（测试计量技术及仪器专业论文）智能型暖气表及远程抄表系统.pdf

摘要 民用住宅的暖气计量一直是供暖技术中的一个主要问题，现有的按使用 面积收费的方式蒜砾r 多不合理的因素。为解决这一问题，本文研制了一 种新型的暖气表以及与之配套的远程抄表系统。整个系统由户机、采集器、 p c 机二部分组成：户机通过实时测量热水的瞬时流量及温度，得到用户在一 段时问内的用热屉：测厦数据通过采集器可以远传至物业管理中心的p c 机， 由管理中心统一完成数据处理、费用结算、报表打印等多项任务。本文详细 阐述了整个系统的硬件和软件设计，介绍了相应的抗干扰措施，并对误差来 源作了简要的分析。 a b s t r a c t t h ec a l c u l a t i o no fh e a ti ac i v i l i a nb u i l d i n g sh a sc o n t i n u o u s l yb e e nad i f f i c u l t p r o b l e mi nt h eh e a t i n gs y s t e m t h et r a d i t i o n a lm e t h o do fc o l l e c t i n gf e e sb yt h e s p a c eo fr o o m sl e a v e sm u c ht ob ed e s i r e d i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，an e w t y p eo fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tm e a s u r i n gh e a ta n dt h ec o m p u t e rs y s t e mc o n c e r n i n g l o n g - d i s t a n c ed a t a c o l l e c t i o na r e p r e s e n t e d i nt h i s p a p e r t h ew h o l es y s t e m i s c o m p o s e do f t h r e ep a r t s ：ah o u s e h o l di n s t r u m e n t ，ad a t a - c o l l e c t i n gs y s t e ma n da p e r s o n a lc o m p u t e r w i t ht h ef i r s tp a r t ，t h ec o r r e c tv a l u eo f h e a tc a nb eo b t a i n e db y m e a n so f m e a s u r i n gt h er a t eo f f l o wa n dt h et e m p e r a t u r eo fh o tw a t e r f u r t h e r m o r e ， t h em e a s u r e m e n tr e s u l tc a nb es e n tt ot h ea d m i n i s t r a t i v ec e n t e rt h r o u g ht h ed a t a - c o l l e c t i n gs y s t e m t h ep ci nt h ea d m i n i s t r a t i v ec e n t e ri si n c h a r g eo fd a t a - c o l l e c t i o na n df e e m a n a g e m e n t i nt h i sp a p e rt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h i s s y s t e m a r e e x p o u n d e d i n d e t a i l ，t h e i n t e r f e r e n c e r e s i s t a n tm e a s u r e s p r e s e n t e d ，t h ec a u s e so f e r r o ra n a l y s e d + 第一章绪论 第节课题来源及意义 1 1 1 智能化住宅简介 人类已经进入2 1l ：纪，现代科技的力悬，打破了传统的时空界限，借助计 算机网络和层出不穷的信息技术，人们足不山户可纵览全球，电子商务、远程 教育、移动办公、网一l ：1 1 9 l j 灭、以超乎想象的速度改变了人类的生产、生活方 式，更深刻地影响r 人类的思维模式和生存状态。 礼会的信息化也唤起r 人们剥。仆宅十i l f j 化的需要智能化住宅小区就是顺 心这 j 侈坍发展起来的。智能化住宅小区把先进的科学技术与现代建筑工艺紧 擀结合为小区住户提供了一个安全、舒适、方便、优化的生活环境，实现了 小，扛活服务的商效化、节能化乖 环保化。 楼r 自动化赴体现建筑物“智能”的土要部分。