付费式热能计量与控制系统毕业设计.doc

本科生毕业设计（论文） 摘 要城镇供暖是生活环境质量的重要指标之一，将直接影响到城镇居民的日常生活。近年来，由于实施分户热量收费的迫切需要，设计一种预付费式热能计量控制系统十分必要。本文设计了一种基于at89s52单片机的热能计量与控制系统。通过ds18b20温度传感器和dn20流量传感器，将温度、流量数据直接传给单片机。根据公式算出消耗的热能值，并且通过lcd显示屏显示消费、余额、温度、时间等相关信息，系统设置有语音预警提示。单片机输出信号通过d/a、v/i电路，将输出信号传递给电动调节阀，控制阀门的开度，达到调节室内温度目的。通过can总线以及非接触式ic卡模块实现远程抄表和用户的预付费功能。系统数据存储在储存芯片at24c04a内，防止数据丢失。预付费热量表不仅可以解决供暖系统中耗热的计量问题，还大大提高了供暖计费的准确性和及时性，杜绝错误、遗漏等问题，为科学、及时、准确、合理进行民用供热系统的热能计费、收费、控制提供了有效的工具。关键词：预付费；热能计量；远程抄表abstractheating is an important indicator of urban environmental quality of life , will directly affect the daily life of urban residents . in recent years , due to the urgent need to implement household calorie charges , to design a prepaid -type heat measurement and control system is necessary.this paper designs energy measurement and control system based on at89s52 microcontroller . dn20 through ds18b20 temperature sensors and flow sensors , temperature , flow data directly to the microcontroller . energy consumption values calculated according to the formula , and the lcd display shows consumption, balance , temperature , time, and other relevant information, the system is provided with a voice warning prompt. microcontroller output signal through the d / a, v / i circuit , the output signal is transmitted to the electric control valve, control valve opening , to regulate the indoor temperature purposes. remote meter reading and users via the can bus and non-contact ic card prepaid module functions . system data stored in memory chips at24c04a, prevent data loss.calorimeter prepaid heating system can not only solve measurement problems in heat consumption , but also greatly improve the accuracy and timeliness , to eliminate errors, omissions and other problems heating billing for scientific , timely, accurate and reasonable conduct civil heating systems heat billing, charging , control provides effective tools .keywords : prepaid ; energy metering ; remote meter reading目 录第1章 绪论51.1 课题来源与实际应用意义51.2 国内外发展现状61.3 系统的设计目标和要求8第2章 系统方案设计102.1 热能计量方法102.2 总体设计框图112.3 控制器的选型112.4 温度传感器选择122.5 流量传感器选择132.6 ic卡选型132.7 通讯方式选择14第3章 系统硬件设计163.1 单片最小系统设计163.2 温度检测模块设计173.3 