就是价格低，技术成熟的ADC0809进行信号的转换。

1、ADC0809的主要特性

1）8路8位A／D转换器，即分辨率8位。

　　2）具有转换起停控制端。

　　3）转换时间为100μs

　　4）单个＋5V电源供电

　　5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

　　6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度

　　7）低功耗，约15mW。

2、内部结构

　　ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近。

3、外部引脚（如图3-3）

IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

　　2-1～2-8：

8位数字量输出端。

　　ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路

ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

　　START：

A／D转换启动信号，输入，高电平有效。

　　EOC：

A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

　　OE：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

　　CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

图3-3ADC0809芯片管脚

　　REF（+）、REF（-）：

基准电压。

　　Vcc：

电源，接＋5V。

　GND：

接地。

4、工作过程

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

3.1.3流量传感器及其电路

本设计选用的无磁流量计配套Yx-2型电感式无磁模块。

它是一个由模拟和数字逻辑电路构成的信号检测电路，是专门针对目前大部分模块都不具备抗磁能力而设计的。

使用该模块不需要再附加任何其它防磁手段就可以抵抗静磁干扰。

同时，该模块具有低功耗、低价格、高可靠性、能够适应供热系统的高温和富含铁锈等杂物的恶劣水质的影响。

且采用防水防潮的全密封设计、单电感线圈形式、模块与线圈分离、安装调整方便。

其技术指标为：

工作电压：

2.7V--一6V

工作电流：

5μA

检测频率：

60r／s

输出脉冲：

3V方波

图3-4流量传感器电路

流量传感器的一个脉冲对应一单位体积（实验得0.03L/，脉冲）的水．采用计数器自动计量流量．到流量脉冲作为外部信号直接送计数器计数。

通过定时器定时，单片机每隔10秒启动一次测温电路，同时读取流量累计值，并进行热量的计算。

电路连接如图3-4所示。

3.2单片机AT89C51介绍

在本文中我们使用的是新型单片机中的AT89C51单片机，单片机的各个管脚（如图3-5）及其功能如下所示：

VCC（40脚）：

接+5V电源正端。

VSS（20脚）：

接+5V电源地端。

XTAL1（19脚）：

接外部石英晶体的一端。

在单片机内部，它是一个反相