基于MCS-51单片机的热量计.doc

沈阳理工大学学士学位论文摘 要热量计在我们生活中最实际的应用应该是民用住宅的暖气计量了而我国现有的按使用面积收费的方式存在着许多不合理的因素。为解决这一问题，本论文介绍了一种新型的热量计，该热量计是基于51系列单片机，主要由流量传感器、温度传感器、单片机三部分组成。本文详细阐述了热量计的硬件和软件设计，并简要介绍了相应的抗干扰措施。热量计可以精确的对实际热量的耗损进行测量，是实施城市供热体制改革，推行按热量计费的关键设备，对热量计消耗智能计算，以用户实际耗用热量为计量收费依据。如果将热量计作为供暖公司向每一位住户收费的依据和手段，是容易被百姓们所接受和推崇的，而且由于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abstractcalorimeter in our lives should be the most practical application of measurement of residential heating and use of the area by our existing way of charging, there are many irrational factors. to solve this problem, this paper introduces a new type of calorimeter, the calorimeter is based on the 51 series, mainly by the flow sensor, temperature sensor, microcontroller three parts. this paper describes the calorimeter hardware and software design, and briefly describes the corresponding anti-jamming measures.calorimeter can accurately on actual measurement of heat loss is to implement the urban heating system, the implementation of key equipment by heat billing for consumption calorimeter intelligent computing to users actual calorie consumption metering and charging basis. if the calorimeter as heating companies charge to every household basis and means, people who are likely to be accepted and respected, and because of the heat and the costs are directly related, but also strengthened the household energy awareness. measured with a calorimeter more scientific and reasonable, not only user-friendly, and easy to manage.keywords: calorimeter; singlechipmicrocomputer; temperature sensor; flow sensors目 录1 绪 论11.1 选题背景11.2 热量计概述21.3 国内外发展概况41.4 开发热量计的现实意义和应用前景61.5 本文研究内容和目标62 热量计的硬件电路设计82.1 供热热量计量系统示意框图82.2 热量计计热原理82.3 热量计的硬件原理框图102.4 信号处理部分102.4.1 51系列单片机系统102.4.2 单片机stc89c52rc132.5 温度测量142.5.1 温度传感器分类142.5.2 温度传感器的选择152.5.3 温度传感器ds18b20152.6 流量测量212.6.1 流量传感器分类212.6.2 涡轮流量传感器272.7 显示电路283 热量计的软件设计293.1 主程序流程图293.2 温度采集子程序流程图293.3 热量计算子程序流程图303.4 数码管显示子程序流程图313.5 单片机c语言开发软件keil c51323.5.1 keil c51操作界面介绍323.5.2 编译运行c程序353.6 单片机下载程序烧录软件stc-isp354 系统误差分析及抗干扰措施384.1 误差分析384.1.1 测量误差的来源384.1.2 计数误差的影响384.2 抗干扰措施394.2.1 硬件抗干扰措施394.2.2 软件抗干扰措施39结 论41致 谢42参考文献43附录a 英文原文44附录b 中文翻译53附录c 源程序60附录d 系统硬件原理图69iii1 绪 论1.1 选题背景当前，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，是发达国家的3倍多，而城市供暖又是建筑能耗的主要部分，发达国家普遍采用了能够调节和控制的供热系统，锅炉和管网热效率特别高。城市供热正在迈出改革步伐，迫切需要高新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局面。弊端分析:多年来，我国一直延续计划经济时代的全福利式居民供暖体制，以居民小区为单位，共用一个控制阀，以住宅面积为热量的计量依据，费用由居民所在单位按国家统一的标准一年一次性全额划拨给供热单位。随着改革开放的不断深入，人民生活水平的提高，商品意识的不断加强，这种旧体制已远远不能适应当前经济生活的发展，其弊端也显得越来越突出，主要表现在以下几个方面:1.