（检测技术与自动化装置专业论文）红外预付费热量表系统的研制.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 随着经济的发展，合理利用“热”资源、改革供热收费制度已成为当前北方 地区供暖系统亟待解决的问题，为此本文在对现有的热量计量手段进行调研的基 础上，依据我国热量表的行业标准c j l 2 8 2 0 0 0 设计了红外预付费热量表系统。 本文首先介绍了热量计量原理，在此基础上提出了基于红外通讯技术进行数 据传递的设计方案，构建了红外预付费热量表系统的系统结构。所设计的热量表 以m s p 4 3 0 f 4 1 3 单片机为控制核心，采用一种全新的硬件电路实现温度和流量的 检测，在此基础上实现了热量的在线计量和预付费控制。为了提高供热公司的自 动化管理水平，开发了以三层的c 幅结构为基础的热量计量管理软件以实现相关 管理功能：最后对热量表的精度及其存在误差进行分析。 本文设计的红外预付费热量表系统达到了预期的性能指标。实验结果表明本 系统既实现了热量的准确计量，又具有预付费、红外通讯、微机管理的功能，具 有运行功耗低、热量计量精度高的特点，有一定技术优势和较高的性能价格比， 在目前国家推行供热系统按热量收费的背景下，有很好的应用前景。 关键词：红外通讯；热量表；热量计量；单片机 沈阳理1 = 大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , r a t i o n a lu s eo fh o tr e s o u r c e sa n d r e f o r mh e a t i n gs y s t e mh a sb e c o m ep r o b l e m st ob es o l v e di nh e a t i n gs y s t e mo f n o , h e mc h i n a b a s e do nt h er e s e a r c ho fe x i s t i n gh e a tm e t e n n gm e a n s ，a c c o r d i n gt o i n d u s t r ys t a n d a r d so fh e a tm e t e rc j l 2 8 - 2 0 0 0i no u rc o u n t r y , ak i n do fi n f r a r e dp r e p a i d h e a tm e t e rs y s t e mi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h ep r i n c i p l eo fh e a tm e a s u r e m e n ti si n t r o d u c e df i r s ti nt h i sp a p e r , b a s e do nt h i s p r i n c i p l e ，d e s i g nb a s e do ni n f r a r e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yf o rd a t at r a n s m i s s i o n i sp r o p o s e d ，s y s t e ms t r u c t u r eo fi n f r a r e dp r e p a i dh e a tm e t e rs y s t e mi sc o n s t r u c t e d h e a tm e t c rd e s i g n e db yt h i sp a p e ri sc o n t r o l l e db ym s p 4 3 0 f 4 1 3 t e m p e r a t u r ea n d f l o wd e t e c t i o ni sa c h i e v e db yan e wh a r d w a r ec i r c u i t b a s e do nt h o s e ，h e a t m e a s u r e m e n to n l i n ea n dp r e p a y m e n tc o n t r o li sa c h i e v e d i no r d e rt oe n h a n c et h e a u t o m a t i o nm a n a g e m e n tl e v e lo fh e a t i n gc o m p a n i e s ，h e a t i n gm e a s u r e m e n ta n d m a n a g e m e n ts o f t w a r eb a s e do nt h r e e t i e rc ss t r u c t u r e i sd e s i g n e dt oa c h i e v et h e r e l a t e dm a n a g e m e n tf u n c t i o n