楼宇自动化系统( b u i l d i n g a u t o m a t i o ns y s t e m ，简称b a s ) 全面综合了计算机、测控和通信技术，采用集 散或现场总线分布式挖制系统的结构及先进的管理技术，可以实现对建筑物的 i t 火i i i 控、安全保障及能源管理功能。b a s 的实施还实现了无人抄表，住宅小 区各住户的水、电、气、热等表具能够自动计量并将数据远传至智能化物业管 理中心，由管理中心统一对各表数据进行录入、计费并打印收费账单，然后将 数 j ；l ；送划午庸j 1 5 能部门，避免，入户抄表扰民和人为读数误差，大大提高了物 q p 管理水甲。 i 1 2 供暖系统用热景准确汁量的重要意义 随行我恫经济建设的发展人民牛衍水平n 靛提高，区域性的集中热水供 暖，即俗称的“暖气”，l 在我幽j t 方的人。i i 城啊得到普及。但划+ 暖气川户的 刚热量却长期缺乏一个合理的计量措施，大部分地区仍按供暖的建筑面积计 伪，f i | j l i 是按实际, f i j 热堪计费。于是，一些供热量偏高、室内温度偏高的建筑 的川j “，小足想办设法_ i j 9 节供热量来降低室内温度，i i 】是采取冬季) f 窗韵方式 来散热。这种热量计量与实际用热量不挂钩的计费方式，不仅不利于唤起人们 的节能意识。导致热最的大量损失，而n 使供热企业的经济效益变差，制约了 城i 仃集i i i 供暖的发展，o j 住宅钳能化的要求极不协调。 化i l 场经济条件i - ，供热企业与崾气用户之间的关系变成业主与顾客之间 的商品买卖关系。企业有按其供给用户热量的数量和质量进行定价和收费的责 任，用户有按其得到的热量的数晟和质量进行议价和付费的要求。尤其随着“房 改”进展和住房私有化后，住户对采暖方式又有了自主选择的权利和自由。这 些都将对传统的暖气计费方式提出挑战。 因此，为适应市场经济体制运作的要求同时满足住户对家居生活自动化、 安全化、舒适化的要求，设汁一种合理的、准确的汁量暖气川，o 的用热量的黻 置已经成为当前供暖技术中亟待解决的课题。 第二竹阿内外研究现状及发展水平 目前供暖系统的供热量计量主要有以下两种方法； 1 热分配表法： 这是国外若培卡彻公司研制的一利间接热量测量法，如图1 1 。在双管 供暖系统的每组散热器上，安装一个温控阀和盛有某种特定液体介质的量热 表，表中的液体介质因接受散热器的热量而蒸发，以其在整个采暖季蒸发量的 多少，来换算出该组散热器的耗热量。为此，需将散热器根据其热媒温度、几 何形状、材质构造、连接方式、安装条件等因素分成不同的组型，并在实验室 中预先确定出各组型散热器的热量换算特性系数c ，然后据此进行该组型散热 器的耗热量计算。 1 温控阀2 量热表3 散热器 图1 1热分配表法热量计量装置图 2 这种热量计量方法的优点是可直接用于现有双管供暖系统的热量计量，但 i | 【r 杆纰j 性敝热器的特。n 系数c 常【 1 该供热企业的实验室标定，技术垄断性 烈，热培计量透明艘低，而【l 义是以每组散热器为计量单元，不是以房间为 电位进行计量，企业和用户都觉得有些1 i 便，加上价格昂贵，在目前国情下难 以排广应用。 2 热水表热员计屏法： d ) l j 户接点装置内供、叫水支管i 二，各装一个热水表，用热水表计量的热 水流量来代替用户的j h 热量。 这种办法简堆易j j ：，们n ：水濉变化的陆况卜，川热水流斌代特热量足刁i 合 理的，误差较大。 j , j l | j i 址l l f 场荫二括，我1 f j 研：州r种川3 j 【心川化它的钳能姒暖气农以及与之 眦食的远科抄表系统。这种装置适j 【 j j | 现有的双管供i 暖系统，暖气表通过实时 测最供回水管道中热水的瞬时流量及温差，得到用户在一段时间内的用热量。 除户机部分外，系统的其他硬件部分可与水、电、气的计量系统公用，使成本 人人降低。采集器与p c 机的通讯采川f | ；彳，异步通讯标准r s 4 8 5 ，采集器中的 测齄数据及设备状态可以通过r s 4 8 5 总线远传至智能化物业管理中心的p c 机，山管理中心统一进行处理，实现了“无人抄表”，消除了入户抄表所带来 的人为误差、计费时间不统一、存在安全隐患等诸多弊病。 这种热量计量方法准确度高，而且不需对现有供暖管道作太大改动，简单 动行，成本低廉，具有很火的i h 场潜力。该系统的实现有助于自动抄表、自动 汁赞的楼j 二r 1 动化综介竹7 i i ! 系统的实施，适廊 l ：会的进步和发展。 第二章系统硬件设计 第一节系统整体结构简介 “智能型暖气表及远程抄表系统”由户机、采集器和p c 机三部分组成。 户机： 安装于每个暖气用户家中，包括流量传感器、温度传感器、单片 机系统等部分，其原理框图如图2 1 。流量传感器l r 用以检测水的流量，两 只温度传感器t r l 、t r 2 分别测量供暖装置的进水温度和回水温度。三个信号 在单片机中进行处理和运算后得到用户的用热量q 。户机通过两根总线与采 集器相连。为保i i e 户机供f u 的可靠性，户机不单独设电源，而是由采集器通 过总线为各台户d t 9 , l 电。