流量检测模块设计193.4 数据存储模块设计223.5 时钟电路设计233.6 ic卡接口模块设计243.7 天线电路263.8 电动调节阀控制电路设计273.9 显示模块设计303.10 报警模块设计313.11 键盘接口电路设计313.12 通信模块设计323.13 电源及电源监控电路设计33第4章 系统软件设计364.1 系统主程序设计364.2 初始化子程序设计384.3 温度检测子程序设计394.4 流量检测子程序设计404.5 热能计量子程序设计414.6 显示子程序设计424.7 ic卡读写子程序设计434.8 报警子程序设计444.9 can总线子程序设计45第5章 结论46参考文献47致谢49附录50附录58附录6174第1章 绪论1.1 课题来源与实际应用意义近年来，由我国冬季供暖问题而引发的矛盾一直是各方关注的焦点，主要表现在计价方法不严谨，缴纳供暖费不方便，目前国内大部分地区以面积收费，不同地区的居民供暖温度不同但费用统一收取。随着我国市场经济的不断发展和完善，将现行的供暖计费方式由按建筑面积计费变为按消耗的热能计费是供暖计费方式发展趋势。新型供暖计费系统设计和新型供暖设备开发等硬件措施则更是必备的条件。家庭采暖用热能做为需要花钱购买的的消费品，已为广大消费者认可。近年来，国家建设部、各地建委也相继颁布了有关推广政策，要求实行采暖分户计量。但是，采暖分户计量收费在我国还是一个全新的话题。它涉及到政策、管理、收费方式、相关产品、技术等诸多问题。供热收费体制的改革是其中一个重要组成部分，它已成为继医疗、住房改革后与人民生活密切相关的又一热点问题。为此，本文设计了一种新型的热能计量系统，为科学、及时、严谨、合理进行分户供热系统的热能计费、缴费、控制提供了有效的工具。我国地域广阔，人口众多，房屋建筑规模巨大，其中住宅建设约占居住建筑的92，住宅建设量大而且面广，至今仍呈上升趋势，而且这个上升趋势还将持续2030年。但是我们必须清醒的看到，我国如此庞大的房屋建筑及住宅建设的快速增长是以资源和能源的高消耗为代价换取的，除了利用最直接的资源-土地以外，住宅能源消耗的增长是住宅建设发展的一大限制因素。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，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。到2000年，全国城市建筑耗能将占能源生产总量的14，这就说明，只有坚决采取节约能源的措施才能维持建筑的可持续发展。国外的热计量经验表明，按照热量收费的制度是促使用户自觉节能的最有效手段，据统计，把大锅饭式的采暖包费制，改为按实际使用热量向用户收费，可节能2030。而在我国长期以来实行福利制供暖，能耗多少与用户利益无关，这是大锅饭体制遗留下来的一大弊端，也是供热系统节能工作的一个最大障碍。1.2 国内外发展现状供热方式的选择和发展随着一个国家所处的地理位置、能源资源、经济环境、能源技术水平等情况的差异而有所不同。与国外相比，我国目前采暖系统相对落后，主要是系统热效率低，室温冷热不均，采暖费按面积计费。我国在按户计量与温度控制方面的研究处于起步阶段，当前的任务是深化理论计算研究，完善适合中国国情的系统方案，进行深入的、全面的试点试验，制定相应的测试方法。我国到2012年在新建住宅和现有住宅中将全面推广分户热计量供暖型式，实行供暖按用热量收费制度，这是我国节约能源保护环境，实施可持续发展战略的重要措施之一，也是世界各国的发展趋势。国外热量是以商品进入市场的。欧洲早在20世纪二十年代就开始进行按户计量，八十年代已全面实行集中供暖按户计量。美国到八十年代末期应用的热量计量仪表己达到250万台。七十年代末出现的能源危机及能源消耗加大环境污染，使得节约能源和保护环境成了举世瞩目的大事，促进了发达国家供热计量技术的长足发展。德国规定每栋楼必须安装热量计，每组换热器必须安装温控阀和热计量装置。在法国1980年公布的热计量收费法规中，也明确制定了每栋楼必须安装热计量表，不允许按面积收费。收费方法也作了明确规定：生活热水按热水表计量收费，采暖热费则要分两部分收取，其中3040为按建筑面积计算，6070按消耗的热量计算。我国早在1986年开始试行第一部建筑节能设计标准，但建设部2000年对北方地区的检查结果表明：真正的节能建筑只占到同期建筑总量的64！不仅单位建筑面积采暖能耗为发达国家新建建筑的3倍以上，而且空调系统的能耗也居高不下。事实上，造成大量能源浪费的原因，除体制方面的原因外，还在于传统的按面积缴纳热费或冷气费的做法无形中纵容了“高能耗”的行为。由于我国热计量方面的研究处于起步阶段，存在一定程度上的盲目性与试探性，研究中出现了一些问题与争议，比如国外的热计量方式与推广经验是否适合中国国情？国外的热计量产品能否在中国完全适用？什么样的系统能够应用计量？面对我国如此大的市场需求，开发什么产品、采用什么系统方式能够经济、简单、可靠，在达到节能目的的同时，满足舒适需要等等，这些都需要我们进行更深入地研究和探讨。