s f i n a l l y , t h ea c c u r a c yo fh e a tm e t e ra n de x i s t i n ge l t o ri s a n a l y z e d i i l f i a r e dp r e p a i dh e a tm e t e rs y s t e mi n t r o d u c e db yt h i sp a p e ra c h i e v e sa l lo fi t s f u n c t i o n sa n de x p e c t e dp e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i ti ss h o w t h a tt h es y s t e mw i l ln o to n l ya c h i e v et h ea c c u r a t em e a s u r e m e n to ft h eh e a t ，b u ta l s o h a st h ep r e p a i d ，i n f r a r e dc o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rm a n a g e m e n tf u n c t i o n s i th a s l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dh i g l lm e a s u r e m e n tp r e c i s i o ns o m et e c h n i c a la d v a n t a g e s a n dl o s tc o s t ，w i t hc e r t a i nt e c h n i c a la d v a n t a g e sa n dl o s tc o s t n o wo u rc o u n t r yi s c o m p l e m e n t i n gc h a r g er e f o r mo nh e a ts y s t e m ，t h i ss y s t e mw i l lh a sg o o dp r o s p e c t s k e yw o r d s ：i n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n ；h e a tm e t e r ；h e a tm e a s u r e m e n t ；m c u 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 售者芽翱：骢7 月2e t日期：埘年7 月2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：瓴5 呷指导教师签名：寸许 e t 期：功蚺7 月垌e t期：切刀 f 7 月2 臼 第1 章绪论 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 长期以来我国北方地区冬天城市集中供热的基本情况是供热企业和热用户 没有计量仪表，仍按建筑面积收取采暖费。随着社会的发展，这种供热收费制度 弊端日益突出。首先，“热”商品的量值是焦耳( 卡) ，而不是“面积”，以“面积” 计价不能真实全面的反映商品量的属性，因此也就无法做到公平交易【。其次， 收费率低也是目前供暖收费的一大问题，突出表现在某些居民( 或单位用户) 由于 种种原因长时间拖欠供暖费。由于传统的供热方式限制，很难在不影响其他用户 的情况下对欠费用户停止供暖，从而造成了供暖费的大量拖欠，给供热企业的生 产经营造成严重影响【2 l 。另外按面积收费的收费体制还导致了供热系统的低效率， 带来了大量的资源浪费和必要的环境污染。因此迫切需要对当前的供暖收费体制 进行改革。 建设部建筑节能。九五”规划和2 0 1 0 年规划的发展目标中明确指出： “对集中供暖的民用建筑在今后十年内应逐步安装热量表及调节设备，并实施按 表计量收费工作”1 3 1 。2 0 0 0 年建设部7 6 号令民用建筑节能管理规定1 4 1 又强 调自2 0 0 0 年1 0 月1 日起，新建住宅的集中采暖系统应当使用分户控制和热量计 量装置。2 0 0 1 年建设部发布了中华人民共和国城镇建设行业标准c j l 2 8 2 0 0 0 热 量表 5 1 。2 0 0 3 年7 月2 1 日建设部、国家发展和改革委员会、财政部、人事部、 民政部、劳动和社会保障部、税务总局、环境保护总局联合签发关于城镇供热 体制改革试点的指导意见，文件中指出“逐步实行按用热量计量收费制度，积极 推进城镇现有住宅节能改造和供热采暖设施改造” 6 1 。由此可见，实现热量商品 化，实行分户计量，按热量计量收费已经势在必行 7 1 。供热体改革的关键还要解 决热量计量手段，先进、有效的技术手段为城镇供暖体制改革保驾护航。热量表 正是实现热量计量的关键设备。