（电路与系统专业论文）热量表中相关算法研究及软硬件实现.pdf

摘要 自从2 0 世纪9 0 年代以来，随着生活水平的提高，人们的环保意识也在逐渐加 深。目前，集中供热在我国的供暖系统中已经变得越来越普遍。 在研究了我国热量计量现状以及i c 卡式户用热量表的原理后，作者提出了本 课题。本文所要做的主要工作是以单片机p i c l 6 c 7 4 为微控制器，设计开发出了 i c 卡式热量表。 简要介绍了热量表研制的背景和意义，给出了单片机设计的含义以及热量 表、i c 卡和焓值的相关概念。同时，讨论了对i c 卡式户用热量表的设计方案、计 量原理和设计要求。 分别对热量表硬件的各个主要组成部分：主控制单元，流量计，配对温度传 感器和i c 卡等都进行比较分析，选择了性能较稳定、功耗较低的器件，并对硬件 电路进行了详细的说明。 本文对这个系统的程序设计流程图进行了整体性分析，这是编好系统程序的 关键。然后分别对各个主要部分如按键，流量测量以及系统的初始化等部分的流 程图分别进行了说明。 介绍了热量表的低功耗和抗干扰设计的意义和实现。 关键词：i c 卡热量表p i c l 6 c 7 4温度传感器 流量传感器焓值 a b s t r a c t f r o mt h e1 9 9 0 s ，w i t ht h ee l e v a t i o no fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，p u b l i c ss e n s eo f e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o ns t r e n g t h e n e da n dc e n t r a lh e a ts u p p l yi nw i n t e rh a v er e c e n t l ys p r e a d o u rr e s e a r c hi sb a s e do nt h et h o r o u g hs t u d i e so i lt h ec u r r e n ts i t u a t i o n so f h e a t c a l c u l a t i n ga n dm e a s u r i n gs y s t e ma n do nt h et h e o r i e so fi cc a r dh e a tm e t e r w ee n d e a v o r t od e s i g na n dd e v e l o pi cc a r d h e a tm e t e rf o rh o m eu s ew i t ht h em i c r o c o n t r o l l e ru n i to f s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ro fp i c l 6 c 7 4m o d e l w 色b r i e f l yd i s c u s st h eh i s t o r ya n dt h es i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c h e so nh e a tm e t e r , a n d i n t r o d u c et h ed e s i g no fs c m ，h e a tm e t e r , i cc a r d ，a n de n t h a l p y m e a n w h i l e ，t h ed e s i g n i n g s c h e m e ，c a l c u l a t i n ga n dm e a s u r i n gt h e o r y , a n dr e q u i r e m e n t so fd e s i g no ni cc a r dh e a tm e t e r i sd e a l tw i t h t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e ss y s t e m a t i c a l l yt h eh a r d w a r eo fs y s t e m ，s u c ha sf l o wm e t e r , t e m p e r a t u r es e n s o r s ，c o n t r o l l i n gm c ua n di cc a r d a n dt h ed e v i c e sw h i c ha r es t a b l ea n d l o w p o w e ra r eu s e di nt h es y s t e m t h ed e s i g no fh a r d w a r em o d e l sa r ed i s c u s s e df o l l o w e d t h eh a r d w a r ed e s c r i p t i o n t h ef l o w c h a r to ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d w h i c hi sh e l p f u lf o rs o f t w a r e d e s i g no fs y s t e m n ei n d i v i d u a lf l o w c h a r to fd e f e r e n ts e c t i o n ，s u c ha sk e yp r o c e s s i n g ，f l u x m e a s u r e m e n t ，i cc a r da n ds y s t e mi n i t i a l i z a t i o ne t c ，i sf o l l o w e d n e s i g n i f i c a n c ea n dm e t h o d so fd e v i s i n gal o wp o w e r a n da n t i - j a m m i n go fi cc a r d h e a tm e t e ri si n t r o d u c e d k e yw o r d s ：i cc a r d h e a tm e t e rp i c l 6 c 7 4t e m p e r a t u r es e n s o r f l u xm e a s u r e m e n t e n t h a l p y 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，填写论文题目是本人在指 导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已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。 作者签名：皇查至丛年土月丝日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位 论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 垦鱼圣堡年三月丝日 指导导师签名： 年三月旦日 第一章绪论弟一早强。化 1 1 研究的目的和意义 随着我国经济建设的发展，人民生活水平日益提高，区域性的集中热水供暖，已在 我国北方的大中城市日益普及。集中供热的高覆盖率无疑会带来降低供热成本、减少 环境污染、改善大气质量、提高人民生活水平等诸多好处。但长期以来对用户的用热 量却缺乏一个合理的计量措施。目前大部分地区的供暖收费系统仍按用户的建筑面积 计费，而不是按实际用热量计费。于是，供热量偏高的时，致使一些用户的室内温度 偏高。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，导致大量的能源浪费，而且使供热企业的经济效益差，制约了城市集中供暖的发 展n 1 。 与此同时，我们也认识到热水是重要的二次能源，广泛应用于人民的日常生活，量 大面广。据不完全统计，我国用于房屋供暖的小型锅炉几百万台，每年的供暖方面的 收费高达千亿元人民币。因此，热水的准确计量、科学合理收费，是关系到国计民生 的大事。 当前，随着我国经济体制的逐步建立和完善，我国的供热体制也正在发生变革。 