不能满足不同居民对供暖的需求随着市场经济的发展及个人需求的提高，对供暖质量的要求也越来越高，越来越多样化，如有的人宁愿多花钱，来享受一个暖冬，而有的人依据自身条件喜欢经济一点，过得去就行。居民住房越来越大而人口越来越少，暂时无人住的房间希望不供暖或低温就行，但不论何种需要有一点是共同的，就是希望供暖也能象商品一样，花多少钱，享受多少热量，明码实价，钱花得其所。而现在所有的供暖方式，只要是同一个供暖单位供热，就只能一个样，根本无法依住户的需要自行调节。2.无法促进居民缴费的积极性随着改革深入发展，多种经济形式并存，非国有企业日渐增多，各单位经济效益及个人收入的差别也越来越大。拖欠取暖费的情况越来越多，造成各地区收费困难。有的地方收不上费只好不供暖，而现有的供暖方式是全小区或一栋楼一个控制阀，无法区别对待缴费与不缴费的住户，造成大范围停止供暖。3.无法衡量供热质量供热由供热单位单一方支配，随意性强，缺少制约机制。在现有的供热体制下，取暖费交给供热单位后，这一冬季居民室的冷暖全在供热单位的控制下，无法建立有效的监督机制，用户处在被动受暖地位，导致供热质量逐年下降，供热单位与用户的矛盾也日益加深，投诉电话逐年增加。由此可见，现有的大锅饭式供暖体制必须改革，让供暖走向市场，把热量回归为商品，让人们对热量的需求如同对普通商品的需求一样，多花钱多买，少花钱少买，建立起公平的供求关系。国家各级政策也纷纷出台，建设部“建筑节能技术政策(初稿)”及“建筑节能95计划和2010年规划”中提出，采暖包费制和按平方米计算采暖费的方法，因与用户利益无关，也难以从经济效果上考核供热单位的热效果，是“大锅饭”体制遗留下来的一大弊端，必须坚决革除，生活用热计量并向用户收费是适应社会义市场经济要求的一大政策，只有按实际供热量收费，才能调动用热和供热双方的积极性，建筑节能工作才能真正落实。1.2 热量计概述按热量计费，必须具备适用的热量计量工具，而热量计就是建立在分户计量的基础上，通过测量流经散热器的热媒总量以及当时的温度计算热量的损失，热量计量器具实现把热量作为一种商品供应千家万户。一户一表，一户一阀，利用数据传送，采用户内计量，户外统一抄表的方式。一个完整的热量计由三个部分组成:流量传感器，用以测量流经热交换系统的热水流量;配对温度传感器，分别测量供暖进水和回水温度;计算显示器，根据与其相连的流量传感器和温度传感器提供的流量和温度数据，通过热量公式计算出用户从热交换系统获得的热量。一般都显示输出总耗热量、总耗水量、瞬时热量、瞬时流量、供回水温度、温差、最高温度、时间等参数。其技术参数还有存储数据性能、传输数据性能、寿命与可靠性、自备电源或电池等。按照热量计计量原理(流量测量方式)的不同，户用型热量计可以分为叶轮式、涡轮式、压差式、电磁式、超声波式等种类。这类仪表可直接测得热量，属必须校正的仪表。因为它的价格较贵，不可能按房间来安装，一般都是按户来安装，对居民用户通常都是采用小型的，标准流量为0.6立方米/小时的热量计。这类仪表按照制作标准所匹配的温度传感器精度，在标准流量情况下，采暖的给/回水温差在t10k时为8%，当10kt10us/cm)，同时由于其结构复杂，成本较高，功耗较大，在户用表中用量也较少。户用型热量计普遍采用的结构形式是紧凑型，即将进水温度探头与流量计一体，回水温度探头与之分开，计算显示器可与流量计装在一体，亦可拆下。这种结构灵活，不受安装空间限制;缺点在于安装调试较麻烦，其暴露的温度探头使热能易于被盗。而一体化热量计把流量计，进水温度传感器，回水温度传感器和计算显示器做在了一体，这种结构安装简单，无需调试，而且成本低廉，其掩埋式的温度探头和新颖的积分温度差算法，极大的降低了“窃能”的可能;缺点在于对安装尺寸有较高的要求。从热量计的组成可以看出，制造热量计的技术比电表、水表、煤气表等要复杂。只有采用高质量的热量计，并综合考虑其经济性、耐用性、可维修性等性能指标，才能达到供热计量及按热量收费的目的2。1.3 国内外发展概况国外，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网。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30-40%为按建筑面积计算，60-70%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6.4%！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。“高能耗”造成了热费收缴困难等问题。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。天津、北京、哈尔滨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、hnoeywell、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。目前国外在供热工程中采用的热计量方式可分为4种，每种方式都有其自身的技术特点，成本效益各不相同。a)方式a:楼栋热表整栋楼的热耗由安装在热力入口的一块热量计计量，并以此计算整栋楼的热费，每户按面积分摊。本方法可用于各种供热系统。芬兰等国采用此方法进行供热计量。b)方式b:热分配表户内每个散热器的散热量由蒸发式或电子式热分配表计量，整栋楼安装热量计，每户的耗热量按照分配表的读数进行分摊。由于热分配表安装在独立的散热器上，对供热系统的管路形式没有特殊的要求。为了保证热分配表更好地工作，必须按照标准和生产厂家的要求确定其安装位置。在德国、瑞士、丹麦、奥地利、波兰等国家中，热分配表得到了普遍的应用。热分配表分为蒸发式和电子式两种。两种热分配表都是间接计量散热器的散热量，蒸发式分配表主要是通过计量蒸发液来计算散热器的散热量;电子式分配表则主要是通过采集散热器表面温度，并利用散热器散热量计算公式来计量散热量。