在经济发达国家，采用户内供暖热量表的经验表 明：热量表作为热力公司向用户计价收费的依据，不仅已广泛被用户接受，而且 节能达到2 0 一3 0 。 随着我国经济的高速增长，每年新建居住面积不断增加，集中供热面积也以 沈阳理工大学硕士学位论文 每年近1 亿平方米的面积增加，对热量表的需求具有极大潜力。据测算，未来国 内每年约需要1 2 0 ，1 4 0 万只热量表【引。因此研制和开发适合我国国情的热量表是 一件将对我国城镇供热体制改革和建筑节能工作产生巨大影响、利国利民的事业。 热量表将成为民族工业中发展的热点，热量表的成功研制将会产生可观的经济效 益和社会效益。 1 2 热量表的国内外发展概况 热量表的研制是2 0 世纪7 0 年代由欧洲开始的。相应的“热表”，也经历了 从机械式、电子数字积分式，直到以微处理器为基础的智能式的发展过程，并拥 有了统一的行业标准。1 9 9 7 年4 月欧盟正式通过了统一的热量表标准e n l 4 3 4 1 9 1 ， 这表明了欧洲热量表技术的成熟和标准化的程度。因此我们应当借鉴欧洲的先进 技术与经验。可是借鉴不等于照搬，由于国情的差异，欧洲生产的热量表在我国 应用时，存在以下的局限性： 0 ( 1 ) 欧洲热量表积分计算仪一律采用k 系数补偿的方式。k 系数的取值在进 水和回水上是不同的，只能规定其中一个固定的位置，不能变换。因此欧洲的热 量表一般规定要安装在回水管道上。如果用户盗用热水，热量计量结果反而减少。 ( 2 ) 欧洲的热量表比较昂贵，价格上难以被国内用户所承受，因此难以推广。 ( 3 ) 欧洲的热量表是依照欧洲的热网条件进行研制的。欧洲热隐水质好，封 闭性好，补水量低，管网的防腐也做得非常好，因而对热水表的运行特别有利。 但是我国供暖水网条件由于种种原因环境较为恶劣，进口热表恐怕“水土不服”。 ( 4 ) 欧洲热量表采用的测温元件是p t l 0 0 和p t 5 0 0 ，而且以p t l 0 0 居多( 即在0 时电阻为1 0 0 欧姆1 。测温探头的引线电阻必然会给测量带来误差；因此对引 线电路的长度有严格的要求。 因此我们更应该根据自己的国情特点来开发适合自己的热量表。 我国热量表的自行研制开始于上世纪九十年代。目前国内生产热量表的企业 已超过了3 0 0 家( 2 0 0 6 年不完全统计1 ，所生产的热量表均采用i c 卡来传递有关的 热量信息和缴费信息，具有如下的优点： 首先，可以解决入户查表收费问题，实现自动计量； 第1 章绪论 其次，i c 卡容量大，数据存储安全性强，良好的机器读写性能； 第三，避免人情费、漏收费、欠费，利于实现办公自动化，更为重要的是通 过预付费可沉淀一部分资金，利于各部门资金周转，减轻负担，提高服务质量， 也有利于办公自动化【1 0 l 。 1 3 红外遥控技术在热量表中的应用 虽然卡式热量表在功能上已经比较完善，但仍存在一些系统本身不可避免的 缺陷，主要有以下几个方面： ( 1 ) i c 卡插拔问题。因为i c 卡热量表需要留有插口，所以导致热表易受外界 的干扰，如易受潮、非密封、易进杂物、人为破坏等，从而导致i c 卡热表失效； 同时经常的插拔会造成i c 卡的磨损。 ( 2 ) 通信距离问题。虽然i c 卡已经广泛使用，但其通信距离比较短，不方便 操作。 ( 3 ) 显示屏问题。用户的热量表一般安装在供暖水管附近，阴暗潮湿，一方 面液晶显示屏容易受潮，遭到腐蚀，同时也不利于操作人员读取水表的示值，不 利于操作。 随着信息技术的发速发展，无线技术正在向各个领域渗透，特别是红外无线 技术。在工业生产、家用电器、安全保卫以及人们的日常生活中得到了广泛应用。 目前，红外无线技术主要应用于遥控和数据通信两个方面。遥控的特点为距离近， 多用于家用遥控器，它所传输的数据量较小一般仅为几个或几十个字节控制码； 而数据通信用红外无线技术是最近几年刚兴起的一种较新的技术，与蓝牙技术并 驾齐驱。现流行的k d a ( i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ：红外线数据协会) 即为此类技术 的一个标准。按i r d a 标准设计的红外通信接口一般传输速率为2 4 0 0 b i t s 1 1 5 2 k b i t s ，有时甚至可达4 m b i t s 。利用红外无线技术的特点，可研制出一种红外预付 费热量表，既保留了i c 卡式热表所具有的优点，又可避免在热表上留有插口，减 小外界破坏的可能性。利用红外无线遥控技术可以在几米范围内对热表进行控制， 方便了使用者的操作1 1 l l 。 红外预付费热量表系统将先用热后缴费改变为先购买再消费，其管理模式为 预购热量一日常用热一报警提示一再预购热量，是一个简单的管理模式。此管理 沈阳理工大学硕士学位论文 模式使得在传统表具应用中存在的抄表难、收费难、停供暖难等问题迎刃而解。 1 4 本人所做工作及论文结构 1 4 1 本人所做工作 本课题是作者在对供热体制改革现状以及现有的热量计量手段进行调研的 基础上，参照国家的热量表行业标准c j l 2 8 - - 2 0 0 0 ，以m s p 4 3 0 f 4 1 3 单片机为核 心，设计开发了红外预付费热量表系统。