课程设计（论文）-住宅暖气热量计量系统设计.doc

住宅暖气热量计量系统设计学院： 班级：测控技术与仪器 班学号： 姓名： 摘要我国传统的暖气收费标准是根据公寓与面积进行收费，这种方式存在许多不合理因素。为解决这一问题，利用热量计对公寓暖气热量进行计量进行收费，这一系统主要由51单片机、流量传感器、温度传感器组成。该系统组成简单，实现了对暖气热量的测量，同时利用数码管进行显示。热量计是实施城市供热体制改革，推行按热量收费的关键设备，对热量的消耗全部智能计算，以用户实际耗用的热量为计量收费依据。热量计作为热力公司向每一位住户收费的依据和手段，不仅已广泛被用户所接受，而且由于用热量与费用直接相关，也加强了住户的节能意识。用热量计进行热计量更为科学、合理，既方便用户，又便于管理。关键词：热量计 单片机 温度传感器 流量传感器第一章 系统原理1.1热量计算原理热量计的主要任务是通过计量流过热量计的热水体积、流进温度、回水温度，来计量该公寓消耗的热量。在时间内，热载体带入系统的的热量是比焓和质量流量的函数： （1-1）其中，是温度为时的比焓值： (1-2)其中，是一定压力下的比热容系数，它是温度的函数。在时间内，热载体释放啊能量为： (1-3)系统的耗热量是由输入、输出能量差军定的，即： （1-4）式（2-4）就是由理论推导出的热量计精确计热原理的数学模型。在实际应用中，无法象理论那样进行精确计算，只能用乘积代替积分、用温度代替焓变来近似计算热载体带走的热量总数。通过的热载体体积可以由流量计测得。流量计的脉冲数量与流经热水体积成正比，即： （1-5）其中为脉冲个数， 为流量计的系数。因此可以通过下面的公式计算： （1-6）如果把和视为恒量，那么可以写成如下形式： （1-7）由此可知，要计算公寓热量，必须测量进入和流出的水的温度差。但还必须知道此过程有多少水放热，因此必须测得此时可得热水的瞬时流量，然后把他和温度差相乘，就可得到这一时刻热水释放的热量。再用自动累加的方式随时把用户消耗的热量加在一起，就可计量出消耗的热量总数。当热水以一定温度从进水管流入一个热交换器（散热片、换热器等），公寓在通过热交换获取热量的同时，热水便以较低的温度从回水管流出。一段时间内公寓所消耗的热量为所供热水的流量和回水的温度差的乘积对时间的积分，热量计就是留用这个原理工作的。其计算公式简化为： （1-8）式中：为吸收的热量，为热焓系数，为进回水温差，为热水体积瞬时流量。实际测量时，当测量的时间间隔很小时，水温变化很小，可以近似认为恒定，从而积分式转为求累加和1.2热量计硬件原理框图涡街流量计进水温度传感器出水温度传感器差动放大ad转换器mcs-51数码管显示图1-1 热量计原理框图热量计硬件原理框图如图1-1所示，热量计主要有流量传感器、配对温度传感器、单片机、显示部分组成。根据一定时间内所通过的水的流量和进回水的温度差，以及温度所决定的热交换算系数，得到消耗的热量值。第二章 硬件电路设计2.1温度测量硬件设计温度测量电路由温度传感器（wzp-01rl）、差动放大器（ad620）和adc转换器（ad1674）组成。2.1.1温度传感器wzp-01rl是pt100热电阻，测量范围在-50150。wzp-01rl 温度传感器是为供热暖气热量积算仪配制的专用温度传感器。特别适用于室内测量暖气进水，回水的温度。 表2-1 pt100阻值温度对照表温度0102030405060708090100阻值100103.917.79111.7115.5119.4123.2127.1130.9134.7139.5pt100电阻与温度的关系可见表1-1，由此可看出pt100有很好的线性度，并得出图2-1图2-1 pt100热电阻分度图利用excel函数拟合功能可得出线性函数： （2-1）其中为pt100的电阻值，为即时温度。wzp-01rl接到电桥上，分别安装在管路系统的入口和出口，采集系统内介质的温度并送出温度信号，测温电桥如图2-2。当温度发生变化时，wzp-01rl的阻值改变，从而使电桥的输出电压发生变化，值经放大器放大adc转换所得值代表了温差的大小。图2-2 测温电桥若设，容易得出 （2-2）通过式（2-1）容易得出 （2-3）将式（2-3）代入式（2-2）中很容易得出与间的关系，即： （2-4）与间呈线性关系。2.1.2差动放大电路ad620是低价格、高精密度仪器放大器。它只需一个外接电阻，就能方便地进行各种增益(11000)的调整。该芯片具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点，在电池供电的便携式设备、精密的数据采集系统、ecg和医疗仪器、传感器接口、工业过程控制、多路转换应用系统、称重和微控制器应用系统中的前置放大器等领域中获得广泛应用。差动放大电路如图2-3。图2-3 差动放大电路2.1.3adc转换电路选用ad公司生产的逐次逼近式模数转换芯片adl674，adl674是美国ad公司推出的一种完整的12位并行模/数转换单片集成电路。