电子式分配表有很多优点，如计量准确，不计量没有使用的散热器的热量，数据可以远传，消除了入户查表的麻烦。c)方式c:热水流量表整栋楼安装热量计，每个住户的耗热量根据安装在住户入口管道上的热水表计量的热水流量进行分摊。通常热水表安装在按户分环的双管系统中。韩国是唯一一个法定用热水表进行热计量的国家，由于该国国内普遍采用大流量、小温差的低温热水地板辐射供暖系统，所以按热水表计量的热水流量进行热量分摊精度很高。d)方式d:户用热量计户用热量计安装在按户分环系统中。户用热量计既可以作为热费分摊的计算依据，又可以直接用于供热单位与热用户结算热费。虽然上述4种方式都能用于计算用户耗热，但准确性、易用性和经济性却存在差异。计量准确度和价格由高到低排序为:方式d、方式b(电子式)、方式b(蒸发式)、方式c、方式a。国内试验的计量方法及仪表基本是采用了国外的计量方式a和计量方式c。同时也试验了我国提出平均温差法和变温差法。国内试验工程中使用的仪表有:叶轮式热量计、超声波式热量计、磁感应式热量计、蒸发式和电子式热量分配表。世界各国已经越来越重视按户计量收费，我国己在多个城市进行了按户计量的试验工程，一些城市己开始以各种手段促进这一技术的发展3。1.4 开发热量计的现实意义和应用前景1、降低能源消耗进入九十年代以来，节能与环保成为我国的重要国策。据有关国家对德国热力系统调研，采用热量计可降低能源消耗10-30%。北京市1998年集中供热面积逾3000万，以节约10%计，可节约标准煤12万吨，价值22500万元。同时还可缓和城市燃料运输紧张的状况，减少对大气环境的污染。2、有效地解决供需矛盾热量计还可以缓解供热部门与用户的矛盾，热与不热以表为准，供热有据，同时便于节电节水合理供热，用户可根据自家的情况进行热量调节，避免浪费。3、按量收费、公平合理热量计的应用可有效地解决供热收费难的问题。热量计使供热收费有据，透明度强，用户一目了然，缴费的积极性自然会大大增强。4、填补空白、推动供热市场热量计的生产在国内仍是空白，技术落后于国外。由于旧的供暖视住宅面积大小收费，在当前形式下，我们共同研制开发热量计的生产技术的成功，为国内热量计开发领域填补了空白，该技术的投产应用必将带动新一轮的市场增长点，并推动热量计技术的不断发展和完善。总之，热量计的应用是一个崭新的，具有很强生命力的项目，前景深远。1.5 本文研究内容和目标本文针对热量计的现状及发展趋势，在阅读了大量文献及资料的基础上，设计、调试了一套用于计量热量损耗的热量计系统。该系统充分体现了热量计的智能化、低功耗、高精度的发展趋势，把智能化技术应用于新型的低功耗热量计的设计中。最终热量计能够在水管进出口有温差，叶轮有转动的条件下按照设定的要求不断的累计放热量并通过led数码管显示出来。 具体的内容如下：（1） 系统的组成、硬件电路的选择和设计；（2） 软件的设计和测试； （3）误差分析和抗干扰设计。2 热量计的硬件电路设计2.1 供热热量计量系统示意框图图2-1 热量计量系统示意该系统为双管式，红色为热水进水管，粉色为散热器，蓝色为热量损耗后的出水管。并且为每户和每个散热器前都配备调节阀，便用用户自己设置，起到节能的作用。在进水管和出水管间，连接了我们此次课题要重点介绍的-热量计，来计量该用户实际热量的损耗。热量计的流量传感器安装在进水管上，温度传感器分别安装于进、出水管上，分别测量得出温度差。2.2 热量计计热原理热量计算公式如下： (2.1)式中：q释放或吸收的热量（j或）；流经热量表的水的质量流量（k/）；流经热量表的水的体积流量（/）；流经热量表的水的密度（k/）；h在热交换系统的入口和出口温度下，谁的焓差（j/k）；时间（）；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）； f热交换回路中载热液体入口处的温度（0c）； r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/m3 0c或kw/m3 0c）；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）； v热液体流过的体积（m3）； t进水温度与回水温度的差（0c）； k导热系数，它是载热液体在相应温度、温差和压力下的函数（j/m3 0c或kw/m3 0c）； 实验温度取室温25左右，相应的k值约可取为60。由此我们知道了要计算用户使用的热量数，必须测量进入用户和流出用户的水的温度差。但还必须知道在此过程有多少水在放热，因此必须测得此时刻的热水的瞬时流量，然后把它和温度差相乘，就可以得到这一时刻热水释放热量的千卡数。2.3 热量计的硬件原理框图图2-3 热量计硬件原理框图该热量计主要由流量传感器、进、出水温度传感器ds18b20、单片机及其外围电路组成。根据一定时间内所通过的水的流量(v)和供、回水的温度差(t)，以及由（t）所决定的热交换算系数k，最后计算得到消耗的热量值。2.4 信号处理部分2.4.1 51系列单片机系统 单片机stc89c52为主组成的基本模块是该系统的核心部分，主要完成对系统采集到的信号进行相关的处理，协调其他模块，使整个系统步调一致的工作。 由于52系列单片机是51系列单片机的增强型产品，基本结构和功能相同，本论文以51系列典型机型8051进行单片机系统的介绍。 8051单片机包含中央处理器、程序存储器(rom)、数据存储器(ram)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明。 图2.4.1 8051单片机引脚图 图2.4.2 stc89c52外观1、8051单片机内部结构和功能4：图2.4.3 8051单片机内部结构图 中央处理器：中央处理器(cpu)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，cpu负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 数据存储器(ram)：8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的ram只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 程序存储器(rom)：8051共有4096个8位掩膜rom，用于存放用户程序，原始数据或表格。 