这种供电方式简化了户机的结构，提高了性价比。 图2 1 户机原理框图 采集器：由a t 8 9 c 5 1 单片机系统构成。采集器周期地巡呼各户机，接收 各户机送来的数据信息和工作信息，管理各户机，并向各户机供电。一个采集 器最多可管理2 5 6 个户机。利用r s 4 8 5 串行通讯接口完成与p c 机通信的功 能。 物业管理中心的p c 机通过r s 2 3 2 r s 一4 8 5 转换接口与采集器通信，负责 对多个采集器送来的户机的信息进行j j n - r 处理、数据显示、报表打印、费用结 算等。 4 第二节测热系统数学模型的建立 供暖系统叫，热媒的输热屋l i 下式确定： q = c ，l ，( t ，i 一嘲( 2 - 】) = c 工- 7 式中。q 一一输热量； c 一一比热； l 一一热媒流量； 7 一一热媒输热前后的温差 由式( 2 - 1 ) 看出，输热量的大小由热媒的两个参数一一流量和温差a t 一一来确定。由于供暖系统的负荷是一种季节性负荷，其大小随室外温度的变 化而变化。同时，为了保证供暖质量、防止水力失调，又要求供暖系统按分阶 段改变流量的质调节方式运行。这就导致了热媒输热量中的两个计量参数l 和a t 都是变量，其输热量的大小，要由积分计算确定，即： q 2 l ，( 厶，a 7 ) d r ( 2 - 2 ) 实际测量时，当测量的时间间隔a t 很小时，水温的变化很小，即可以近似 认为，_ 0 时，温差a t 为一定值，从而将积分式转化为求累加和； - ”酗( 2 - 3 ) = q + q 。 q ，= c 虬，a 7 ： ( 2 - 4 ) 式中，厶一一第，次测量的瞬时流量 7 ：一一第f 次测量的瞬时温差 叮i 第f 次测量的瞬时用热量 q 。一一，1 次测量所得的累积用热量 实际测量时，可以定时间间隔，进行测量，也可以定瞬时流量蝇进行测 量，第二种方法具体来讲就是当流量测量仪计量到一定量的水量流过时就对 进、回水管道中的水温之差7 ：进行一次测量，按式( 2 - 4 ) 计算出q 。，并对累 计用热量q 。进行一次累加计算。一定的水量可由程序设定。 显然，定流量测量方法比定时问问隔测量更为简便，而且在水流量大时测 量间隔较短，水流量小时测量问隔较长，可保证热量计量精确。因此，本系统 采用定流量的方法进行测量。 第三，流量的测量 2 3 i 流量的概念 在流动的流体中考察某一任意横截面，在单位时间内通过这个横截面的流 体数量。称为“瞬叫流量”，月j ，表示；在一定的时间间隔内流过该截面的流 体总量，称为“累积总量”，用l 表示。两者之间的关系是： ：f 2 l d t( 2 5 ) d l l 显然，根据计算流体数量的办法或单位不同，流量又有“质量流量”和“体 积流量”之分。质量流量表示为，。，单位为k g h ；体积流量表示为，v ，单位 为卅3 i h 。两者之问的关系是： ，。= p l ， ( 2 - 6 ) 此处，p 为流体的密度，它是随流体的温度、堰力而变化的，在换算时要予以 考虑。 与，。和，v 相对应，累积总量l 也可分为累积总质量l 。( 单位为) 及累 积总体积l 。( 单位为州3 ) 。( 此处为液体情况，气体情况从略。) 质量流量不受温度或密度等流体诸条件的影响，这是其显著特点，但由于 刁i 容易测定，所以一般是先测定体积流量，必要时加以密度修正，然后求质量 流量。 流量测定的原理大致可分为两大类，即直接测定流量的方式和先求流速再 6 管 7 u = r ，。，t 曰( 2 - 7 ) “ 式f 1 ，凡，为霍尔系数，它足山材料性质所决定的一个常数。 霍尔集成传感器是将稚尔元件与放大器集成于单片上所构成的传感器，有 线性与开关型两种。本课题选用开关型霍尔元件传感器，其结构框图如图 2 - 3 a 所1 。它继尔兀仆h 、放火 a 、施密特电路s 、集f u 极开路输出级v t 及稳脏环“1 yr 组成。：i ：作特性如图2 3 b 所示，它表示输出电压与磁感 图2 - 3a图2 3b 图2 - 3 ，i ：关型霍尔集成传感器的结构与特性 j 衄强度bf l , j 天系，劈。，为l 作点“”n 勺磁感应强度：口。，j , j 释放点“关”的 磁感应强度。从特性可见，这科t 传感器具有磁滞特性，可以防止噪声干扰，使 ) 1 ：关动作更为可靠。 实际使川f 内流i l ：测甩仪的框架为球形，如图2 - 4 ，对应球的轴需对称地挖 i ； 些扇型以便j r j , g 球形框架结构，使水流可以从任一方向冲击叶片旋转。通 过框架的直径安装2 4 个1 1 i 片，在i i l 片的外缘安装一块磁钢。在框架的相应位 截安姨个7 l ：关型j ：i 尔集成传感器，这个位置应使叶片转动时磁钢靠近传感 器。霍尔集成传感器接好线后，应用环氧树脂固化以达防水目的。当水流冲击 叶片时，u l 片带动磁钢旋转，磁钢靠近霍尔开关集成电路时，电路便输出一个 l | ，f ：冲，通过测碾脉冲的数斤i ：【 f j 可得到流速的人小。为减少热损失，流量测量仪 j 越+ 奠驶n 1 ! j i 暖狄w 的水竹l ：( 冷端) 。 