该芯片内部自带采样保持器(sha)、lo伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器。与原有同系列ad574a/674a相比，adl674的内部结构更加紧凑，集成度更高，工作性能(尤其是高低温稳定性)也更好，而且可以使设计板面积大大减小，因而可降低成本并提高系统的可靠性。图2-4、图2-5分别是adl674在全控工作模式下的转换启动时序和读操作时序。转换启动时，在ce和cs有效之前，r/c必须为低，如果r/c为高，则立即进行读操作，这样会造成系统总线的冲突。一旦转换开始，sts立即为高，系统将不再执行转换开始命令，直到这次转换周期结束。而数据输出缓冲器将比,sts提前0.6us变低，且在整个转换期间内不导通。图2-4 转换器时序图2-5 读操作时序在系统中，采用ad1674的8为模式，参考电压为10v，ad1674控制命令字如表2-2，adc转换电路见图2-6。 表2-2 ad1674控制命令字 cecsr/c12/8a0执行操作0无操作1误操作1000启动12位转换1001启动8为转换1011允许12位并行输出10100允许高8位并行输出10101允许低4位并行输出图2-6 adc转换电路见2.1.4温度测量电路图2-7是温度测量电路，采用电桥测温法，ad620差压放大器，adl674进行a/d转换。图2-7 温度测量电路2.2流量测量电路2.2.1流量测量原理lugb型涡街流量计是根据卡门（karman）涡街原理测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计，并可作为流量变送器应用于自动化控制系统中。该仪表采用先进的差动技术，配合隔离、屏蔽、滤波等措施，克服了同类产品抗震性差、小信号数据紊乱等问题，并采用了独特的传感器封装技术和防护措施，保证了产品的可靠性。产品有基本型和复合型两种型式，基本型测量单一流量信号；复合型可同时实现温度、压力、流量的测量。每种型式都有整体、分体结构，以适应不同的安装环境。涡街流量计是由旋涡发生体、检测探头及相应的电子线路等组成。当流体流经旋涡发生体时，它的两侧就形成了交替变化的两排旋涡，这种旋涡被称为卡门涡街。卡门涡街的频率与流体的流速成正比。 式中: f 涡街发生频率 (hz)v 旋涡发生体两侧的平均流速(m/s)st 斯特罗哈尔系数（常数）图2-8 涡街流量计工作原理示意图这些交替变化的旋涡就形成了一系列交替变化的负压力，该压力作用在检测探头上，便产生一系列交变电信号，经过前置放大器转换、整形、放大处理后，输出与旋涡同步成正比的脉冲频率信号（或标准信号）。2.2.2流量计电路脉冲输出型涡街流量传感器（lugb-n系列）仪表接线如图2-9图2-9 lugb-n系接线图涡街流量传感器出厂前已进行了调整与标定，但由于所测介质与指定介质的不同，现场有较强振动等情况，需要对检测放大器进行调整。所有调试操作均通过拨码开关方式完成。2.3显示部分电路显示部分选用ch451芯片，这款芯片为串行传输，节省了i/o口，具体电路如图2-10。图2-10 显示部分电路第三章 热量计软件设计3.1主程序设计利用定时/计数器t1对流量计的脉冲进行测量，由p1.0控制闸门，在测流量的同时对温度差进行反复测量，最后取平均值，在得到流量结果后，计算热量，并进行累加。程序流程图如图3-1。开始初始化流量结束？n温差测量y计算热量显示图3-1 主程序流程图主程序清单如下void main()uint cnum,t; float aver_dt,q; init_ch451(); init_ad(); init_t(); while(1) cnum=0; p10=1; tr1=1; while(flag_t) cnum+; dtcnum-1=ad(); aver_dt=u_t(cnum)/cnum; t=get_tmp(); q=f*tab_kt+1*aver_dt/kf; q=q+q; f_qdata(); ch451_display(); flag_t=1;3.2温度测量子程序因为温度差的存在，两个pt100的阻值不同，使其产生电压差，利用差分放大器对电压差放大，利用ad1674将模拟电压信号转换成数字信号，存入指定存储空间。程序流程图如图3-2。开始ad数据采集数据转换存储结束图3-2 温度测量子程序3.3流量测量子程序涡街流量计将流量信号转换成了频率数字信号，测得涡街流量计的输出频率即可得到流量。硬件电路连接如图3-3。图3-3 频率测量硬件连接图定时器t0的gate为1，即当int0为1时开始计时，令p1.0与int0相连，即可使用p1.0控制闸门的开闭，流量计的脉冲输出端与t1相连，对脉冲进行计数，计数的个数即为流量计的输出频率。定时中断程序流程图如图3-4。开始读频率值赋初值结束图3-4 定时中断程序流程图3.4热量计算子程序利用上一章的方法对热量进行计算，读出流量值及温度差，利用ds18b20测出当前温度，根据温度查表的方式得出热焓系数，程序流程如图3-5.