近几年来，国内许多部门做了大量有效的工作，在居住建筑建立适合热量计量的供热系统以及热量计量方法方面做了一些示范工程，进行了有益的探索，取得了一定的成效。目前，国内不少单位根据建筑采暖必须计量收费的原则，已着手研究开发建筑节能技术和产品，引进、消化、研制相关的控制手段和仪表。北京、长春、沈阳等城市的供热单位已经以不同规模，不同供热计量方式进行了试验，并取得了可喜的成绩。比如天津市凯丽花园热分配式的热计量、龙潭路节能住宅一户一表式热计量等，都为下一步的研究提供了宝贵的经验。另外，热计量产品方面，一方面，国外大公司如：何德鲁美、honeywell、西门子、斯伦贝谢等大举进入中国市场，另一方面，国内生产企业全面进入起步阶段，热计量产品的研制开发工作发展很快，己经有数家企业开发出类似产品。 特别是在北欧国家，从20世纪70年代能源危机以来，十分重视建筑节能工作，并制定了有关政策、法规以及相配套的技术措施。国外发达国家的集中供热系统均为动态的变流量系统，其调节与控制技术先进，控制手段完善，设备质量高。通常一次管网所提供的热量在热力站交换成二次采暖热水和民用生活热水。在热力站的二次水系统中均安装有变频调速的水泵、压差控制器、电动调节阀、气温补偿器以及回水温度限制器等设备。有了一整套成熟的供热系统运行模式。集中采暖按热量计费是世界各国发展的趋势，也是各国家节能环保的一项基本措施。目前除西方发达国家已采用这一措施外，东欧各国及原苏联地区国家正逐步推广。与此同时，集中采暖按热量计费的相应技术也进一步发展，采暖系统的动态调节更加先进，计费技术更加可靠和准确，整个采暖热量计费装置向小型化、计算机化发展。1、国外民用热量计量方法 (1)测取热量值收费该方法需对用户的流量及供、回水温度进行测量。例如德国早在1981年就颁布了关于热费的规定（根据国家1976节能法），规定要求在所有新建和现有多层建筑的公寓中安装分户热计量装置，住宅按照计量的热耗付费，但没有规定强制性技术。东西德统一后，上述法令要求前东德的多层住宅在1995年前必须安装热计量装置。目前约98%的公寓住户根据计量缴纳热费。该方法的特点是：原理上准确，但价格较贵，安装复杂，并且在小流量时，计量误差较大。目前在法国、瑞典等国应用较多。(2)通过测定用户散热设备的散热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；仪表为热量分配仪表，常用的有蒸发式和电子式两种。蒸发式热量分配仪表的特点费用不高，安装简易，但计量准确性较差。电子式热量分配表的特点是：计量较准确、方便，价格比热量计量表低，并且可在户外读值。目前在欧美受到欢迎。(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，并对取体暖季节内的室内、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。仪表为测温仪表，特点是安装容易，价格较低。但有时将记忆散热器温控阀的设定温度作典型室内温度而将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，而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。目前德国不允许采用，美国、法国有使用供热采暖网。2、我国现行供热收费办法(1) 按热量收费此方法一般是在热电厂与热力公司结算时采用。其前提是必须有准确的并被供需双方都认可的计量仪表。这是最准确且无争议的办法。(2) 按流量收费对一些使用工业蒸汽的用户与供热单位之间多采用这种办法。这种收费方法只计流量而没考虑蒸汽的品质，且供需双方常因计量仪表的计数差别过大而有争议。(3) 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。(4) 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。(5) 按安装的供暖装置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供暖装置而采用的办法。1.3 系统的设计目标和要求本文所设计的热量计量计费系统应能完成热量按户计量计费任务，并具有以下功能：1、用户的耗热量计量、存储，断电能长期保存数据；2、显示模块可显示用户供热系统的进水温度、出水温度、热水流量、耗热量及剩余热量、取暖费用等参数；3、预付费功能，即先交费后方可取暖；4、关断功能，即当用户暖气表发生故障或用户欠费时可关断阀门停止供暖；5、预警功能，即提示用户即将欠费关断；6、远传控制功能，即用户计量数据可远传，实现自动抄表，且管理系统可控制用户供热系统的开、关。 系统的设计要求为：1、所用方案应科学、工作可靠、经济适用、便于推广应用；2、技术指标可计进水温度31001；可计出水温度 31001；可计流量09.990.01kg/s；20s消耗热量 09999.990.01kj。第2章 系统方案设计2.1 热能计量方法目前，国产热量表的热量计量方法基本可以分为以下几种。