家用热量表系统设计.docx
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家用热量表系统设计
绪论
1.1研究的目的及意义
新中国成立以来,供热事业有了很大发展,对国家经济建设、提高人民生活水平和改善环境发挥了重要作用。
当前由于我国建筑物的保温隔热和气密性能很差,供暖系统热效率低,至2000年,全国城市建筑耗能将占能源生产总量的14%,单位住宅建筑面积采暖能耗为相同气候条件下发达国家的3倍[1]。
在社会生产力不断发展的今天，能源紧缺已经成为各个国家越来越突出的问题。
所以能源合理有效地使用已经成为我国相关部门管理的重要内容之一[2]。
随着社会主义市场经济体制的逐步前进，我国供热体制正在发生改变。
供热企业与用户之间的关系己逐渐变为供暖部门与业主之间的商品买卖关系[3]。
尤其随着“房改”和住房私有化后，现行的城市住宅供暖费用由企业全部承担的政策已不能适应当前形势的需要，住户对采暖方式有了自主选择的权利和自由。
这些都对传统的供暖计费方式提出挑战，这要求我们要设计以单片机为核心的新型智能热量表[4]。
2007年6月,国家发改委与国家建设部又联合制定了关于《城市供热价格管理暂行办法》。
办法中明确了用户、热力生产企业及传送企业之间按热量表收热费的要求。
这也就要求新建居民住宅要以户为单位分户做计量设计,分户施工并安装户用热量表,而之前所建的居民住宅要逐步实施改造,加装户用热量表。
同年10月,建设部又发布关于《热量表》城镇建设行业产品标准,规定此标准自2008年4月1日起正式实施[5]。
自从供热计量收费制度在全国开展以来,仅热量表每年的需要量就可达上百万套,中国热量计量仪表产业将是世界最大且最具潜力的产业。
所以,本课题的研究具有现实的经济意义和社会意义。
1.2国内外背景及发展现状
上世纪的70年代,针对热量表的发展,国外已经做了大量研究,迄今为止所积累的大量经验也表明,为了让人们得以自觉节能并形成习惯,行之有效的手段则是以户为单位,按户实际所耗热量来进行计费。
这种以按实际耗用热量向用户
收费的制度,平均可以节能约20%一30%[6]。
此时的热量表的技术也得到了飞速的提高,电子热量表应时而生,取代了早期的机械式热量表。
随着科技的进步,电子热量表已从早起的模拟积分式,发展到后来的电子数字积分式。
并且随着微处理器的发展和在热量表中的广泛使用,电子热量表己经呈现向智能化发展的趋势。
选择合适单片机，利用传感器及相关电路设计实现智能控制[7]。
1988年,世界上第一个国际性的热量表的标准文件——《OIML-R75国际建议热量表》由国际法计量组织公布[8]。
欧盟在1993年发布93/76/EEC指令,要求各成员国减少二氧化碳的排放量,提髙资源利用率,贯彻实施按实际消费热量计费等计划。
并且在1997年4月,正式通过了统一的热量表标准,标准代号为EN1434[9]。
经过几十年的实践和发展,国外的热量表,尤其是欧洲热量表的发展己趋于完善。
发展到现在更是出现以计算机语言控制智能热量表[10]。
从标准的制定,到热量表的研制,到设备的标定,欧洲各国都有一套成熟的方案,涌现出一些国际知名的大公司,如德国的西门子公司、丹麦的丹佛斯公司,以及法国的斯伦贝谢公司等。
这些公司生产热量表技术精湛,质量可靠,占据了欧洲的大部分市场份额,并开始逐步走向中国市场[11]。
与欧洲相比,我国的热量表研制工作起步较晚,最早可追溯到20世纪90年代。
1992
年,《OIML-R75国际建议热量表》在我国出版,这为我国的热量表的研制工作指明方向[12]。
1994年以后,一些中小型企业就开始自发地研制用户型热量表。
特别是在1997年,欧洲热量表标准EN1434发布之后,我国的热量表研制工作如火如荼的开展起来。
2001年2月5日,住建部发布了城镇建设行业标准《热量表》,即CJ128-2000,并于当年6月1日开始施行。