开始读取温度差读取流量值测量当前温度查热焓表结束图3-5 热量计算子程序流程图第四章 结论近年来，按热量收费己经越来越被重视，而热量计是热量计量的基础，用热量计进行热计量更为科学、更为合理。热量计作为热力公司向每一位住户收费的依据和手段，不仅已广泛被用户所接受，而且由于用热量与费用直接相关，也加强了用户的节能意识。本热量计是内嵌微处理器的智能化测量仪表，与传统的机械式仪表相比具有结构简单、安全可靠、实时性好、灵敏度高；功耗低，整个系统的动态功耗只有50ua左右，静态功耗仅lua左右，很好的保证了使用电池供电j年以上；操作简便，用户通过一个按键就可以查询所有数据和信息，并在led上显示出来，结果直观。和传统仪表相比成本大大降低，而且抗干扰附录1 程序清单#include #include #defineucharunsigned char#defineuintunsigned int#defineulongunsigned long#define kf 10.56 /涡街流量计仪表系数sbit p10=p10;sbit dq=p22;sbit ch451_dclk=p14;sbit ch451_dout=p15;sbit ch451_load=p16;sbit ch451_din=p17;sbit cs=p27;sbit a0=p26;sbit rc=p25;sbit ce=p24;sbit sts=p23;uchar flag_t;uint f;uint temp;uchar data=0;float q=0;uchar qdata8;float xdata dt350;uint code tab_k100=0;/热焓表const uchar dsycode10=0xbe,0x24,0xea,0xe6,0x74,0xd6,0xde,0xa4,0xfe,0xf6;/数码管const uint digcode8=0x0a00,0x0900,0x0b00,0x0800,0x0c00,0x0d00,0x0e00,0x0f00;/数码管位void init_t()tmod=0x59; th0=0xfc; tl0=0x18; tr0=1; ea=1; flag_t=1;/*ch451*/void ch451_writecommand(uint command) uchar i; ch451_load=0; for(i=0;i=1; ch451_dclk=1; ch451_load=1;/显示一位数，低位向高位移动，左移void ch451_display() uchar k; for(k=7;k=0;k-) data=qdatak; if(k=1) ch451_writecommand(digcodek|dsycodedata|0x01);else ch451_writecommand(digcodek|dsycodedata); void init_ch451() ch451_din=0; ch451_din=1; ch451_load=1; ch451_dclk=1; ch451_dout=1; ch451_writecommand(0x0403);/*精确延时函数*/void delay(unsigned char i) while(-i); /*ad1674*/void init_ad()ce=0; cs=1; rc=1; a0=1; sts=1; p2=0xff;float ad()float d; cs=0; rc=0; a0=1; ce=1; while(sts); rc=1; a0=0; d=p2; init_ad(); return d; /*ds18b20*/void init_ds18b20(void) /ds18b20初始化sdq = 1; delay(1); dq = 0; delay(250); dq = 1; delay(100); /确保能让ds18b20发出存在脉冲。uchar read_one_byte() uchar i = 0;uchar dat = 0;for(i=8;i0;i-) dq = 0; _nop_(); dat = 1; dq = 1; delay(1); if(dq) dat |= 0x80; delay(10); return (dat);void write_one_byte(uchar dat)uchar i = 0;for(i=8;i0;i-) dq = 0; _nop_(); dq = dat&0x01; delay(10); dq = 1; dat = 1; delay(1);/获取温度uint get_tmp() float tt;uchar a,b;init_ds18b20(); write_one_byte(0xcc); write_one_byte(0x44); init_ds18b20(); write_one_byte(0xcc); write_one_byte(0xbe); a = read_one_byte(); b = read_one