主要工作如下： ( 1 ) 基于m s p 4 3 0 f 4 1 3 单片机，设计了红外预付费热量表。该表能够实现红 外热量数据信息的接收和发送，完成热量的智能计量，根据热量数值的大小对供 热管路进行通断控制等功能。该表包括电源模块、单片机最小子系统、温度采集 电路、流量采集电路、红外通信电路、人机接口电路、阀门控制电路等部分： ( 2 ) 设计了采用红外无线数据传输方式传输信息的红外抄表器。该抄表器有 两个数据传递接口，一个是r s 2 3 2 接口，可完成和上位机的数据通信，完成热量 充值操作；另一个是红外传输接口，实现与热量表之间的通信，完成热量通信信 息、剩余热量查询等传输工作； ( 3 ) 设计基于红外预付费热量表系统的计算机软件。该软件具有用户管理、 参数设置、充值数据管理、报表查询、数据统计等功能。 ( 4 ) 在硬件软件完成的基础上进行系统的调试。 1 4 2 论文结构 论文的主体按章划分，各章的内容安排如下：第一章介绍了课题研究的背景 及意义，并对国内外热量表的发展状况和红外通信技术在热量表中的应用进行了 介绍。 第二章具体介绍了红外预付费热量表的总体结构，论述了热量计量理和红外 预付费热量表的工作原理。 第三章具体介绍了系统硬件电路设计及实现。详细的描述了红外预付费热表 各个硬件部分的设计过程，从原理框图到电路设计，每一部分都叙述了实现方法。 4 第1 章绪论 第四章为热量表的软件设计及实现。本章结合硬件电路叙述了单片机软件的 设计及其实现；第五章介绍了热量计量管理软件的设计及其实现。 第六章，介绍调试环境和调试方法，给出调试结果，并做出误差分析。 最后的结论部分，对课题在各个方面所做工作加以总结，说明工作的先进与 不足之处，并以此为基础对下一步工作以及用热管理系统的发展提出一些展望。 第2 章红外预付费热量表系统设计方案 第2 章红外预付费热量表系统设计方案 本文设计的红外预付费热量表系统的研制要满足当前供热行业的实际需要， 同时也要满足国家的相关行业标准。为此系统的开发要依据热量表的基本原理， 制订周密的设计方案。 2 1 红外预付费热量表设计原理 2 1 1 热量计量原理 国家热量表行业标准c a l 2 8 - - 2 0 0 0 指出，热量表由流量传感器、配对温度传 感器和计算器构成。在供热用户中安装热量表，当热水流经供热用户时，根据流 量传感器给出的流量和配对温度传感器给出的供回水温度，以及热水流经的时间， 通过计算器可计算并显示供热用户所吸收的热量。其基本公式为： q 。p 。幽d f 。，冈j j l d f ( 2 - 1 ) 1 式中：c 卜供热用户所吸收的热量，j 或w h 靠一流经热量表的水的质量流量，k g h 吼一流经热量表的水的体积流量，m 3 h p 一流经热量表的水的密度，k g m 3 h 一供热用户的入口和出口温度下的焓值差，j k g t 一时间，h 由热量计算公式可以看出：热量是质量流量、焓差对时间的积分。要计算热 量，首先要取得质量流量。但目前经济适用的流量传感器均为体积流量传感器， 因此计算器在计算过程中要将体积流量转换为质量流量，q m = p x q v 。配对温度传 感器分别安装在管路系统的进出口，计算器通过a d 转换测得进出水口的温度， 进而取得水的进出口焓差，按热量计算公式计算出热量。 、 沈阳理工大学硕士学位论文 2 1 2 红外无线通信工作原理 红外线是指波长在7 5 0 r t m l m m 之间的电磁波，它的频率介于微波和可见光 之间，是一种人眼看不到的光线【1 2 1 。红外通信利用波长在8 5 0 r i m 9 0 0 r i m 之间的 近红外线作为信息的载体来进行通信【1 3 1 ，将二进制数调制成脉冲序列并以此驱动 红外线发射管向外发射红外光；而接收端则先将接收到的光脉冲信号转换为电信 号，再进行放大、滤波、解调处理后还原为二进制信号。 如图2 1 所示，典型的红外数据传输模型包括接口逻辑电路、编解码器、发 射器和接收器四部分。红外接口器件用来实现红外传输系统与微控制器、p c 或网 络系统的连接，设计中经常使用的器件有u a r t 串行异步收发器件、u s b 接口转 换器件等。红外编、解码的英文简称是e n d e c ，用来实现红外调制和解调。调 制方式有脉宽调* j j ( p w m ) 和脉时调制( p p m ) 两种：脉宽调制是指通过改变脉冲宽 度来调制信号；脉时调制是通过改变脉冲串之间的时间间隔来调制信号。红外编、 解码器件需要从外部接入时钟或使用自身的晶体振荡电路进行调制或解调。发射 器将携带信息的红外调制信号发送出去，接收器则利用红外探测器对红外信号进 行接收【1 4 】。 微控制接口 编、 器、p cl j 逻辑 l j 解码 厂叫广叫 或h 络电路 器 图2 1 红外数据传输基本模型 2 1 3 红外预付费热量表工作原理 平时热量表处于低功耗模式。当流量传感器发出流量脉冲或红外抄表器与热 量表进行通讯时，热量表被唤醒。首先将存储在热量表中的用户热量剩余值q i - l 取出并在l c d 上显示，接着判断是否是流量脉冲到来，若是则启动a d 转换电 第2 章红外预付费热量表系统设计方案 路，测量此时的供水温度值和回水温度值，经过一定的运算得到这段时间中( 这 次与上次热量表被流量脉冲唤醒的这段时间间隔) 用户消耗的供热量q 。