l 一杆2 磁钢3 一叶轮 4 一轴承5 开关型霍尔集成传感器 图2 - 4霍尔式流量测量仪示意图 很明显，水的流速矿与霍尔开关每秒钟输出的脉冲数”成正比 v = o ，( 2 8 ) 式i i i ，c 为比例系数 流速乘以时间再乘以管道的横截面积即可得到一定时间内流量的大小。 标定c 较为简单的方法是：将标准流速仪和被测定的流速仪放置于流场的 同一点，标准流速仪的读数为v ，被标定的流速仪的读数为c ，九则 v = c n ( 2 - 9 ) 式中，n 即计数器测得的霍尔开关1 秒钟内输出的脉冲数。 在忽略流体与叶片问的相对滑动的情况下，c 就是叶片外缘的圆周长。 c = 2 刀押( 2 1 0 ) 式中，r 为叶片圆周的半径 若4 片叶片转动轮每个的外缘处都安装一个间隔为9 0 的磁钢，则 c ：罢尺 ( 2 1 1 ) 2 2 3 3 流量测量电路 通过测量霍尔集成传感器的输山脉冲的个数即可由式( 2 9 ) 得到流速的 大小，进而可推知流量的大小，测量电路如图2 - 5 。 图2 - 5流量测量电路 开关型霍尔传感器选用u g n 3 0 2 0 ，其电源电压为4 5 2 5 v ，对磁感应强度 b 的大小要求不严格，当电源电压为+ 1 2 v 时，其输出截止电压的幅值 v o 1 2 v 。其i 、3 脚间的负载电阻r 1 6 必须接上才能正常工作。 第四节温度的测量 2 4 1 温度传感器的选择 随着微电子技术日新月异的发展，产生了各种高性能的半导体集成温度传 感器。集成温度传感器是把温度传感器与放大整形等后续电路，利用集成化技 术制作在同一芯片上的功能器件。这种传感器具有体积小、热惰性小、反应快、 测量精度高、稳定性好、校准方便、价格低廉等特点，因而在温度测控领域获 得了广泛应h j 。 a d 5 9 0 是一种两端集成温度传感器，其t o 2 封装如图2 - 6 。 a d 5 9 0 的主要技术参数如下： 电源电压：4 3 0 v ；工作温度：- 5 5 + 1 5 0 ； 标定系数：lu k ；重复性：0 1 长期漂移：土0 1 m o n ； 电压抑制比：0 51 1 v ( + 4 v v s + 5 v ) ； o2ua v ( + 5 v v s + 1 5 v ) ； 0 1l ia v n l 5 v v s + 3 0 v ) 1 0 c a n 为管芯衬底，浮置 图2 - 6a d 5 9 0 封装 a d 5 9 0 作为一种电流输出型温度传感器，主要具有以下特点： 1 仅需+ 4 + 3 0 v 的直流工作电压，不需要电源滤波器、导线温度补偿和 线性化电路等。 2 一致性好，即当温度为2 9 8 2 k ( + 2 5 ) 时，a d 5 9 0 的输出稳恒电流 为2 9 82ua ，随着温度的升高或降低，以1pa i o k 增减其输出电流。 而且a d 5 9 0 互换性好，不但器件本身可以互换，接收电路及有关工作 软件也都可以互换。 3 精度：经过激光平衡调整，a d 5 9 0 的校准精度可达o 5 ，全温区范 围线性度可达o3 。c ( a d 5 9 0 m ) 。当其在1 0 c 温区范围内校正后测量， 精度可达0l ，在全温区范围内( 5 5 + 1 4 5 c ) 使用，精度也可高达 l 。 4 抗干扰能力强：作为一种正比于温度的高阻电流源，它克服了电压输 出型温度传感器在长距离温度遥测和遥控应用中电压信号损失和噪声 干扰问题，不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰，适用于远 距离温度测控。 5 对电源电压漂移和纹波不敏感，例如：电源电压从+ 5 v 变n + 1 0 v 仅引 起lp a 最大电流变化。 6 电气上耐用，可以承受正向+ 4 4 v 、反向+ 2 0 v 的电压，外加电源紊乱 不会损坏器件。 7 功耗低，约1 5 m w 左右。 由于a d s 9 0 具有上述显著特点，因此选其作为户机部分的温度传感器。 2 4 2 测温电路设计 a d 5 9 0 是电流输出型器件，其输出电流需转变成数字信号才能送给单片 机进行处理。可以先把电流转变为电压，再经过a d 器件变成数字信号。但 这种方法需占用较多的口线，而且a d 器件一般体积较大、价格较高。在本 设计中用v f 转换器代替a d 转换器。这利方法简单易行，接口简单，仅占 用单片机的一根i o 线，比同等转换精度a d 器件的性价比高。 由于户机部分不单独设电源，很难给器件提供负电压，因此必须选用可在 单电源下工作的v f 转换芯片。本设计从性能价格比和实际情况出发，选用 l m 3 3 1 型转换器，将温差a t 转变成方波脉冲送至单片机进行计数。 图2 7 测温电路圈 测温电路如圉2 7 所示。t r l 、t r 2 是两个a o s 9 0 温度传感器，分别安装 于用户的供水管( 热端) 和回水管( 冷端) 上。由于t r l 、t r 2 顺向串接，所 以实际上i r 是两温度传感器输出的电流差。这个电流差的大小对应着供水温 度和回水温度的差值，范围在0 - l o o 左右，那么也就是表明i r 的值在o l o ua 范围内。