供热企业与暖气用户的关系已逐渐变为供暖部门和业主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；用户有按其获得的热量的数 量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，现行的城 市住宅供暖费用由企业全部承担的政策已不能适应当前改革形势的需要，住户对采暖 方式有了自主选择的权利和自由。这些都对传统的暖气计费方式提出挑战。因此城市 住宅供热收费制度的改革势在必行心 4 】。 2 0 0 0 年2 月，建设部发布了民用建筑节能管理规定，其中第五条：“新建居住 建筑的集中采暖系统应当使用双管系统，推行温度调节和户用热量计量装置实行供热 计量收费川5 | 。目前，我国城市集中供热收费的基本情况仍然是，绝大多数供热企业与 热用户没有计量仪表，仍按传统的建筑面积结算收费，这既不科学也不公平合理。2 0 0 3 年7 月，建设部、国家发改委等八个部委印发了关于城镇供热体制改革试点工作的 指导意见，意见中明确要求城镇供热体制改革要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。供热计量收费在全国开展后，仅 热量表每年需要数量可达上百万套，供热计量仪表行业有巨大潜在市场的产业匝1 。 本文所设计开发的i c 卡式户用热量表，就是以供热管网在用户住房内耗散的热为 计量对象，集计量、i c 卡控制于一体，实行一表一卡，既可实现交费才能用热，又能 按用热量计费，计量科学合理，从设备上保障了热量供需双方的公平交易。 1 2 国内外对热量表的研究状况 热量表产品发源于欧洲。2 0 世纪6 0 年代爆发了全球性的能源危机，当时受害程度 最严重的是工业化程度较高的欧美国家。在欧洲，尤其是北欧和部分东、西欧等位于 传统供暖地区国家，能源危机爆发前，这些地区的国家冬季供暖是一种社会福利，或 不收取任何个人费用，即使收取费用，占人均收入的比例也很低。能源危机爆发后， 石油等燃料价格迅速上涨，导致供暖成本迅速上升。简单地说，国家已负担不起福利 供暖，供暖的市场化、商品化也应运而生口1 。 供热商品化首先要作到每一个热用户都可以根据自身需求单独控制用热量，每一 个热用户的用热量都可以单独计量。这样的供热系统，就是现在提倡的“分户控制、 分户计量 。欧洲的“分户控制、分户计量”最早起源于丹麦、法国，热量表最早的生 产与应用也是在这两个国家呻1 。 截至目前，在欧洲的一些国家如德国、丹麦、法国、瑞典、芬兰等在集中供热方 面，特别是在热用户室温控制的技术水平和设备上代表了当今世界的先进水平西1 。其在 热表的研制上，从标准的制定到仪器的检测使用都已相当成熟，相应的“热表”也经 历了从机械式、电子模拟积分式、电子数字积分式，直到微处理器为基础的智能式的 发展过程。1 9 9 8 年，国际法制计量组织分布了世界上第一个国际性的标准文件 “o i m l r 7 5 号国际建议热量表( h e a tm e t e r s ) 。到了9 0 年代，用户热表基本定型，并 且设计趋于一致。1 9 9 7 年4 月，欧共体正式通过了统一的热量表标准代号e n - 1 4 3 4 1 0 13 1 。 现在欧洲各国向中国市场上推销的热量表，大部分都标明了“符合o i m l - r 7 5 标准”和 “符合e n l 4 3 4 标准”。这既是给用户一个选择、判断的基本依据，也表明了欧洲热量 表技术成熟和标准化的程度。 欧洲国家由于研究时间早，投入多，技术积累较为厚实，但目前欧洲热量表在中 国也暴漏许多问题，具体存在以下的局限性： ( 1 ) 欧洲热量表采用的测温元件是p t l 0 0 和p t 5 0 0 。p t l 0 0 即在o 时电阻值为 1 0 0 欧姆，测温探头的引线电阻必然会给测量带来误差。因此对引线电缆的长度有严格 的要求，一旦配对完毕，不能任意延长或缩短n 制。同时，铂电阻的阻值偏小，其在低 温的自热效应也是比较明显的。 ( 2 ) 欧洲表热量积分计算仪一律采取的是k 系数补偿的方式n 引。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，不得变换。因此，欧洲的热 量表一般规定要安装在回水管道上，也就是流量计只能测回水的流量。如果用户私自 放用热水，热量计量结果反而减少。当然，管道施工和安装也不够灵活和方便“引。 ( 3 ) 国际法制计量组织o i m l r 7 5 规程中，对“热能表”的定义是：“适用于测量 在热变换环路中，被称作载热液体的液体所吸收或转换热能的仪器”。