通过测定用户的热负荷来确定用户的用热量的温差法。该方法是测定室内、外温度，并对取暖季节内的室内、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。仪表为测温仪表，特点安装容易，价格较低。但此种方法需要在室外安装测温设备，而并不直接测量供热量值，不够精确，容易受到多种环境因素干扰，另外，也不利于长时间累计计量，偏重对温度差的测量。故此法舍去。其次是比较常用的焙差法。 （2-1）式中为入口与出口的定压比热容。为瞬时体积、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。查表得常数，代入公式即可。然而，温度测量精度提高，需要测量计算的数据也就越多。而且，对于所测温度，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焙值，从而得出瞬时热量。这一方法会带来无法避免的误差，造成收费不准确。故此法舍弃。 本设计中采用的热量计量方法是常系数比热容法，按热量收费的方法。消耗热能的计算公式如下： （） （2-2）其中：为水的比热容（=0.011 67 kwhl）；为流过采暖设备的热水体积；、为流过采暖设备的两个温度；按照设计要求，屏幕可以在一段时间内显示耗热量及剩余热量。剩余热能2=1- (1为用户所购买热能和)。2.2 总体设计框图整个系统工作由温度、流量传感器检测温度和流量的变化，然后将温度信号和流量信号传输给单片机控制系统，单片机系统接收传感器信号，通过软件程序对外围电路进行驱动工作，外围电路主要包括，显示及报警驱动电路、存储电路、时钟电路、键盘电路、ic卡预付费电路、通信电路及电动阀控制电路等。然后实现对热量使用信息的显示，数据的传输与保存，费用时间的提醒等。微控制器流量检测模块显示接口模块进水温度检测模块键盘接口模块出水温度检测模块报警模块数据存储模块阀门控制模块时钟模块ic卡接口模块电源模块图2.1整体设计框图2.3 控制器的选型单片机是整个系统的核心，所以对于单片机的选择是非常重要的。选购单片机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，是系统体积小、成本低。现有市场上常见的有51、pic、msp430等系列单片机。根据所学知识比较熟悉的是at89s51、s52单片机。at89c51是一种带4k字节flash存储器的低电压、高性能cmos 8位微处理器，俗称单片机。at89c51是一种带2k字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，at89c51是它的一种精简版本。at89c51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。at89s52是一种低功耗、高性能cmos 8位微控制器，具有8k在系统可编程flach存储器。使用atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51产品指令和引脚完全兼容。偏上flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位cpu和在系统可编程flash，使得at89s52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。综上所述，鉴于本系统需要测量温度、流量、等参数，同时还有键盘输入、数码管显示、通信等，考虑到程序写入空间、芯片性能等问题，所以选用at89s52单片机作为系统cpu。2.4 温度传感器选择在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案。pt100，又叫铂电阻，热电阻，是一种温度传感器，铂电阻温度系数为0.0039，0时电阻值为100，电阻变化率为0.3851/。采用不锈钢外壳封装，内部填充导热材料和密封材料灌封而成，适用于精密仪器、恒温设备。 三线制pt100要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差，所以工业上一般都采用三线制接法。 lm35是一种得到广泛使用的温度传感器。由于它采用内部补偿，所以输出可以从0开始。0100 18b20温度传感器是dallas 半导体公司的数字化温度传感器ds18b20是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。综上所述本设计选用了美国 dallas 公司最新推出的 ds18b20单线数字式温度传感器。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。新型数字温度传感器ds18b20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。更符合设计要求。