，上次的用 户预购热量值q i _ 1 减去q t 后，得到的就是新的用户预购热量剩余值q ，如果该值 小于某一值时，热量表输出指令关闭阀门，停止对用户的暖气供应，热量表也将 重新进入低功耗模式。此时用户可以持红外抄表器到供热销售网点购买热量。当 红外抄表器与热量表通讯以后，热量表从低功耗模式中唤醒，热量表将抄表器中 存储的预购热量数据与原来的用户预购热量剩余值相加得到新的用户热量剩余 值，打开阀门，从而恢复对用户的暖气供应。热量表又随后进入低功耗模式。 2 2 系统总体结构及各部分功能 红外预付费热量表系统由红外预付费热量表、手持红外抄表器、热量计量管 理软件几部分构成，如图2 2 所示。将一对温度传感器分别安装在散热器的进水 口和出水口上，流量传感器安装在散热器进水口上，流量传感器发出与流量成正 比的脉冲信号，一对温度传感器给出表示进、出水口热水温度的模拟信号，这样 流量传感器、温度传感器就分别完成了流量、温度的检测任务。热量表对传感器 提供的信号进行数据采集处理，按计算公式算出用户使用的热量。阀门对热水流 量起控制作用，对用户超支用热或违章用热进行控制。手持红外抄表器在热量表 和管理站之间传递信息。热量计量管理软件则是供热方对用户进行信息管理，应 该包括开户、售热、用户信息查询、售热信息查询、图表打印等功能。 沈阳理工大学硕士学位论文 2 2 1 热量表的功能 r 矗习 i一 ! 一_ | 审 图2 2 红外预付费热量表系统组成框图 本课题设计的热量表具有以下主要功能： ( 1 ) 显示功能：和抄表器进行通讯后依次后显示“累计用热”、“本次购热” “进水温度”以及其他提示性符号； ( 2 ) 记忆功能：热量表中信息自行记忆，保持时间大于1 0 年； ( 3 ) 提示功能：当剩余热量不足，电源电压不足或误操作时热量表会报警提 示； “) 通讯功能：热量表能与手持红外抄表器之间进行数据信息的传递； ( 5 ) 透支功能：当热量表中的剩余热量耗尽后可继续使用。透支使用时显示 负值。当透支热量达到规定值时，热量表白动关阀；当购得热量加到表中时，热 量表会自动扣除已透支使用部分； ( 6 ) 防窃功能：当热量表后盖被打开后会自动报警，同时热量表会自动关闭。 2 2 2 手持红外抄表器的功能 本课题设计的抄表器是一个采用红外无线数据传输方式传输信息的红外遥 控器，是由供热公司发行并由用户使用的数据传输装置。其操作简便，使用方便。 害 第2 章红外预付费热量表系统设计方案 该抄表器有两个数据传输接口，一个是r s 2 3 2 接口，可完成和上位机的数据通信， 完成热量充值操作；另一个是红外传输接口，实现与热量表之间的通信，完成热 量通信信息、剩余热量查询等传输工作；在整个系统中红外抄表器起到了信息载 体的作用，相当于i c 卡水表中的i c 卡，但性能比j c 卡要优越。 2 2 3 热量计量管理软件的功能 上位机软件要求操作简单实用，易于维护。本课题设计的热量计量管理软件 具有如下功能： ( 1 ) 基本业务：包括用户信息管理、销售业务、完成对抄表器的操作，读取 抄表器信息，了解用户用热情况，热量表的工作状态等； ( 2 ) 查询：查询用户信息、交费记录等； ( 3 ) 统计：统计指定条件下的用户交费情况，统计某个时段的开户、销户、 窃用等情况； “) 管理维护：配置系统资源，设置操作人员的业务权限。 2 2 4 系统工作过程 介绍完红外预付费热量表系统后，接下来简单阐述一下系统的工作过程。热 量计量管理软件由供热公司使用。用户到供热公司预交费( 购热) ，管理员通过串 口在抄表器内写入用户购得的用热数量，同时将用户的用热情况记录在本系统p c 机的数据库中，以备日后查询。这样供热公司可以了解到各用户的用热情况和本 地区的用热规律，以利于公司控制用水和计划用水。同时供热公司可以决定是否 允许超额使用一定数量的水。用户购热后，将热量信息传递到热量表中，此时把 超额使用的热量扣除，这样既可以为用户提供方便，又不使双方受到损失，如超 过指定的超额用热量后，仍不购热，则自动关阀停止供热。 沈阳理工大学硕士学位论文 2 3 传感器的选择 2 3 1 流量传感器的选择 一般来说，流量传感器是安装于管路系统上，用于计量流过热交换回路的介 质的体积并发出流量信号的。按照其实现原理主要分为机械式、超声波式和电磁 式三种流量传感器。在本课题中，需要选用一种流量传感器，使之能够每流过一 定流量的热水就向微控制器发出一个电脉冲信号，由控制器计数并得到通过散热 器的热水体积。 衡量热量表用流量传感器的标准要考虑到其经济性、可维修性以及对工作条 件的要求程度。目前，7 0 以上的热量表采用机械式流量传感器。机械式流量传 感器之所以得到如此广泛的应用，主要是因为其具备如下的优点：耗电小、压损 小、量程比大、测量精度高、安装维护方便、价格低廉。 在本课题中，研究开发红外预付费热量表需要选用一种流量传感器，使之能 够每流过一定流量的热水就向微控制器发出一个电脉冲信号，由微控制器计数并 得到通过散热器的热水体积。