按规定，热量表 应既能测量供热系统的供热量，也能测量供冷系统的吸热量。但是迄今为止，欧洲的 2 热量表绝大多数只能测盘供热盘，不能测量供冷量( 吸热量) 。或者，测量供热和供冷 要分别由两只不同的表完成。据悉，最近，德国己开始了“冷热两用”热量表的研究。 此外欧洲热量表还有价格昂贵的问题，几年来，从欧洲有关公司在中国几个城市 的试点情况来看，在节能效果上都得出了肯定的结论，但推广却受到阻力。除去有关 政策因素外，处在发展中国家的国情决定了中国市场接受昂贵的欧洲热量表的能力有 限。 中国热量表的自行研制开始于上世纪的9 0 年代。当时已有欧洲的热量表样表进入 中国。1 9 9 2 年国家技术监督局和国际法制计量组织中国秘书处翻译出版了o i m l r 7 5 国际建议一热能表。1 9 9 7 2 0 0 0 年，欧洲热量表标准( e n - 1 4 3 4 ) 逐渐被一些企业单位 所了解和重视，包括中国科学院、清华大学、航天部、兵器部等直属的科研院所、高 等学校，先后都以多种形式，积极参与热计量仪表装置的研制开发；或者在深入研究 的基础上与企业合作，或者自己投资开发。2 0 0 1 年2 月5 同建设部发布了热量表 标准( c j l 2 8 2 0 0 0 ) ，2 0 0 1 年1 2 月4 日建设部国家质量监督检验检疫总局发布了 中华人民共和国国家计量检定规程( j j g 2 2 5 2 0 0 1 ) 一热能表。这两个国家标准和规 程，都是以最新的国际标准为参考和依据的。中国的热量表从法制上建立了关于生产 标准和技术检定的完善的质量保证和监督的体系。 中国的热量表市场比欧洲广阔得多。中国的生产成本消耗，在引进了先进的管理 体制后，肯定要比欧洲低。所以，势必产生良好的投资效益。目前，中国现在生产、 经营热量表的企业己超过了1 0 6 家( 2 0 0 4 年5 月不完全统计) 。据不完全的统计，已有 十家以上热量表企业开发生产的热量表超过1 万套。全国己安装在集中供热或供冷建 筑系统上的国产和进口热量表已超过2 0 万套n 7 】【旧】。 1 3pic 单片机介绍 1 3 1 单片机简介 单片机这个名称的由来是对早期s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r 的直译，它反映了 早期单片机的形态和本质，即为了满足工控领域对计算机的嵌入式应用要求，将c p u ， 存储器、i o 口、时钟、定时器计数器等集成在一个芯片上。n 叫伴随着单片机的不断 发展，其体系结构日渐完善，片内又集成了许多外围电路及外设接口，突破了传统意 义的计算机结构，发展成m i c r oc o n t r o l l e r 的体系结构，所以现在一般改称为微控制 器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，简称m c u ) ，鉴于它嵌入式的应用，又称为嵌入式微控制器 ( e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r ) 单片机具有体积小、重量轻、功能强、可靠性高、价格 低廉的特点，自问世以来便以其上述优点，同益广泛地深入到国民经济生活的各个领 域。在工业工程控制、智能仪表、计算机集成控制、人工智能、通信设备的智能化以 及家电的智能化等方面得到广泛的应用。从i n t e l 公司于1 9 7 1 年生产第一颗单片机i n t e l 一4 0 0 4 开始，开创了电子应用的智能化新时代。单片机以其高性价比和灵活性，牢 固树立了其在嵌入式微控制系统中的“霸主地位，在p c 机以2 8 6 ，3 8 6 ，p e n t i u m ，p 3 i i 高速更新换代的同时，单片机却始终如一保持旺盛的生命力。例如，m c s - 5 1 系列单 片机已有十多年的生命期，如今仍保持着上升的态势就充分证明了这一点啪1 。 1 3 2p i c 单片机简介 p i c 单片机来自于全球领先的单片机和模拟半导体供应商- - m i c r o c h i pt e c h n o l o g yi n c ( 美国微芯科技公司) 。p i c 系列8 位c m o s 单片机具有实用、低价、省电和体积 小等特点。