i r 经过i v 变换，转变为0 5 v 的电压，由l m 3 3 1 进行变 换后，将频率信号真接送至2 0 5 1 单片机的引脚t l 计数该测温电路的最大 输出频率为： 厶。= 惫上r 1 4 c l o 协 式中，r 。由9 1 5 和电位器p l 组成，作用是调整l m 3 3 1 的增益偏差和由r 1 8 、 r 1 4 、c 1 0 引起的偏差。当7 1 = 1 0 6 c ，即v i n = 5 v 时，d 。的最大值可能为 5 9 8 l h z ，小卜振荡频率f 内二十四分之一( 5 9 8 | i t z ( 2 m h z 2 4 ) ，满足单片机接 收频率信号的要求。 第五节户机其它部分硬件设计 户机与采集器之间的通讯及户机的供电方案是本系统的关键部分。 现有的通讯方式有点对点式和总线式两大类，若采用前者，每个检测量的 信息由独立的通讯线路送给采集器。不仅使户机与采集器间的连线较多、施工 不便。采集器管理的表数也因此受到限制。本系统采用“一信一地”式的二总 线制。户机与采集器之间的通讯、供电全部由两根导线完成，户机不单独设电 源，由采集器统一向它管理的2 5 6 台户机送电。采集器发出1 2 v 的方波脉冲 至总线上，正半周用来对各户机供电，负半周完成采集器与户机之间的通讯。 户机的地线接在水表表壳上，通过水表表壳再与总线的地线相连。总线输出的 供电功率为2 5 w 。 ； 这种通讯与供电相结合的二总线制方式既节省硬件资源。使户机构造简 单又保证了供电的可靠性。降低了功耗，大大提高了性价比。 木系统选用a t 8 9 c 2 0 5 1 作为户机部分的微控制器。2 0 5 1 是种低功耗、 高性能的8 位c m o s 微控制船芯片，其管脚分布如图2 - 8 ，主要性能如下； ，与m c s 5 l 产品兼容 2 k b f p e r o m ，寿命可达 1 0 0 0 次写，擦除周期 宽工作电压范围为2 7 v 6 v 全静态工作方式：0 h z 2 4 m h z 片内有1 2 8 x 8 位s r a m 1 5 条可编程i ( 9 线 2 个1 6 位定u , t 计数器 5 个q ，断源 可编程串行通道 低功耗的闲置与掉电模式 图2 - 8b t 8 9 c 2 0 5 l 管脚图 系统中的运算放大器均采用l m 3 2 4 。这是一种单片高增益运算放大器，片 内集成了四个运放，可在较宽工作电压范围内的单电源或双电源下工作( + 5 v + l5 v ) ，其电源电流很小h 与电源电压无关，四个运放一致性好；其输入偏流 i u 阻足温度补偿的，刁i 需外接频率补偿，输出l b s f 与数字电路兼容。 2 i 1 户机的通讯电路设计 户机接收电路( 图2 - 9 ) ：采集器发送1 2 v 的方波脉冲至总线b l 上( 如 图2 1 0 ) ，当方波处与正半周。即a 点为逻辑“1 ”( 高电平) 时，三极管t 1 截i i - ，i n t l 为高电平：肖方波处于负半周时，即a 点为逻辑“0 ”( 低电平) 叫，t l 导_ i i j l ，i n t l 为低i 【i ，r 。若力波为短脉冲，则在脉冲下跳沿2 0 5 l 进入 t l 断服务程序，点名计数器加i ( 详见户机软件设计部分) 。可见，一i n t l 引脚 输入电i l 王的变化准确地跟随总线b 1 上高低电平的变化，这样，户机就可以准 确地 i l i 捉到来自采集_ ； ： 的信息。 + 1 2 v 1 2 v b 1 为总线 图2 - 9户机通讯电路图 峨j ! ? l 姗姗一珊 图2 1 0 采集器发送至总线上的脉冲波形 1 机发送i u 蹄：当2 0 5 l 的p 1 7i l 输i j j 高电平时，经过r 2 刑c l 充电，使 b 点为逻辑“l ”，导致三极管t 2 截止，a 点电压为1 2 v ；当p 1 7 口输出低电 、4 c 1 经过2 0 5 1 内部及t 2 放电，使t 2 导通，a 点电压为o v 。这样，总 线l 电址的变化就准确地反映了户机的2 0 5 l 的端口p 1 7 输出电平的变化。再 经过采集器部分的接【川l 跚，将电压的变化转变为0 + 5 的方波送给采集器检 测。 山j i 采集器发出的1 2 v 方波脉冲经过一定距离的传输后会有损耗，并且 刈总线i ：让 1 ：仆拨r 彩个j 、机此) f 1 ；以保证当方波脉冲到达户机端寸仍为 1 2 v 。根据测试，当总线上挂接_ 2 5 6 个户机后，线路总损耗低于1 5 v 。即总 线上的力波脉冲到达l 机端时仍火于1 0 v ，不会影响户机正常工作。 2 5 2 厂，机供电部分设计 本系统中的户机不单独设电源，而是由采集器通过总线为各户机供电。产 ，i 户机系统所需+ 5 v 电源的电路如图2 1 0 。采集器发至总线上的方波处于正半 j 州时。i 极稍：d 3 导通同时i 乜容c 2 被充电，山于l m 3 8 5 内部稳压管的作用， 曲个运放的输入电压均为2 5 v ，经同相放大后，在两个输出端v i 、v 2 均得到 + s v 的电压，其中v 2 为2 0 5 1 专用，v l 给户机其他部分供电；采集器发至总 线二的方波处于负半周时d 3 截止，c 2 经r 3 放电继续为户机供电。 