定时/计数器(rom)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。 并行输入输出(i/o)口：8051共有4组8位i/o口(p0、 p1、p2或p3)，用于对外部数据的传输。 全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。 时钟电路：8051内置最高频率达12mhz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。 时钟电路：8051内置最高频率达12mhz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(princeton)结构。51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的mcs-96系列单片机则采用普林斯顿结构。2.4.2 单片机stc89c52rc本论文所用stc89c52rc单片机是stc公司生产的一种低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有 8k 在系统可编程flash存储器。stc89c52使用经典的mcs-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位cpu 和在系统可编程flash，使得stc89c52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。 具有以下标准功能： 8k字节flash，512字节ram， 32 位i/o 口线，看门狗定时器，内置4kb eeprom，max810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 stc89c52 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。最高运作频率35mhz，6t/12t可选7。时钟电路与复位电路：本设计采用的是内部振荡方式，选用的晶振为12mhz。 图2.4.4 单片机外围电路连接2.5 温度测量2.5.1 温度传感器分类温度传感器主要分为：接触式、非接触式。1、接触式：接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120k以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。2、非接触式：它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，从而提高有效发射系数式中为材料表面发射率，为反射镜的反射率。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。有点是测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800以上的高温，主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展，辐射测温 逐渐由可见光向红外线扩展，700以下直至常温都已采用，且分辨率很高。3、温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（rtd）和ic温度传感器。ic温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。 2.5.2 温度传感器的选择 若选用常见的cu100或pt100，利用电桥测温法进行测温，还需要搭配差动放大器对温度信号进行放大，和a/d转换芯片将模拟信号转化成数字信号送入单片机进行处理，这样设计硬件电路较为繁琐。所以本论文选用一线式数字温度传感器ds18b20，达到简化硬件电路的效果。2.5.3 温度传感器ds18b20dallas最新单线数字温度传感器ds18b20简介新的一线器件体积更小、适用电压更宽、更经济 dallas 半导体公司的数字化温度传感器ds1820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。ds18b20、 ds1822 一线总线数字化温度传感器 同ds1820一样，ds18b20也 支持一线总线接口，测量温度范围为 -55c+125c，在-10+85c范围内,精度为0.5c。ds1822的精度较差为 2c 。现场温度直接以一线总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性5。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3v5.5v的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。 ds18b20、 ds1822 的特性 ds18b20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5c。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在eeprom中，掉电后依然保存。ds18b20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！ ds1822与 ds18b20软件兼容，是ds18b20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的eeprom，精度降低为2c，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。 继一线总线的早期产品后，ds1820开辟了温度传感器技术的新概念。1、温度传感器ds18b20与单片机的连接电路图2.5.1 温度传感器电路连接2、ds18b20的性能 (1)可用数据线供电，电压范围：3.05.5v； (2)测温范围：-55+125，在-10+85时精度为0.5； (3)可编程的分辨率为912位，可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125、0.0625； (4)12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字； (5)负压特性：电源极性接反时，温度计不会发热烧毁，但不能正常工作。 3、 ds18b20的外形和内部结构ds18b20内部结构主要由四部分组成：64位光刻rom、温度传感器、非挥发的温度报警触发器th和tl、配置寄存器。ds18b20的管脚排列如下: 图2.5.2 ds18b20引脚图 图2.5.3 ds18b20外形图 引脚定义： (1) dq为数字信号输入/输出端； (2) gnd为电源地； (3) vdd为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 内部结构 图2.5.4 ds18b20内部结构图ds18b20有4个主要的数据部件： （1）光刻rom中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该ds18b20的地址序列码。64位光刻rom的排列是：开始8位（28h）是产品类型标号，接着的48位是该ds18b20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（crc=x8+x5+x4+1）。光刻rom的作用是使每一个ds18b20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个ds18b20的目的。 （2）ds18b20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/lsb形式表达，其中s为符号位。 图2.5.5 ds18b20温度值格式这是12位转化后得到的12位数据，存储在18b20的两个8比特的ram中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。 例如+125的数字输出为07d0h，+25.0625的数字输出为0191h，-25.0625的数字输出为ff6fh，-55的数字输出为fc90h。 （3）ds18b20温度传感器的存储器 ds18b20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存ram和一个非易失性的可电擦除的eepram,后者存放高温度和低温度触发器th、tl和结构寄存器。 （4）配置寄存器 该字节各位的意义如下：表2.5.1 配置寄存器结构tmr1r011111低五位一直都是1 ，tm是测试模式位，用于设置ds18b20在工作模式还是在测试模式。在ds18b20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。r1和r0用来设置分辨率，如下表所示：（ds18b20出厂时被设置为12位）表2.5.2 温度值分辨率设置表r1r0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms4、高速暂存存储器 高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表5所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如表1所示。对应的温度计算：当符号位s=0时，直接将二进制位转换为十进制；当s=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。表2是对应的一部分温度值。第九个字节是冗余检验字节。 表2.5.3 ds18b20暂存寄存器分布寄存器内容字节地址温度值低位0温度值高位1高温限值th2低温限值tl3配置寄存器4保留5保留6保留7crc检验8根据ds18b20的通讯协议，主机控制ds18b20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对ds18b20进行复位，复位成功后发送一条rom指令，最后发送ram指令，这样才能对ds18b20进行预定的操作。复位要求主cpu将数据线下拉500微秒，然后释放，ds18b20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主cpu收到此信号表示复位成功。 表2.5.4 rom指令表指 令约定代码功 能读rom33h读ds1820rom中的编码（即64位地址）符合rom55h发出此命令之后，接着发出64位rom编码，访问单总线上与该编码相对应的ds1820使之作出响应，为下一步对该ds1820的读写作准备。搜索rom0f0h用于确定挂接在同一总线上ds1820的个数和识别64位rom地址。为操作各器件作好准备。跳过rom0cch忽略64位rom地址，直接向ds1820发温度变换命令。适用于单片工作。告警搜索命令0ech执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。表2.5.5 ram指令表指 令约定代码功 能温度变换44h启动ds1820进行温度转换，转换时最长为500ms（典型为200ms）。