2001年12月4日,国家质检总局参照国际最新标准,发布了JJG225-2001《中华人民共和国国家计量检定规程-热量表》,并于2002年3月1日开始施行。
随着我国热量表技术的进一步发展,2007年10月15日,住建部又发布《热量表》标准CJ128-2007,并于次年4月1日始施行,同日废止《热量表》标准CJ128-2000。
《热量表》CJ128-2007在制定过程中参照了欧盟热量表标准的最新版本——EN1434-2007,主要技术内容与EN1434基本一致。
同时《热量表》CJ128-2007规定的内容还与热量表计量检定规程JJG-225相协调[13]。
这标志着我国热量表研制工作已经走上国际化
的道路。
中国的热量表技术近几年发展显著,但是我们依然要看到我国在热量表的研制上与国外发达国家还有很大的差距。
国外热量表产品无论测量精度还是可靠性上都明显优于我国产品。
目前国内设计生产的热量表以实验和仿制为主,自主开发能力比较薄弱,没有对热量表性能从基础理论方面进行系统深入的应用研究,热量表的设计与生产缺乏理论依据和指导[14]。
中国现在生产、经营热量表的企业主要代理国外产品,其价格因素制约产品普及,为尽快实现能量计费制度改革,函需研发适合我国国情的热能表[15]。
在过去几年里,据不完全统计,开发生产、销售并应用的热量表累计超过5000套的国产热量表生产企业有:
沈阳航发热计量技术有限公司,江苏环能工程有限公司,天津万华股份有限公司,延吉耐世康仪表有限公司等几家,远没达到市场要求规模。
因而研发、制造能科学、准确、符合国家相关计量标准的热能计量产品己迫在眉睫,本项目的研发针对国际先进产品的性能目标,通过合作企业的市场推广,将为我国热能计费改革做出一定贡献。
现在热量计的设计方案普遍以单片机为核心，通过传感器的设计，利用单片机基础知识，通过C语言编程实现控制,KeilC与Proteus的使用,最终实现热量表的设计[16]。
1.3热量表的原理
热量表其计量的原理可描述为：
将热量表安装于一热交换系统中,在水流流
温差,再结合水流所流过的时间,进行计算得出并显示此系统释放或吸收的热量。
热交换一般给出的基本公式如式（1-1）所示：
（1-1）
式中：
为热交换系统所释放或吸收的热量,单位为J或K;
为热交换系统中流经的水的质量流量,单位为kg/h;
为热交换系统中流经的水的体积流量,单位为
/h;
为热交换系统中流经的水的密度,单位为kg/
;
为在入口和出口温度下的热交换系统中水的烩值差,单位J/kg;
为时间，单位为h。
到目前为止,热量表的热量计量的方法可大致分为如下三种：
（1）直接焓差法
（2）分段式k系数法
（3）常系数焓差法
而本次系统中采用的是常系数焓差法,公式如式（1-2）所示：
（1-2）
式中
为定压比热容,
视为常数。
为流量,
则为温度差。
该方法计算简便,使得程序的计算量减小,计算速度大大加快。
1.4本文的的主要研究内容
①了解热量表及单片机系统相关原理
②熟悉热量表的信号采集过程及整个热量表计量系统。
户用热量表系统主要包括温度传感器、流量传感器和控制及信息处理电路，以及其它附属功能电路。
而控制及信息处理电路是整个系统的核心部分。
热量表的工作过程是由控制电路控制完成对温度传感器和流量传感器的温度和流量信息的采集，然后送信息处理电路处理，最后送屏幕（LCD）显示及完成其它功能。
③本次设计的思路是先确定此次户用热量表设计的总体方案，再具体分析各模块的设计流程，画出系统原理图，在KeilC编译器中进行程序的编写与调试，在Proteus软件中进行软件仿真。
2家用热量表系统整体设计
2.1热量表设计内容
家用热量表系统是集机电于一体的系统,热量表的设计要完成通过温度传感