特别是采用独特的r i s c ( 精简指令集) 结构，及独立分开的数据总线和指 令总线的哈佛总线结构。p i c 型号层次丰富，象p i c l 2 c 5 0 8 单片机仅有8 个引脚，是世 界上最小的单片机，该型号有5 1 2 br o m 、2 5 br a m 、一个8 位定时器、一根输入线、5 根i o 线、市面售价在3 元一6 元人民币。p i c 高档型号，如p i c l 6 c 7 4 ( 尚不是最高档 型号) 有4 0 个引脚，其内部资源为4 k br o m 、1 9 2 br a m 、8 路a d 、3 个8 位定时器、 2 个c c p 模块、3 个串行口、1 个并行口、1 1 个中断源、3 3 个i 0 脚。目前来看，p i c 有以下几个特点： ( 1 ) 产品上市零等待：采用p i c 的低价o t p 型芯片，可使单片机在其应用程序开 发完成后可立刻使产品上市。 ( 2 ) 开发容易、周期短：由于p i c 采用了r 1 5 c 指令集，指令少( 仅3 0 多条指令) ， 且全部为单字长指令，易学易用，相对于采用c i s c ( 复杂指令集) 结构的单片机可节 省3 0 以上的开发时间、2 倍以上的程序空间。 ( 3 ) 高速：p i c 的哈佛总线和r 1 5 c 结构建立了一种新的工业标准，指令的执行速 度比一般的单片机要快4 - 5 倍。 ( 4 ) 低功耗：p i c 的c m o s 设计结合了诸多的节电特性，使其功耗较低。p i c 百分 之百的静态设计可进入睡眠( s l e e p ) 省电状态而不影响任何逻辑。 ( 5 ) 低价实用：p i c 配备有o t p 型、e p r o m 型和e e p r o m 型等多种形式的芯片，其 o t p 型芯片价格很低。此外p i c 还提供了看门狗( w d t ) 和程序保密位( s e c u r i t yf u s e ) 等功能，特别适合于商品开发应用。口1 3 1 4 相关概念 1 4 1 热量表( h e a tm e t e r ) 国际法制计量组织o i m l - r 7 5 规程中，对“热能表”的定义是：“适用于测量在热 变换环路中，被称作载热液体的液体所吸收或转换热能的仪器”。热量表是用于测量及 显示水流经热交换系统所释放或吸收热量的仪表。热量表一般由温度传感器、流量计 和计算器等组成。热量表通过两种传感器测得的物理量一热载体的流量和进出口的温 度，再经过密度和热焓值的计算，得到热量值。流量传感器安装在热交换系统中，用 于采集水流量并发出流量信号的部件：温度传感器是安装在热交换系统中，用于采集水 的温度并发出温度信号的部件：配对温度传感器是在同一个热量表上，分别用来测量热 交换系统的入口和出口温度的一对计量特性一致或相近的温度传感器：计算器是接收 来自流量传感器和配对温度传感器的信号，进行热量计算、存储和显示系统所交换的 4 热量值的部件。瞳列 1 4 2 i g 卡( i n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ) i c 卡是集成电路卡的简称，是镶嵌集成电路芯片的塑料卡片，其外形和尺寸都遵 循国际标准。芯片一般采用不易挥发性的存储器( r o m ，e e p r o m ) 、保护逻辑电路、甚至 带微处理器c p u 。i c 卡的接口电路及读写技术的操作类似于e e p r o m 芯片的操作。 按卡上数据的读写方法来分类，有接触型i c 卡和非接触型i c 卡两种类型：根据卡 中所镶嵌的集成电路芯片的不同可以分成存储卡、逻辑加密卡、c p u 卡三大类。 其中，逻辑加密卡是一种内部封装了电可擦除的可编程只读存储器e e p r o m 的存储 卡。这种i c 卡中除了封装了e e p r o m 存储器外，还专设有逻辑加密电路，提供了硬件 加密手段。因此不但存储量大，而且安全性强，不但可保证卡上存储数据读写安全， 而且能进行用户身份的认证。由于密码不是在读写器软件中而是存储于i c 卡上，所以 几乎没有被破译密码的可能性。例如：德国西门子( 即s i e m e n s ) 公司生产的s l e 4 4 4 就是 一种逻辑加密存储卡，s l e 4 4 4 2 卡是一种带有写保护功能和可编程密码( p s c ) 的2 5 6 字 节e e p r o m 的存储器卡。