结果存入内部9字节ram中。读暂存器0beh内部ram中9字节的内容写暂存器4eh发出向内部ram的3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。复制暂存器48h将ram中第3、4字节的内容复制到eeprom中。重调eeprom0b8h将eeprom中内容恢复到ram中的第3、4字节。读供电方式0b4h读ds1820的供电模式。寄生供电时ds1820发送“0”，外接电源供电ds1820发送“1”。ds18b20的读写时序和测温原理与ds1820相同,只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 2.6 流量测量2.6.1 流量传感器分类流量测量方法和仪表的种类繁多，分类方法也很多。至今为止，可供工业用的流量仪表种类达60种之多。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。按测量对象划分就有封闭管道和明渠两大类；按测量目的又可分为总量测量和流量测量，其仪表分别称作总量表和流量计。按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。按照目前最流行、最广泛的分类法，即分为：容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计、探针式流量计，来分别阐述各种流量计的原理、特点、应用概况及国内外的发展情况6。1、差压式流量计差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压，已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。差压式流量计由一次装置（检测件）和二次装置（差压转换和流量显示仪表）组成。通常以检测件形式对差压式流量计分类，如孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器及流量显示仪表。它已发展为三化（系列化、通用化及标准化）程度很高的、种类规格庞杂的一大类仪表，它既可测量流量参数，也可测量其它参数（如压力、物位、密度等）。差压式流量计是一类应用最广泛的流量计，在各类流量仪表中其使用量占居首位。近年来，由于各种新型流量计的问世，它的使用量百分数逐渐下降，但目前仍是最重要的一类流量计。优点：（1）应用最多的孔板式流量计结构牢固，性能稳定可靠，使用寿命长；（2）应用范围广泛，至今尚无任何一类流量计可与之相比拟；（3）检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产，便于规模经济生产。缺点：（1）测量精度普遍偏低；（2）范围度窄，一般仅3：14：1；（3）现场安装条件要求高；（4）压损大（指孔板、喷嘴等）。应用概况：差压式流量计应用范围特别广泛，在封闭管道的流量测量中各种对象都有应用，如流体方面：单相、混相、洁净、脏污、粘性流等；工作状态方面：常压、高压、真空、常温、高温、低温等；管径方面：从几mm到几m；流动条件方面：亚音速、音速、脉动流等。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的1/41/3。2、浮子流量计浮子流量计，又称转子流量计，是变面积式流量计的一种，在一根由下向上扩大的垂直锥管中，圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的，从而使浮子可以在锥管内自由地上升和下降。浮子流量计是仅次于差压式流量计应用范围最宽广的一类流量计，特别在小、微流量方面有举足轻重的作用。特点：（1）玻璃锥管浮子流量计结构简单，使用方便，缺点是耐压力低，有玻璃管易碎的较大风险；（2）适用于小管径和低流速；（3）压力损失较低。3、容积式流量计容积式流量计，又称定排量流量计，简称pd流量计，在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。容积式流量计按其测量元件分类，可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。优点：（1）计量精度高；（2）安装管道条件对计量精度没有影响；（3）可用于高粘度液体的测量；（4）范围度宽；（5）直读式仪表无需外部能源可直接获得累计，总量，清晰明了，操作简便。缺点：（1）结果复杂，体积庞大；（2）被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大；（3）不适用于高、低温场合；（4）大部分仪表只适用于洁净单相流体； （5）产生噪声及振动。应用概况：容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计并列为三类使用量最大的流量计，常应用于昂贵介质（油品、天然气等）的总量测量。4、涡轮流量计涡轮流量计，是速度式流量计中的主要种类，它采用多叶片的转子（涡轮）感受流体平均流速，从而且推导出流量或总量的仪表。一般它由传感器和显示仪两部分组成，也可做成整体式。优点：（1）高精度，在所有流量计中，属于最精确的流量计；（2）重复性好；（3）元零点漂移，抗干扰能力好；（4）范围度宽；（5）结构紧凑。缺点：（1）不能长期保持校准特性；（2）流体物性对流量特性有较大影响。应用概况：涡轮流量计在以下一些测量对象获得广泛应用：石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体统在欧洲和美国，涡轮流量计在用量上是仅次于孔板流量计的天然计量仪表，仅荷兰在天然气管线上就采用了2600多台各种尺寸，压力从0.86.5mpa的气体涡轮流量计，它们已成为优良的天然气计量仪表。5、电磁流量计电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律