器获得温差信号,通过流量传感器获得流量数据,然后经过微处理器计算得出热量数据,并且通过微处理器的控制作用,来完成诸如传送LCD至显示、出错报警和向微机发送热量数据等功能。
本次设计以实现信号采集、信息处理、数据存储和数据显示为主要目的;以信号检测,信号处理、数据显示、数据存储与传输为主要设计内容。
解决方案如下：
（1）在信号检测方面运用高精度的温度传感器和流量计,对热交换系统中的进水口温度和出水口温度分别进行温度采集，水的流量信号进行采集;
（2）在控制和信息处理及信息显示方面,选择P89V51RD2单片机和LCD，测得信号通过单片机来进行热量计算。
（3）利用液晶显示器LCD对系统释放或吸收的热量等数据进行显示，与PC机进行数据传输,实现远程抄表与计费。
（4）具体分析各模块的设计流程，画出系统原理图，在KeilC编译器中进行程序的编写与调试，在Proteus软件中进行软件仿真。
2.2系统的总体结构
系统总体结构设计如图2-1所示，包含微处理器，LCD显示控制，掉电记忆，温度传感器，流量传感器，PC远程抄表与计费等六个模块。
2.3系统各部分设计方法
（1）进水与回水温度检测
由热量表的热量计量原理可知,计算热量首先必须得到一个热量差，分别检测进出水口温度，从而得出温差。
本次设计中,采用的是热电阻式传感器进行温度检测,它通过单片机按一定的时序将进水温度数据和出水温度数据分别读取出来,经过单片机处理后得到温差数据,为单片机计算热量数据做好准备。
（2）水的流量检测
同样依据热量表的热量计量原理,得到热量数据的另一个前提是需要获得流
量信号,即流进进水口,经过散热器从出水口流出的所耗液体的数量,该数量可以是体积也可以是质量。
本次设计采用机械式流量传感器。
（3）LCD液晶显示
人机交互的最主要途径便是液晶显示。
我们用户通过液晶显示的温度以及热量数据,就可以很方便地了解已用热量以及进出口水温度等情况,同时显示也可以方便抄表人员人为抄表并计费。
通过液晶显示屏可以直观地观察热量表的工作情况,实现人机的交互功能,从而使热量表更加人性化。
（4）与pc机通信
远程自动抄表方式实现的重要基础之一是如何建立智能计量表与中央控制计算机之间的通讯,M-BUS作为远程表读取而制定的接口标准,对于热量表自动抄表及楼宇自动化事业及相关应用有着极大的意义。
目前我国建设部正在推广三表合一。
而且在我国冷热计量迅速发展背景下,M-BUS具有远程供电及自由拓扑等优点,应大力推广。
本系统数据通讯采用的是基于M-BUS总线结构通讯方式。
2.4本章小结
本章详细介绍了基于单片机的智能热量表系统的总体结构设计,其中详细叙述了智能热量表系统、热量表中微处理器的特性及功能模块、流量的测量、温度的测量及远程抄表系统,同时阐述了本系统对计量方法的选择,、温度传感器、流量传感器等的选型,及远程抄表方式的选定。
3热量表各部分模块设计
3.1温度检测模块
常用的温度传感器有热电阻式、热敏电阻式和集成温度传感器等,它们各有独自的特点。
热敏电阻温度传感器是以金属导体制成的热电阻作为感温元件,灵敏度高、体积小、热惯性小、价格低、但非线性严重、稳定性较差、有老化现象、参数一致性较差、一般用于温度补偿或精度不高的温度测量，集成温度传感器是半导体集成电路,线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便、应用广泛,但对量程和时间的稳定性较差,无法满足长期温度测量的精度要求而热电阻式温度传感器是电阻式温度传感器,具有较高的测量精度和灵敏度,便于信号的远距离传送,适宜于低、中温度测量。
热电阻式传感器能较好的用于计费系统,本系统温度传感器采用热电阻式。
在热电阻式温度传感器中,主要有铜电阻、铂电阻和镍电阻温度传感器。
铂电阻Ω有很好的稳定性和测量精度,测温范围宽,性能可靠,但价格较贵铜电阻的电阻值与温度的关系是线性的,电阻温度系数也比较大,价格较便宜,但电阻率低,易于氧化,只适用于温度不高,对传感器体积无特殊要求的场合。