ds18b20的性能特点：1）采用单总线专用技术,即可通过串行口线,也可通过其他i/o口线与微机接口无须经过其他变换电路,直接输出被测温度值 2）无需外围元件3）由总线提供电源4）测温范围为-55125,测量分辨率为0.06255）内含64位经过激光修正的只读存储器rom6）适配各种单片机或系统机2.5 流量传感器选择市场上热量表中选用的流量传感器主要有三种类型：电磁式流量传感器、超声波流量传感器、叶轮流量传感器。考虑到国内的特殊情况，水源差杂质多的情况，在热量表的工作过程中十分容易吸附金属杂质。精度下降等问题因此无法避免。因此，就目前情况而言，在我国的客观条件下，热量表无磁化是一个必须的硬性条件。因此在设计当中，在选择流量传感器时，首先的要求就是其抗磁干扰能力。同时，综合热量表系统构建的实际条件及大批量的用户使用要求其价格低、非工业级别的测量对精度的要求不是特别高；家庭用供热需要小口径的管道；根据各种流量传感器的特点，设计低功耗、低成本的要求，本系统采用无磁式流量传感器dn20来进行对供热流量的计量。2.6 ic卡选型ic卡它是将一个微电子芯片嵌入符合iso 7816标准的卡基中，做成卡片形式。ic卡与读写器之间的通讯方式可以是接触式，也可以是非接触式。根据通讯接口把ic卡分成接触式ic卡、非接触式ic和双界面卡（同时具备接触式与非接触式通讯接口）。接触式ic卡该类卡是通过ic卡读写设备的触点与ic卡的触点接触后进行数据的读写。国际标准iso7816对此类卡的机械特性、电器特性等进行了严格的规定。非接触式ic卡该类卡与ic卡设备无电路接触，而是通过非接触式的读写技术进行读写（例如光或无线技术）。其内嵌芯片除了cpu、逻辑单元、存储单元外，增加了射频收发电路。国际标准iso10536系列阐述了对非接触式ic卡的规定。该类卡一般用在使用频繁、信息量相对较少、可靠性要求较高的场合。接触式ic卡，存储量大，保密功能强，可实现一卡多用。但这类卡的读写速度慢，操作时必须把卡正确地插入到读写器的卡槽总才能完成数据交换，在一些需要频繁读写卡的场合不方便，而且读写器的触点和ic卡的触脚在外面，造成损坏而接触不良。非接触式卡具有可靠性高、操作方便、防冲突、可以适合于多种应用、加密性能好等优点。非接触式ic卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。 此外,非接触式卡表面无裸露芯片，无须担心芯片脱落，静电击穿，弯曲损坏等问题，既便于卡片印刷，又提高了卡片的使用可靠性。非接触式卡使用时没有方向性，卡片可以在任意方向掠过读写器表面，既可完成操作，提高了每次使用的速度。非接触式卡中有快速防冲突机制,能防止卡片之间出现数据干扰，因此，读写器可以“同时”处理多张非接触式ic卡。这提高了应用的并行性，无形中提高系统工作速度。非接触式卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化,不可再更改。非接触式卡与读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证ic卡的合法性，同时ic卡也验证读写器的合法性。非接触式卡在处理前要与读写器之间进行三次相互认证，而且在通讯过程中所有的数据都加密。此外，卡中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。接触式卡的存储器结构特点使它一卡多用，能运用于不同系统，用户可根据不同的应用设定不同的密码和访问条件。通过以上分析，本系统采用非接触式卡mifir1，读写模块选用mfrc522。mfrc522是应用于 13.56mhz 非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片中的一员。是 nxp 公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，是智能仪表和便携式手持设备研发的较好选择。2.7 通讯方式选择通信方式分为远程通信和近距离通信，同时分为有线通信和无线通信。目前我国普遍采用工作人员上门抄表，这样的方法既浪费人力又浪费时间。本设计要实现远传控制功能，即用户计量数据可远传，实现自动抄表。所以选择远程通信。1、rs-485rs-485是一种平衡传输方式的串行接口标准,允许在电路中有多个发送器，允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以驱动发送器、接收器或收发器组合单元。rs- 485标准的共线电路结构是在一对平衡传输线的两端部配置终端电阻，其发送器、接收器或组合收发器可挂结在平衡传输线上的任何位置，实现在数据传输中多个驱动器和接收器共用同一传输线的多点应用。2、现场总线cancan属于总线式通讯网络。can能够使用差分电压传送。can总线网络上的任意一个节点均可在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息，而不分主/从，通讯灵活。在通讯速率为5kb/s时，通讯距离最远可达10km。