图2 1 1户机+ 5 v 电源产生电路 采j n 两个运放的作用足当扁动时不致拉垮电源而使2 0 5 l 得不到复位信号。 为使两个反向串接的温度传感器a d 5 9 0 能正常工作，设计了一个能提供负 l 乜源的电路，如图2 1 2 。 图2 1 2 负i 匕源产生电路 u 1 d 的同相端输入电压为经过电阻分压后的25 v 直流电压，反向输入端的 信号为被第一片4 0 6 0 经过2 9 分频得到的方波脉冲，两者相比较在e 点产生 o + 1 2 v 的方波脉冲。当e 点为+ 1 2 v 时，经过d 5 对c 4 充电使g 点为- 1 2 v ； “1e 点为0 v 时由于二：极管d 5 反向截止，放电时间常数很大，c 4 放电非常 缓慢，所以在整个过程中g 点电位几乎无变化，可以为a d 5 9 0 提供一个稳定 的负r gj e , ，其电压值略高于1 2 v ，但不影响a d 5 9 0 正常工作。e 、f 、g 各点 的电压波形如图2 1 3 ( 图中电压的单位为v ) 。 1 6 + i 曲口口口 0 - 1 2 t ( 1 ) 图2 1 3e 、f 、g 各点的电压波形 2 5 3 户机复位电路设计 为防止程序跑飞，保证户机可靠运行，设计了一种复位方式：当采集器完 成一次对各个户机的巡呼，使户机复位。复位电路如图2 1 4 所示。 图2 - 1 4 户机复位电路图 图。i j 4 0 6 0 是1 4 位串行计数分频器，其引脚排列及说明如图2 - 1 5 。 q e q f q o c l r q h q i c k i o j q l q m 型 c k o e k o c k i ：频率输入 c k o ：频率输出 c l r ：清零端 q 。一q ，：分别是2 4 2 1 0 分频输山 q 。q 。；分别是2 ”2 “分频输出 图2 1 54 0 6 0 引脚排列及说明 复位电路选用了两片4 0 6 0 ，2 m h z 的时钟经过2 4 分频后作为第二片4 0 6 0 的时钟输入，故4 0 6 0 ( 2 ) 第3 脚输出脉冲信号f l 的频率是2 m h z 的时钟经 过2 4 2 ”分频后得到的，因而其周期t 1 为： t l = 2 4 2 1 4 2 0 0 0 0 0 0 1 3 l m s ( 2 1 4 ) 由式( 2 - 1 4 ) 可知，脉冲f l 低电平持续时间大约为6 5 5 m s ，若超过6 5 5 m s 户 机仍未给4 0 6 0 ( 2 ) 复位信号，即4 0 6 0 ( 2 ) 的1 2 脚仍为低，那么4 0 6 0 ( 2 ) 第3 脚产生高电平，使t 3 截止，2 0 5 l 的r s t 脚得到复位高电平，户机复位 程序从头执行，但户机内部的数据不会丢失。 由图( 2 15 ) 可见，在每一个通讯脉冲的上升沿，t 1 脚为高电平，因而 4 0 6 0 ( 2 ) 复位。短脉冲时，因其低电平时间仅为6 0 m s ，这时每隔6 0 m s ，4 0 6 0 ( 2 ) 就复位一次，这样4 0 6 0 ( 2 ) 的第3 脚不会产生高电平，即2 0 5 l 不会复 位：当采集器完成次对各户机的巡呼后，会发出一个长脉冲至总线上。因为 长脉冲的低电平持续时问为l o o m s ，故2 0 5 1 来不及在7 0 r e s 之内使4 0 6 0 ( 2 ) 复位，这就使4 0 6 0 ( 2 ) 的第3 脚会产生商电平，使2 0 5 1 复位。这种复位电 路保证了户机程序运行的安全哪靠。 c 7 与r 1 0 组成微分电路将方波转换成尖脉冲。使得复位信号的有效时间 维持两个机器周期以上即可。4 0 6 0 ( 1 ) 的第9 脚输出至2 0 5 l 的x t a l l 端， 作为2 0 5 l 的时钟输入。 第六节采集器的硬件设计 本设计中一台采集器可管理2 5 6 台户机，采集器一方面通过总线为各台户 机供电，并接收各户机报送的测量值和状态值，另一方面通过串行接口与物业 管理中心的p c 机通讯，将户机的数据报送p c 机。采集器起着沟通测量现场 ( 暖气用户家中) 和管理中心的桥梁作用，具有下列特点t 图2 - 1 6 采集器原理框图 i ) 采集器通过输入，输出电路可与2 5 6 台户机通讯并向各户机供电，户机无需 另接电源a 2 ) 采集器有独立的c p u 单元和数据处理单元，即使遇讯线路有故障或断电 出1 i 会引起数据丢失。 3 ) 采集器具有可靠的电源检测电路、看门狗电路、数据存储保护电路，并在 程序上实现了数据备份、校验处理、数据块保护处理及指令冗余等抗干扰 措施，使整个系统抗十扰能力强、稳定可靠。 采集器由a t 8 9 c 5 1 单片机系统构成。a t 8 9 c 5 1 是一种低功耗、高性能的8 似微控制器片内含4 k b 快闪可编程，擦除只读存储器( f p e r o m ) ，存储器可 循环写入擦除1 0 0 0 次，存储数据保存时间为l o 年，其指令系统、引脚功能与 8 0 3 1 兼容。 