为此本人选用宁波埃美柯公司的旋翼式远传发讯热 水流量计l x s l g 2 5 y 作为本课题的流量传感器。该流量计的工作温度范围是 0 。c - 9 0 0 c ，每1 0 l 发一次脉冲信号。 远传热水流量计是在机械热水表的基础上改装而来的。根据介质流动方向与 流量转子旋转方向是否共面，可将远传热水流量计氛围旋翼式流量计和螺翼式两 种。二者方向共面则称为旋翼式流量计，二者垂直则称之为螺翼式流量计。远传 热水流量计的传感元件是干簧管，在热水表上加装嵌有磁极的磁铁，当热水流经 使磁铁旋转时，磁铁交替地靠近干簧管，干簧管输出电脉冲信号；测量时把传感 元件输出的电脉冲信号经滤波电路送入微处理器的计数端口，即可完成流量的计 量。采用远传热水流量计具有如下优点：( 1 ) 输出的脉冲信号可直接输入微处理器 进行计算，无需信号处理：( 2 ) 对流量的测量稳定、可靠；( 3 ) 功耗较低，成本较低。 因此本课题采用远传热水流量计作为计量热水流量的流量传感器。 第2 章红外预付费热量表系统设计方案 2 3 2 温度传感器的选择 温度传感器是检测温度的器件，具有种类多、应用多、发展快等特点。但作 为热量表用的热量表必须满足下列条件： 在使用温度范围内温度特性曲线达到的精度能符合要求； 为了便于后继电路处理，必须有检测便捷和易于处理的特性。 对温度以外的信号不敏感。 体积要小，安装要方便。 由热量计量原理可知，影响红外预付费热量表计量精度的重要因素是流量传 感器和温度传感器的信号采集精度。然而在实际工程中，提高流量传感器的精度 或者很困难或者成本高难以接受，相比较之下，提高温度传感器的测量精度是非 常重要而且可行的。 现阶段的温度测量领域中，应用最广泛的测温方法有热电偶测温、热敏电阻 测温、集成式温度传感器、铂热电阻测温四种方法。 热电偶的温度测量范围广，结构简单，价格便宜，但是它的电动势小，灵敏 度较低，误差较大，而且实际使用时必须加冷端补偿，使用不是很方便。 热敏电阻具有灵敏度高、响应快、功耗低、价格低廉等优点，但其阻值与温 度变化成非线性关系，在测量精度较高的场合必须进行非线性处理，此外元件的 稳定性以及互换性较差，从而限制了它的应用范围。 集成式温度传感器是新一代的温度传感器，具有体积小、重量轻、线性度好、 性能稳定等优点，适合远距离测量和传输。但目前国内用于智能热量表领域的还 比较少，同时价格较为昂贵。 铂热电阻具有输出电势大、线性度好、灵敏度高、互换性好等优点。虽然它 的价格相对于热敏电阻要高一些，但它的综合性能指标确是最好的。而且它在 0 - 2 0 0 。c 范围内的稳定性完全可以和线绕式传感器相比【1 5 】，故其应用范围较广。 根据热量表国家行业标准c j l 2 8 - - 2 0 0 0 ，对于热量表而言，处于温度测量精 度、热量计量精度的要求，系统对温度测量的精度、灵敏度、线性度要求较高。 综合比较以上几种温度测量方法，选用铂热电阻温度传感器作为热量表进、出水 口温度传感器是最现实的。 沈阳理工大学硕士学位论文 目前，欧洲热量表通常采用p t l o o 和p t s 0 0 ，而且以p t l 0 0 居多。然而必须注 意：由于铂热电阻以测温探头的形式进行温度测量，其引线电阻必然会给温度测 量带来误差，因此对引线电缆和长度有严格的要求，在精度不高时可以忽略引线 电阻带来的误差。为了提高温度测量的精度，本课题采用p t l 0 0 0 作为测温元件。 使用p t l 0 0 0 有许多的优点，由于它的电阻值变化量大，因此测量的灵敏度高，对 仪表的设计很有利；其次对降低系统的功耗有利。另外由于传感器本身的电阻大， 因此导线电阻对整个测量的影响就减小了【1 6 1 。目前国内生产的热量表大部分是采 用p t l 0 0 0 进行测量的。 2 4 热量表的设计要求以及要注意的问题 2 4 1 热量表的设计要求 为保障红外预付费热量表系统安全稳定地运行，便于有效的维护，在对热量 表设计中提出了以下要求： ( 1 ) 水表口径：2 0 m m 或2 5 m m ； ( 2 ) 测温要求：范围：3 0 9 0 。c ； ( 3 ) 流量计计量：旋翼式热水表，脉冲式，脉冲输出为每1 0 升发送一个； ( 4 ) 数据保持时间：1 0 年； ( 5 ) 通讯距离：8 1 0 米； ( 6 ) 供电方式：3 节干电池供电。 2 4 2 注意的问题 热量表是一种以微处理器和高精度传感器为基础的机电一体化产品。与己普 遍使用的户用计量表一水表、电表、煤气表相比，有更复杂的设计和更高的技术 含量，是涉及到热工学、流体力学和测量控制学等学科门类的高技术产品，其成 功开发往往必须注意以下技术问题： ( 1 ) 温度和流量信号的精确采集。流量和温度是温度计算的基本依据，如何 精确地采集温度和流量信号是热量计算的关键； 1 4 第2 章红外预付费热量表系统设计方案 ( 2 ) 热量表的抗干扰性。考虑到热量表的实际运行环境比较复杂，电子电路 的抗干扰能力，也关系到热量表的使用精度； ( 3 ) 系统的低功耗问题。系统采用电池供电，低功耗问题关系到仪表的使用 寿命和维护。 ( 4 ) 阀门的控制。