因此选用铂电阻温度传感器,在0-85
范围内铂电阻的计算公式为
（3-1）
式中：
温度为0
时的电阻值，Ω
温度为t
时的电阻值，Ω
A常数3.96847
/
B常数-5.847
/
现有计量装置大多采用的是Pt100（0℃时电阻即
为100）或Pt500（0℃
时电阻即
为500）型铂电阻温度传感器。
当铂温度传感器的引出导线的电阻为1Ω时,可能带来1
至0.2
的误差；当使用Pt100或Pt500型铂电阻温度传感器时,必须严格规定许可导线长度。
本次热量表系统采用Pt1000（0℃时电阻即
为1000）型温度传感器,相同的电流偏置下,Pt1000的信号电压增加了2-10倍,相同长度的导线电阻可能引起的误差减少到0.1
至0.2
以下。
3.2流量传感器的选择
常用的流量传感器主要有电磁及超声波流量传感器、机械式流量传感器和压差式流量传感器。
超声波流量传感器采用非接触式测量流量,使用寿命长,但通常测量超声波在顺流与逆流中的传播速度差而且造价太高，电磁流量传感器一般测量导电性流体流量,受流体介质影响大,精确度不高；差压式也称节流式流量传感器，利用流体流经节流装置时产生的压力差实现流量测量,常用于工业生产中本系统采用机械式流量传感器。
机械式流量传感器也称叶轮式流量传感器从叶轮形式分成单束旋翼式、多束旋翼式、垂直螺翼式、水平螺翼式、涡轮式,机械式流量传感器价格便宜、维修方便、对工作条件的要求相对不高,现在世界以上的集中供热供冷计费系统的流量计装置采用的都是机械式流量传感器。
本次智能热量表系统采用无磁传感方式。
无磁法的原理是：
阻尼振荡电路由电感和电容组成,电感下方为旋转叶轮,其上有半圆形金属膜片,当叶轮旋转时,电感产生有阻尼和无阻尼振荡,借以产生计数信号,以实现流量的测量。
其特点为：
微功耗,维持电池寿命超过10年,二个振荡线圈,辨别叶轮转向,可用于冷热表叶轮无磁铁,不受介质水锈影响。
3.3液晶显示LCD选择
LCD液晶显示器目前已广泛应用于通讯电子设备、仪器仪表等多个低功耗应
用系统中,它具备功耗低、体积小、显示内容多样、超薄易携带等诸多优点。
字符型液晶显示器是一种用5×7点阵图形来显示的液晶显示器,可以根据显示的容量不同分为1行16个字、2行16个字以及2行20个字等。
最常用的是2行16个字,本次热量表系统设计中采用的液晶模块1602即为2行16个字的液晶显示器,其主要特点是显示操作简单,且价格低廉。
3.4掉电记忆模块
AT24C04是一款基于IIC串行传输的可擦除和可编程只读存储器,其内部含有512个字节（8bit/字节）的数据容量。
采用的CATALYST公司先进的CMOS技术实质上是减少了器件的功耗,AT24C04内部还有一个16字节页写缓冲器。
该器
件通过IIC总线接口进行单字节读写操作或者多字节读写操作来提高读写的效率,另外,它还具有专门的写保护功能,是通过引脚电平的高低来实现。
通过器件
地址的输入端A0、A1和A2可以实现最多将4个AT24C04器件连接到总线上。
AT24C04此器件是支持IIC总线数据传送协议的,在IIC总线协议中规定有,作为发送器的是那些将数据传送到总线的所有器件,而可以作为接收器的则是从
总线接收数据的所有器件。
其中用来控制数据传送的是产生串行时钟以及所有起
始与停止信号的主器件。
3.5单片机的选择
P89V51RD2是Philips公司生产的一款80C51微控制器，包含64KBFlash和1024字节的数据RAM。
P89V51RD2的典型特性是它的X2方式选项。
利用该特性，设计者可使应用程序以传统的80C51时钟频率（每个机器周期包含12个时钟）或X2方式（每个机器周期包含6个时钟）的时钟频率运行，选择X2方式可在相同时钟频率下获得2倍的吞吐量。