采集器的原理框图如图2 一1 6 所示，下面分别介绍各接1 2 1 电路。 2 6 i 采集器与户机之问的供电、通讯电路设计 图2 - i7 可以实现采集器与户机之间的通讯功能以及采集器向户机供电的功 能。 图2 1 7采集器供电及通讯电路 a d s 2 1 是集成测量放火器具有输入阻抗高、共模抑制比高、失调电流低、 过载能力强等特点，图2 - 1 7 是它的典型接法。其中4 脚和6 脚为外接调零端， 外接1 0 kq 电位器进行失调调整；1 4 脚和2 脚为外接增益电阻端：1 0 脚和1 3 j l j 4 l j , j 外接反馈电l i 且端。图r 1 1 ，增益f l l 阻r 。= r 3 j ，反馈电阻r 8 = r 。+ r w ， 增益a = “z 1 。1 脚和3 脚为信号输入端，需为共模信号提供信号电流。 、n 供i u l 【i 路( 输出l u 跚) ：当k r 8 9 c 5 l 在p 1 0u 输出高i u 3 剐“三极管t 1 1 导通，b 1 线上产生+ 1 2 v 的电压；p l0 口输出低电平时，t l l 截止，b 1 线上产 生一1 2 v 的电压。在p l0e 1 连续输出长脉冲及短脉冲信号，循环往复，总线b l 上也相应地产生1 2 v 的方波脉冲。采集器输出波形如图2 1 0 。 通讯电路( 接收电路) ：当户机在p l7 口产生高电平使总线上的电压为- 1 2 v 州电mr 3 l 、r 3 2 i ：无电流，矿= 矿= 一1 2 矿，因而a d 5 2 l 输出为0 v ，经反 川后，8 9 c 5 l 的p 1 1l i 检测到商电平；当户机在p 1 7 口产生低电平使总线b 1 1 ：的电压为0 v 时，电阻r 3 1 、r 3 2 上有电流流过，产生压降，经过反相，p 11 r i 检测到低电平。结合本章第五节有关内容可知，经过户机的发送电路与采集 器的接收i 乜路两个王1 ：忆采集器f i , jp i 1u 可以准确地捕捉到户机发送的数据 畸信息以便进行相应的处理。 2 6 2 复位电路设计 单片机程序运行时，有可能由于外界干扰串入导致程序不按既定的目标地 址执行，即出现“跑飞”现象；也有可能使程序进入“死循环”。为了检测到 料序锵，使i t ：t 0 i 到j i i 确的轨道j 二来，除了必不可少的软件设计之外，系统采 t 】微处理器监控电路d s l 2 3 2 实时监测向8 9 c 5 1 供电的电源电压以及程序运行 的状态，确保出现异常情况i 埘程序会从头执行。 d s l2 3 2 的管脚结构如图2 1 8 ，各引脚功能如下： p b r s t ：按钮复位输入端 t d ：看门狗定时器延时设置端 t o l ：5 或1 0 电压监测选择端 r s t ：商电平有效复位输出端 r s t ：。低电平有效复位输出端 s t ：周期输入 d s l 2 3 2 如图2 1 8 所示与a t 8 9 c 5 1 连接，可以实现电源电压监视、按键复位、 看门狗定时器三种功能： 电源电压监视 2 l t o l 接地时，若v c c 跌落至4 7 5 v 以下，d s l 2 3 2 产生r s t 信号。当电 源电压恢复正常后，r s t 信号至少保持2 5 0 m s ，以保证a t 8 9 c 5 l 正常复位。 按键复位 一般的按键复位电路需加上电阻、电容等分立元件，d s l 2 3 2 的p b r s t 引脚可以直接连接复位按键，不需要其它元件，有键按下时，r s t 引脚输出 至少2 5 0 m s 的复位信号。 看门狗定时器 当d s l 2 3 2 的- s t 端在设置的周期时问内未收到有效信号，r s t 将产生复 位信号以强迫微处理器复位。这一功能对于防止由于干扰等原因造成的单片机 程序“锁死”( 进入死循环) 或“跑飞”是非常有效的。t d 接地时的最大定 时时间为2 5 0 m s 。 图2 - 1 8 采集器复位电蹈图 程序设计时，每隔一段程序( 其执行时间小于2 5 0 m s ) 就置p 1 2 为零，使 s t 有效( “喂狗”) ，则d s l 2 3 2 不会产生复位信号。若程序“跑飞”或进入 “死循环”。就不会遇到“喂狗”程序，s t 未收到有效信号，就会在r s t 引 脚产生复位信号，使8 9 c 5 l 复位。 第三章系统软件设计 软件设计采用白顶向下、模块化、结构化的程序设计方法，把总的编程过 程逐步细分，分解成一个个功能模块，每个模块相互独立，其正确与否不依赖 j ：坩已模块，侮个模块都能完成一个明确的任务、实现某个具体的功能。这样 编制的程序易于调试、修改，可读性好。 第一节户机软件设计 本系统采用“一信地”式的二总线制。户机与采集器之间的通讯、供电 全部由两根导线完成。户机不单独设电源，由采集器统一向各户机供电。 ： 1 1 户机与采集器之问的通讯协议 通讯挑议如下： 1 采集器发送一个艮脉冲后开始一次对各户机的巡呼，长脉冲后的短脉冲 为地址码。第1 个短脉冲表示n ? n q 第1 号户机，第i 个短脉冲表示呼叫第i 号 户机( i 2 5 6 ) ，直至下一个长脉冲的到来完成一次呼叫循环。 