阀门是实现热量表智能控制的关键设备，阀的好坏直接关 系到本系统的意义，因此对于阀门的运动状态要有较精确的检测。 2 5 本章小节 本章简要介绍了热量计量原理和热量表的工作原理，同时介绍了红外预付费 热量表系统的总体结构和各部分功能以及工作过程，然后对传感器的选择进行了 论述。最后提出了热量表的设计目标和设计中需要注意的问题。 第3 章系统硬件设计及实现 第3 章系统硬件设计及实现 硬件电路是整个系统的基础，只有硬件设计合理，才能更好的完成后续的工 作，故下面将介绍硬件电路的设计。在本系统中，硬件电路设计分为红外预付费 热量表和手持红外抄表器两部分。红外预付费热量表是设计的核心和重点，因此 将详细介绍并围绕如何实现展开分析。至于手持红外抄表器，由于目前红外遥控 技术比较成熟，因此可以直接利用。 3 1 热量表硬件结构框图 根据系统设计整体要求，按模块化的电路设计思想，本热量表的硬件系统 应以单片机为核心和外围电路组成，硬件结构框图如图3 1 所示。 图3 1 热量表硬件结构框图 由图3 1 硬件结构框图所示，红外预付费热量表是以m s p 4 3 0 f 4 1 3 为核心， 主要由单片机系统单元、流量脉冲计量电路、温度采集转换电路、电动阀驱动电 路等组成。 m s p 4 3 0 f 4 1 3 单片机是整个热量表的“头脑”，它控制热量表的正常运行。每 当o 0 1 m 3 热水流过脉冲流量计时，流量脉冲计量电路就发出一个脉冲信号，唤醒 m c u 后温度测量电路检测进出水口水温一次，之后热量表根据进出水口的温度 差和焓值计算出所用热量，并在上次剩余热量中扣除，所得剩余热量经过键盘显 示电路显示在液晶屏上。若剩余的热量达到报警下限，报警电路会驱动蜂鸣器发 1 7 沈阳理工大学硕士学位论文 出警报信号，提示用户及时购入热量。若剩余热量低于可透支热量额，电动阀驱 动电路会自动关闭电动阀，切断供热。用户必须购入新的热量并送入热量表，才 能重新启动电动阀开始供热。 3 2m s p 4 3 0 f 4 1 3 单片机简介 单片机是热量表的核心，其性能至关重要。因此单片机的选型必须慎重考虑： 既要满足功能需求，又能符合简化外围电路结构、降低系统成本的要求在本系统 中，由于热量表采用电池供电，因此功耗问题显得至关重要。综合比较几种单片 机，本课题选用了1 r i 公司的m s p 4 3 0 f 4 1 3 单片机。下面将会简要介绍一下这款单 片机。 1 总体描述： m s p 4 3 0 f 4 1 3 是一种内嵌8 k 字节的n a s hr o m 和2 5 6 字节片上r a m 的 超低功耗的混合信号控制器。m s p 4 3 0 系列单片机在1 8 3 6 v 电压、1 m i - i z 的时 钟条件下运行，耗电电流( 在0 1 卿a 之间) 因工作的不同模式而不同；具有1 6 个中断源，并且可以任意嵌套，使用灵活方便；使用中断请求将c p u 唤醒只要6 “s ， 由于具有1 6 位r i s c 结构，c p u 中的1 6 个寄存器和常数发生器使m s p 4 3 0 控制 器能达到最高的代码效率，可编制出实时性特别高的源代码；可以将c p u 置于省 电模式，用中断方式唤醒。另外m s p 4 3 0 f 4 1 3 单片机还集成了丰富的片内外设， 像看门狗、定时器a 、段式液晶驱动器、基本定时器、比较器等，为系统的单片 解决方案提供了极大的方便1 1 8 1 。 2 m s p 4 3 0 f 4 1 3 特性描述如下1 1 8 】： 低工作电压：1 8 v 一3 6 v 超低功耗： 活动模式2 2 5 , u a 1 m h z ，2 2 v ： 、 待机模式o 8 a ； 掉电模式( r a m 数据保持) o 1 a 5 种节电模式 从待机到唤醒的响应时日j 不超过6 m 1 r 第3 章系统硬件设计及实现 片内频率锁相环f l l + ，可使系统工作在稳定的频率上 1 6 位精简指令结构( r i s a ，1 5 0 n s 指令周期 集成9 6 段液晶驱动器 一可在线串行编程 片内比较器配合其它器件可以构成单斜边a ，d 转换器 可编程的保险熔丝保护设计者代码 f l a s h 存储器 3 3 流量脉冲计量电路设计 本热量表利用宁波埃美柯公司的旋翼式远传发讯热水流量计l x s l g 2 5 y 完 成热量传感器的功能。前面提到远传发讯热水表的原理是在热水表指针上安装一 个小磁铁，其上方安装了一个常开干簧管，用户每用一定量的热水，磁铁指针旋 转一圈，干簧管被磁铁吸合一次，从而产生一个开关量信号，产生中断，将c p u 唤醒，判断是否是流量脉冲到来。具体到本课题，选用的流量传感器是每流过 i o l ( o 0 1 m 3 ) 热水发送个脉冲信号，在热表的“0 0 1 m 3 ，位分别安装了1 # 和勰干 簧管。图3 2 为热量表的流量脉冲计量电路，j 1 的1 口和3 口分别和1 撑、捌干簧 管相连接。由于两个干簧管和1 l 齿轮上的磁铁的作用，使得指针每转动一周， 能且只能把干簧管的簧片吸合一次，形成脉冲。1 秆簧管吸合则p 2 0 发生一次下 降沿跳变表示“流过1 0 l 热水”，2 静干簧管吸合则p 2 1 生一次下降沿跳变表示“流 过1 0 l 热水”，当两个干簧管同时接通时则认为。