在通讯距离为40m时，最高通讯速率可达1mb/s，而且传输时间短，受干扰的概率低。can总线采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输数据，有效避免了总线冲突；采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短；每帧数据都有crc校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境下使用；节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其他操作不受影响；可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接受数据。具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作。具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操作性好、总线协议具有完善的错误处理机制、灵活性高和价格低廉等特点。据以上的分析和硬件成本方面的考虑，决定采用can作为数据传输的总线。第3章 系统硬件设计3.1 单片最小系统设计系统的微控制器选用at89s52。它是一种低功耗，高性能的cmos 8位微控制器，具有8k的可编程存储器。与工业80c51引脚完全兼容。因为在单芯片上，拥有灵巧的8位cpu,使得at89s52为众多嵌入式控制应用系统所使用。在单芯片上，拥有灵巧的8位cpu和在系统可编程flash，使得at89s52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。at89s52具有以下标准功能：8k字节flash，256字节ram，32位i/o口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，at89s52可降至0hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，cpu停止工作，允许ram、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，ram内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。图3.1.单片机最小系统 所谓最小系统，即指使单片机能正常工作的所需的最少的电路，即应包含cpu及辅助电路、rom、ram及i/o端口等电路。在at89s52的基础上，加复位电路、时钟电路、ea引脚信号及电源即可。xtal1接外部晶体的一端，振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。xtal2接外部晶体的另一端，振荡器反相放大器的输出端。在xtal1和xtal2两端跨接晶体或陶瓷谐振器（本设计选用晶体谐振器），就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，如图3.1所示。外接晶振时，c2、c3值通常选择为30pf左右（本设计两个选用33pf）。c2、c3对频率有微调作用，振荡频率范围是1.212mhz（本设计选用11.0952mhz）。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠地工作，谐振器和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近。内部时钟发生器实质上是一个二分频的触发器，其输出是单片机工作所需的时钟信号。reset为复位输入。当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平，将使单片机复位；vcc掉电期间，此引脚可接备用电源，以保持内部ram的数据不丢失。本设计采用按键式复位电路，上电复位可利用电容充电来实现，也可通过按键来实现。当按键按下后，reset端产生高电平。按键时间决定了复位时间。3.2 温度检测模块设计温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按照分类方式的不同主要有接触式和非接触式，模拟式和数字式。 （a）接触法。由热平衡原理可知，两个物体接触后，经过足够长的时间达到热平衡，它们的温度必然相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测温方式称为接触法。其特点是，温度计要与被测物体有良好的热接触，使两者达到热平衡。因此，测温准确度较高。用接触法测温时，感温元件要与被测物体接触，往往要破坏被测物体的热平衡状态，并受被测介质的腐蚀作用。因此，对感温元件的结构、性能要求苛刻。（b）非接触法。利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定物体温度，这种测温方式称为非接触法。