从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半来保持特性不变，这样可以极大地降低EMI。
Flash程序存储器支持并行和串行在系统编程（ISP），ISP允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。
应用固件的产生/更新能力实现了ISP的大范围应用。
5V的工作电压，操作频率为0～40MHz。
3.6本章小结
本章节具体分析了户用热量表系统的五个模块,即温度传感器进水口与出水口、流量传感器、微控制器、掉电记忆、液晶显示等,分别选出适合系统各模块功能实现的器件。
4系统硬件电路设计
4.1温度检测模块电路设计
下图4-1中所示为作为进水口和出水口温度传感器,与单片机的连接电路原理图
图4-1PT1000与单片机连接
控制器对PT1000操作设计流程图如图4-2所示
图4-2控制器对PT1000的操作流程
Voidread_onetemp_In（unsignedchar*datTm）
{
Onewire_Init_In（）;
Onewire_writebtte_in（0xCC）;
Delay_Xms
（2）;
PT1000_memcmd_in（0x44）;
Delay_Xms（3）;
Onewire_Init_In（）;
Onewire_writebyte_in（0xCC）;
PT1000_memcmd_in（0xBE）;
PT1000_ReadDat_in（2,datTm）;
}
4.2流量检测模块电路设计
本次设计方案流量计与单片机连接如图4-3所示
图4-3流量传感器与单片机连接
微控制器读取程序代码如下：
VoidCounter（void）
{
If（TF0==1）{
TH0=0x00;
TL0=0x00;
N=0xFF;
}
Else{
N=（TH0<<8/TL0）;
TH0=0x00;
TL0=0x00;
}
TR0=1;
}
4.3单片机P89V51RD2电路模块设计
P89V51RD2引脚图如图4-4：
图4-4P89V51RD2引脚图
微控制器P89V51RD2在系统中主要实现热量的计算和发送热量数据的功能。
voidCalculater（void）
{
UnsignedintT;
T=（（（datin[1]&&0x07）*256+datin[0]）-（（datout[1]&&0x07）*256+datout[0]））;
If（（（datIN[1]&&0x07）*256+datin[0]）<（（datout[1]&&0x07）*256+datout[0]））
T=0;
Q+=（2625*N）*T/289;
If（Q>=4294900000）Uart_send=1;
ElseUart_send=0;
}
4.4最小电路设计
单片机系统是典型的数字时序电路,单片机工作的前提条件就是要满足最小系统硬件电路的连接,这样对单片机进行植入程序,对最小系统进行供电,那么单片机就可以工作,可以完成一定的任务。
单片机的最小系统应包括晶体振荡器电路和有效的复位电路,本设计最小系统见下图4-5所示。
4-5
图4-5最小系统图
4.5LCD模块设计
1602字符型LCD液晶显示器通常有14条引脚线或者16条引脚线,而多出来的条线为背光电源线。
其引脚图如图4-6所示。
图4-6LCD引脚图
本次系统设计过程中,在系统上电启动时设计了会显示制作人的姓名这一步骤,其程序代码为：
Voiddwq（void）
{
UnsignedcharX[14]=（“do:
duweiqi”）,a=0x80,i;
WriteCommandLCM（0x01,1）;
For（i=0;i<14;i++,a++）{
Display_Lcd（X[i],a）;
}
For（i=0;i<100;i++）{
Delay_Xms（4）;
}