强磁场干扰热量表，有窃热可 能”，在程序中自动关闭阀门，停止供热。 沈阳理工大学硕士学位论文 v d d 3 - 4 温度采集转换电路 图3 2 流量脉冲采集电路 进、出水口的温度信号必须经过采集、转换并传送到单片机中才能进行热量 计算等工作。采集转换电路通常由以下几部分组成：多路模拟开关( m u x ) 、放大 器( n ) 、a d 转换器等1 1 9 1 ，图3 3 是其原理框图。在本系统中，进、出水口热水 温度通过多路模拟开关共用采样转换电路。采样转换电路接受来自p t l 0 0 0 热电阻 测温电路输出的电压信号，将模拟信号转换为数字信号输入至单片机中。 多 采 叫 样 保 路 久繁姗、 + 持 模 拟 开 关 s h a m u x l 图3 3 采集转换电路原理框图 第3 章系统硬件设计及实现 3 4 1 常见温度测量电路的分析 本课题采用p t l 0 0 0 作为热量表的温度传感器。p t l 0 0 0 有很多种接法，图3 4 是其比较常见的接法。在该种接法中，如图所示，p t l 0 0 0 作为电桥的一个桥臂电 阻，其连接导线也成为桥臂电阻的一部分，这部分电阻是未知的且随环境温度变 化，造成测量误差。为了消除连接导线引起的测量误差，热电阻采用3 线制接法， 将导线的一端接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相 临的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的误差。桥式电路输出的电压经过运 算放大电路放大后进行a d 转换，转换后的数字量经单片机进行数据处理。 、，i ) d ： 图3 4 桥式温度测量电路图 3 4 2 热量表温度采集电路 尽管目前p t l 0 0 0 普遍采用桥式电路接法，但是它在工作时消耗的电流较大， 不适合用在像热量表这样采用电池供电的系统，而且它的调试也很复杂，为此作 者设计了一种温度测量电路，如下图3 5 所示。 沈阳理工大学硕士学位论文 图3 5 温度测量电路圈 前面已经提到，每当热量表流入0 0 1 m 3 的热水后，热量表启动热量计量程序， 开始启动温度测量电路对温度信号进行采集。由图3 5 可知，p 6 0 控制温度 测量电路的通断，当检测到有脉冲信号后，单片机通过p 6 0 口输出高电平使三极 管0 2 导通，进而q 1 导通，这样v d d 就能给电路提供电源了。 可调稳压芯片t l v 4 3 1 在温度测量电路中起着关键的作用，因此在这里有必 要说明一下它。t l v 4 3 1 是兀公司生产的一款可调整稳压芯片，其参考电压是 1 2 4 v ，输出电压可在1 2 4 v - 6 v 之间【2 0 1 。图3 6 是它的典型电路，输出电压为： kt ( 1 + 号+ i m r l ( 3 - 1 ) 由于k 很小，几乎可以忽略不计，v o 可以近似等于v r e f x ( i + r 1 r 2 ) 。在图 3 5 中，儿的1 、2 端子安装在进水口的p t l 0 0 0 ，3 、4 端子安装在出水i = 1 的p t l 0 0 0 ： 7 4 h c 4 0 5 1 用做多路模拟开关，依次把各路电压信号送至a d 转换器。p 6 3 、p 6 2 、 p 6 1 分别与它的选择输入引脚a 、b 、c 相连。介绍完电路中采用的主要器件后， 接下来将对电路进行详细分析。 第3 章系统硬件设计及实现 i n p u t r 1 耋马t 苫 i 、， f 篡 v o 图3 6t l v 4 3 1 典型应用电路 。 当单片机检测到有流量脉冲信号时，通过p 6 o 输出高电平，则q 2 、q 1 导通。 首先p 6 1 输出低电平，p 6 2 、p 6 3 输出高电平，则0 6 导通，q 7 、q 8 截止，7 4 h c 4 0 5 1 的x 6 通道被选通，这样电路就等效为图3 7 所示电路，此时进入x 6 的电压即为 v l t e f x ( i + r 1 4 r 1 6 ) 。由于p t l 0 0 0 在o * c 时电阻值为1 0 0 0 0 ，随着温度的升高阻值 不断增加，此时送入a d 的电压即为p t l 0 0 0 在俨c 时的电压。接下来p 6 2 输出 低电平，p 6 1 、p 6 3 输出高电平，则q 7 导通，q 6 、q 8 截止，7 4 h c 4 0 5 1 的x 5 通道被选通，此时等效电路和图3 7 类似，只是r 1 4 被进水口的p t l 0 0 0 所代替， 这样进入x 5 的电压为进水口的p t l 0 0 0 当前温度下的电压。最后p 6 3 输出低电平， p 6 2 、p 6 1 输出高电平，则q 8 导通，q 6 、q 7 截止，7 4 h c 4 0 5 1 的x 3 通道被选 通，此时等效电路同样和图3 7 类似，只是r 1 4 被出水口的p t l 0 0 0 所代替，这样 进入x 3 的电压为出水口的p t l 0 0 0 当前温度下的电压。 沈阳理工大学硕士学位论