它的特点是：不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，热惯性小。从原理上看，用这种方法测温上限很高。通常用来测定1000以上的移动、旋转或反应迅速的高温物体的表面温度。本设计采用的ds18b20数字温度计是dallas公司生产的。ds18b20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的ds18b20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 ds18b20产品的特点：（1）只要求一个端口即可实现通信。（2）在ds18b20中的每个器件上都有独一无二的序列号。（3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。（4）测量温度范围在55oc到125oc之间。（5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。（6）内部有温度上、下限告警设置。ds18b20的内部结构是由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。ds18b20工作原理简单。温度转换时的延时时间为750ms。低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。在外部电源供电方式下，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个ds18b20传感器，组成多点测温系统。本系统中温度采集部分的硬件电路框图如图3.2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。由于ds18b20是单总线式数字温度传感器，每个ds18b20都有独立的序列号，因此本设计把3个ds18b20并联在唯一的单线上，与单片机的p1.1口相连，完成温度的检测。上拉电阻的阻值为5.1k。数据采集、处理模块主要由at89s52单片机构成。单片机at89s52起实时控制及通讯作用，完成温度数据的读取和传输。 图3.2.温度检测电路3.3 流量检测模块设计 液体流量传感器，可分为有腐蚀液体流量传感器以及没有腐蚀液体流量传感器，这只是从介质方面来区分的，也是在应用选要第一个注意的事项。在国内外众多户用热量表产品中，因价格和功耗等诸多因素，普遍采用小口径的流量传感器。使用和研究实践表明：直接采用小口径的流量传感器，存在一系列需要解决的问题。根据对热量表流量传感器的研究体会，发现小口径热量表流量传感器时存在的主要问题有：量程问题，冷热水流量系数差异问题，降低始动流量和提高小流量情况下精度问题，磁传方式存在的磁干扰问题，高温失步问题，以及对我国供暖系统水质的适应性问题。建设部热量表行业标准规定：“热量表的常用流量应符合gb778.3冷水水表的要求，常用流量与最小流量之比应为10、25、50或100。公称直径40mm的热量表，其常用流量与最小流量之比必须采用50或100。”我国供暖采取系统水质差是普遍存在的问题，热量表是否要适应较差水质，一直在业内存在着争论。我们认为：在呼吁有关部门改善水质的同时，研制热量表必须考虑对不同水质的适应性，不能因为水质差就拒绝安装热量表。实际应用试验表明：供热采暖系统水中的杂质主要是管道中残留的泥土、杂物、沙砾、黑红色的铁锈。针对这一实际情况，我们采取加装特制滤网和磁滤器的措施有效滤除上述杂质，延长热量表的使用时间。当然，滤网和磁滤器要便于清洗或更换是设计时必须考虑的问题，在水质问题没有得到彻底解决的情况下，做到每个采暖季清理一次是可行的。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。（1）叶轮流量传感器 叶轮流量传感器是通过叶轮的转速测量热水的流量。按口径分为小口径和大口径。小口径表(40mm)又分为单流束式、多流束式和标准机芯型多流束式三种，大口径则分为水平螺翼式和垂直螺翼式二种。表的计数器按是否与热水接触又分为干式和湿式二种。干式传感器的叶轮转速通常是通过磁祸合的方式传递给计数器的，湿式传感器则是通过机械连接的方式进行传动，即整个计数器浸在水中。叶轮式流量传感器在规格上从小口径到大口径已形成系列化，能满足不同使用范围的要求。因为叶轮式流量传感器中有可动部件，所以对供热介质的要求较高，通常在安装上要求配套过滤器，以防备杂质对表的损伤。叶轮流量计测量原理和结构相对简单，所以价格较低。(2)超声波流量传感器超声波流量传感器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的而求出热水的流速的方法测量热水的流量，波是通过压电压体发射和接受的。按测量原理的不同超声波流量传感器分为多普勒频率法、频差法和时差法等三种，目前大部分采用的时差法。另外按晶体探头在内部安装位置的不同，即波穿过整个流体截而的形式不同又分为很多种式。