2 缚个户机住接l l k n x , j 应的地址码呼叫后，在该次呼叫脉冲的负半周时间 内发出应答信号和1 位二进制数的数据信号，即第i 号户机处于n i 长脉冲后的 呼叫循环中州+ ，在，个短脉冲负半周时间内向采集器发送应答信号和第j 位数 据信号。 图3 - 1 户机发送数据的波形 3 k 脉冲的周期为l ot ，短脉冲的周期为6t ，短脉冲的负半周期长为3t ， 其中负半剧起始的o5t 为准备时间，接着的itu , f i - j p 机用来向采集器发出应 答信号，以表明户机的工作以及户机与采集器间的连线是否正常，再接着的1 t 时问，户机用来向采集器传送被测置结果数据的一位二进数据，最后的o 5 箍 t 时间为结束收尾时间。在点名短脉冲的负半周期，户机向主机发送数据的情 况如图3 1 。 4 相邻的连续两个长脉冲构成一个双长脉冲信号，作为数据传输起始位的 标志。双长脉冲及双长脉冲后的长脉冲n i 、n 2 、n j 、n n 所对应的每 次呼叫循环，依次传输备，。机向采集器所传送数据的二进制数的d i 、d 2 、 d j 、d n 位，也就是各户机的数据要经过n 次呼叫循环才能全部传送至采 集器。n 次呼叫循环结束后，采集器又发出1 个双长脉冲，各户机又开始向采 集器传送一组新的二进制数将采集器中的数据刷新。 系统传输的数据为6 位十进制数( 0 0 0 0 0 0 9 9 9 9 9 9 ) ，前两位用来表示温度 值，后四位用来表示用水量，对应的二进制数共为2 0 位。取t 等于工频周期， l | j 一= 2 0 m s ，挂在个采集器上的被传输量的个数为最大值2 5 6 ( o f f h ) 个时， 采集器接受各户机传来的一组新数据的 寸问需要1 0 3 m i n ，这对于计费管理系 统来说是足够了。 1 2 户机部分程序的流程图 1 户机t 程序流程 2j 、机测量j ：程序流程 3 户, t j l i n t l 中断服务程序流程 置i - ：3 瞬时用热量q 、累积用热量q ，的计算 通过流量，频率变换以及温度，频率变换，户机可以得到分别与流量、温差成 比例的频率信号，t 、，t ；。 由第二章第二节可得暖气用户的累积用热量或为 q 一2 酗( 3 - i ) = q 。1 + q 。 仉= 4 1 8 6 8 ”，i a i ； 式中， ，第，次测量的瞬时水流量，单位为千克 q i 第i 次测量的瞬时用热量 q 。一一，次测量所得的累积用热量 流量测量电路的转换关系为 n ，= 譬f _ t = kl 薯l i d t l = k l 月， 式中，| v ，流量测量仪输出的电脉冲个数，赫芝秒( h z s ) t l 、f 2 为本次测量时问的起点和终点 k ，流量测量仪的流量，频率转换系数，赫芝秒，千克 温度测量电路的转换关系为 矗= k ，7 ： ( 3 - 4 ) 式巾，一。一一与温差z 相对应的频率，赫芝 k ，温度测量电路的温度频率转换系数，赫芝度 _ ” ” 限 协 f 标i 表示第i 次测最 山( 3 - 2 ) ( 3 4 ) j _ 得，和吒的乘积n ，单位为h z 2 s 。 p = n | f t j = k l k r 1 。瓦 ( 3 - 5 ) ：每生48 6 81 令牛糌，可得 q i = k l 。p ( 3 - 6 ) k ，为暖气表转换系数。单位为兰。 h z 。s 软件设计采用定流量测量方法，在程序中预设流量脉冲个数0 代表流过的 水的质量，在i n t 0 i ，断服务程序，i , x , j 流量脉冲进行计数，当计数值等于n 。， 就认为管道中已流过一定量的水；启动t 0 、t l 进行一次温差测量，再按式 ( 3 5 ) 、( 3 - 6 ) 计算一次q ，并按式( 3 - 1 ) 计算得到累积用热量q 。，由户机中 的l c d 显示累积用热量；在呼叫短脉冲的负半周时按通讯协议将温差z ( 由 式( 3 - 4 ) 可得) 及累积用热量q 。报送采集器。 由1 ：长脉冲引起户帆复位，户机仅在采集器呼叫短脉冲的下眺沿产生- i n t l 中断因而用i n t i 中断来记录采集器机呼叫户机的地址码，以确定是否呼叫 小机。i n t 0 中断服务程序用来对收到的流量脉冲个数进行计数。t 0 工作在定 i i f 模式。对时钟脉冲进行计数；t l 工作在计数模式，在t 0 定时时间内，对温 差脉冲计数。 第二节采集器部分软件设计 采集器部分的软件包括a t 8 9 c 5 1 的主程序、测量子程序、中断服务程序以 及与p c 机通讯的子程序等，本节给出了部分程序的流程图。a t 8 9 c 5 1 与p c 机通讯的软件设计见第四章。 i 采集器- = j 三程序流程 开始 初始化： 1 设置堆栈指针 2 设置串行口丁：作在模式3 ， i 定时方式：t i 为模式2 初伉t 01 1 1 断次数预霄为4 ； 3 各计数单元、标志位清零 s m o d = l ；t o 工作在模式 定时方式，装载t 0 。t l 定时 4 p 1 0 = 1 ，采集器一上电就给户机供电；p 1 3 = 0 ，允许接收 5 启动t 06 开中断 调测量子程