WriteCommandLcm（0x01,1）;
}
LCD与单片机连接如下图4-7所示
图4-7LCD与单片机连接
4.6掉电保护模块设计
AT24C04器件的管脚配置如下图4-8所示
图4-8AT24C04引脚图
本设计中单片机可实现将热量数据送至EEPROM中保存进行掉电保护的功能,即主要设计热量存储和热量读取。
VoidHeat_store（unsignedlonggao）
{
Unsignedcharmidnum[4]={0,0,0,0};
Unsignedcharjudge,i=3;
midnum[0]=gao%256;
midnum[1]=gao%65536/256;
midnum[2]=gao%16777216/65536;
midnum[3]=gao%16777216;
RT:
judge=IICwrite（0,midnum,4）;
If（judge==0&&i>0）{i--;gotoRT;}
}
Unsignedlongheatget（void）
{
Unsignedcharheat[4]={0,0,0,0},judge1,j=3;
Unsignedlongback;
WT:
judge1=IICRead（heat,0,4）;
If（judge1==0&&j>0）{j--;gotoWT;}
back=heat[3]*16777216+heat[2]*65536+heat[1]*256+heat[0];
return（back）;
}
4.7电平转换电路
电平转换电路：
在不同的数字系统中,其电平标准是不同的。
该系统中就包括了TTL电平标准和RS-232电平标准,要实现两个标准的正常通信,必须进行电平转换。
由于RS-232信号电平与MCS51型单片机信号电平不一致,在串行通信的接口电路中选用MAX232CPE芯片作为信号电平转换芯片,实现TTL电平和RS-232接口电平之间的转换。
一片MAX232CPE芯片可完成2路电平转换。
其与单片机连接图如图4-9所示
图4-9MAX232与单片机连接图
程序代码：
If（Uart_send==1）
{
Send_Q（Q）;
Uart_send=0;
Q=0;
}
4.8电路原理图设计
随着电子技术的飞速发展,新型电子器件和集成电路的应用日趋广泛,电路复杂程度也越来越高。
因此通过计算机进行电子电路的辅助设计成为设计制作电路板的一个基本手段。
电路原理图的设计过程一般可以按图4-10所示的设计流程进行。
本次设计的系统整体电路原理图如图4-11所示。
图4-10电路原理图设计流程
图4-11系统整体电路原理图
4.9本章小结
本章节具体分析了家用热量表系统的六个模块,即温度传感器进水口与出水口、流量传感器、微控制器、掉电记忆、液晶显示和pc机远程读数等,分别选出适合系统各模块功能实现的器件,针对本设计中所需要的相关性能进行相应的模块设计,绘制出其与微控制器的连接接口电路,最后运用软件做出家用热量表系统的整体电路原理图。
5系统软件设计及仿真
5.1系统总体设计方案
本次设计的热量表系统的软件部分主要包括有温度读取、流量读取、液晶显示、读写以及PV89V51RD2串口数据发送五个部分,而且整个系统都集成在一个工程中。
其中,对于LCD的操作和EEPROM的读写,均需有非常严格的时序要求。
而为了防止中断破坏时序,造成影响,且本次设计中也确实没有非用中断的需要,所以软件中关闭了单片机的中断系统。
主程序流程图如下图5-1所示
Y
N
N
Y
图5-1主程序流程图
5.2初始化模块设计
系统初始化流程如图5-2所示。
下面主要讲述各个初始化部分的程序设计
图5-2初始化流程图
（1）看门狗初始化
看门狗设置的主要目的是防止程序跑飞,其原理是：
看门狗定时器设定一定的时间,此段
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