在理论上讲，当波在管道的径向(斜向)穿过流体截面的次数越多，其测量准确度就越高。而将探头安装在管道的轴向中心的方式因为其一方面严重扰乱了流场的分布，另一方面其测量的流体流速不具整个流束截面的代表性，所以是不可取的。因超声波流量传感器的测量腔体内部没有任何可动部件，所以对介质的成份或杂质含量没有要求。其使用寿命可达20年以上，但其结构较为复杂、价格昂贵，不适用于户用计量。 (3)电磁式流量传感器电磁式流量传感器是按法拉第定律测量热水的流量，与超声波一样其内部没有任何可动部件。唯一不同之处是它对供热介质的电导率有要求(10us/cm较洁的水可达到要求)。因其结构原理复杂、价格较高且通常要求220v交流供电，所以通常不适用于户用计量。叶轮流量传感器因其价格低廉，大量应用在热量表中。针对普通叶轮流量传感器具有磁感应效应的缺点，本系统把当今的无磁流量计应用到热量表中。无磁流量计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电信号送至微处理器，同时计算出流体流量。它成功地解决了磁效应流量计容易吸附铁锈而使转轴偏重，出现噪声的缺点;而且也不会因为温度高而使永磁磁场强度降低，显著降低计量精度，保证流量计的长期使用。这种先进的设计方案不仅可以最大限度地提高系统设计灵活性，而且还能将功耗降至最低，从而有效延长热量表流量测量的电池寿命。无磁流量测量是通过把热水的流动转变为转动来实现的。流体在向前流动时，带动叶片转动，其结构类似于普通叶轮式流量计，叶片通过转轴带动上而的转盘转动。这个转盘的表而是由两种不同的材料制成的，它的一半是由非金属材料制成，另一半是由金属材料(一般为铜)制成。通过测量转盘的转速来计算热水的流量。 本系统选取的北京惠晶通科技有限公司生产的电极式无磁流量计dn20。本无磁流量计的特点:a.宽电压、低功耗设计，正常情况工作作电压为3.5-5.5v,电流为动态值，在最小流量的情况下为9ua。b.利用脉冲激励信号于金属阻尼非阻尼振荡技术，该技术可避免传统基表的磁钢结垢的缺点。c.多流束技术的采用保证了较高的准确度和稳定性以及较宽的量程范围。d.传感器采用无磁检测技术，结构紧凑，便于安装和维护。e.智能化的自我诊断和纠错功能，保证仪表的正常运行。f接口简单，可便于与单片机建立可靠的脉冲信号输出。g.当电源电压vcc高于3.6v时可采用光藕进行信号的隔离，当vcc为3.0-3.6v时，可以不需要光耦隔离，直接接收脉冲信号。h.脉冲为512us，为高电平脉冲信号。图3.3为流量传感器电路。1引脚为数据输出引脚，与单片机的p1.3引脚相连，将检测到的流量信号传入单片机。2引脚为电源，3引脚为接地。选用1m阻值的上拉电阻。 图3.3流量传感器电路3.4 数据存储模块设计在本设计当中中，对于及时采集到的信息如果不进行安全保护措施，若是丢失会造成严重后果。根据设计的要求，以及考虑到与单片机连接的方便性，ic接口是首选的。本系统采用了美国ateml公司推出的at24c04芯片，它的容量是4kb。at24c04是ateml公司的电可擦除存储芯片，采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可以到2.5v，额定电流为1ma，芯片内的资料可以在断电的情况下保存100年，而且采用8 脚的dip 封装，使用方便。简而言之，at24c02是一个在突然掉电的情况下存储数据的芯片，即掉电存储芯片。at24c04的优点是与400khz的i总线兼容；低功耗的cmos技术；写保护功能；页写缓冲器；10万次编程/擦除周期；可保存数据100年。图3.4.数据存储电路因为只有一个at24c04被总线寻址，故器件地址输入端a0、a1、a2都接地（或悬空）；scl为串行时钟输入管脚，经电阻上拉后接单片机i/o口；sda为串行数据地址端，用于接收或者发送数据、地址，经电阻上拉后接单片机i/o口；wp为写保护管脚，接地之后用于执行正常的读/写操作。3.5 时钟电路设计pcf8563 是philips 公司推出的一款工业级内含i2c 总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。pcf8563 的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能。是一款性价比极高的时钟芯片，它已被广泛用于电表、水表、气表、电话、传真机、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。pcf8563有16个8位寄存器，其中包括：可自动增量的地址寄存器、内置振荡器、分频器、可编程时钟输出、定时器、报警器、掉电检测器和400khz的总线接口。所有16个寄存器设计成可寻址的8位并行寄存器，但不是所有位都有用。当一个rtc寄存器被读时，所有计数器的内容将被锁存，可以禁止对时钟/日历芯片的错读。其主要特性有：1、宽电压范围 1.05.5v， 复位电压标准值vlow=0.9v。2