该卡存储器的前3 2 字节可进行写保护位操作。总密码错误计 数器值为3 ，核对错误一次，减l 操作，若计数值为0 ，整个卡的数据锁死。若3 次内 有一次核对正确，则计数器恢复初值。总密码核对正确之后，才可以对卡进行读写操 作。因此这种逻辑加密卡保密性极强，能自动识别读写器，持卡人和控制操作类型， 常用于安全性要求高的场合。暖阳 1 4 3 焓值的定义 焓值的定义是物质在等压变化中所吸收的热量，单位是k j k g 。在热量表开发中 热量的换算是以水的焓值进行的。在本表的开发中，因为热量的数据会在c p u 的r a m 存有副本，为了避免数值过大，造成寄存器溢出错误，热量表的热换算单位都是以g j 为单位的。这样就避免了寄存器溢出错误的发生。 1 5 课题研究的内容和主要解决的问题 热量表是一种以微处理器和高精度传感器为基础，包含机械、电子和信息技术的 高科技产品。它与建筑业过去已普遍使用的户用计量表水表、电表、煤气表相比， 有更复杂的设计和更高的技术含量。正因如此，它的研制、开发、生产、测试、校准 及产业化等到都需要相当多的技术投与资金投入。 1 5 1 课题研究的内容 本课题主要是开发和研究高精度和可靠性的热量计量仪表，并准确计量用户的用 热量。具体包括以下几个方面的设计： ( 1 ) 测量元件的选型：热量表需要直接测量的物理量有两个：温度和流量。因此 测量元件的选择主要就是测温传感器、流量传感器的选择。这两个传感器的正确选择 对提高热量的测量起着至关重要的作用。 ( 2 ) 硬件电路的设计：主要是对温度测量电路、流量测量电路、i c 卡的读写部分。 5 其中包括a d 变换、数据存储，结果显示以及按键的设计，便于用户使用。 ( 3 ) 软件系统的设计：包括主程序流程、流量部分流程、显示部分流程、i c 卡读 写流程等软件部分的设计，力求实现对硬件电路延伸和扩展。 ( 4 ) 对本测量系统的软件、硬件上的低功耗方面的分析和设计。 1 5 2 主要解决的问题 热量表是一种高科技产品。为了研制出符合我国国情的产品，也避免走国内自主 开发的热量表研制过程中所走的弯路，同时借鉴欧洲产品成熟的思想，本课题在热量 表研制开发方面主要解决以下一些问题： ( 1 ) 系统的低功耗设计：目前，热量表的电源供电方式有两种：交流市电供电方式 和干电池供电方式。在我国，电力线供电不太稳定，而且采用交流市电供电方式，在 有电的时候热计量比较准确，而停电以后热量表形同虚设，不起作用。因此本系统采 用干电池供电。 电池供给的电能是有限的。当含有微处理机的系统工作电流达到l a 数量级时，它 已基本上不能依赖于电池的供电来工作；如果电流降至1 0 0n o , 数量级，普通电池供电 只能保证系统连续工作数小时；当电流降低到微安数量级时，系统就可以长期连续工 作而只需偶尔更换电池。可见，低功耗对于电池供电系统的重要性。 ( 2 ) 测温电路的精确度：测温电路中涉及铂电阻选择，涉及到两线制还是三线制 的选择，涉及到a d 转换时的零点校准等，这些都会影响测温精度，都需要细心解决 的问题。 ( 3 ) 叶轮式流量计计量：叶轮式流量计叶轮旋转速度与流量的关系，流量与脉冲 数的关系，流量的密度补偿等方面。 ( 4 )i c 卡预付费系统的设计：采用卡式预付费系统可以很好地缓解长期困扰我国 热供应系统的“收费难 问题，而且还可以避免抄表员逐户抄表给用户带来的麻烦， 给收费部门和用户带来极大的方便。 这个预付费系统包括i c 卡的电路设计，包括电磁阀关断电路设计，以及软件流 程的设计，这几方面的内容相互衔接，恰好构成了整个i c 卡付费系统。 6 第二章热量表的基本原理及设计方案 按照国家建设部的有关要求，供热站或小区物业公司对每个用户采用“并联 方 式供热用户家中自成循环，进户的高温热水经暖气片散热后从回水管返回。热量表就 是安装在进户管网处的仪表。本章首先要给出热量表的基本原理、数学模型，然后介 绍热量表基本机构，最后提出设计要求。 2 1热量表的基本原理 热量表是用于测量热交换回路中载热流体释放热量多少的计量器具，用法定计量 单位显示热量心劓。热量表由一个流量传感器、一对温度传感器和一个热量积算仪组成。 在热交换系统中安装热量表，当热水流经系统时，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，通过积算器可以计算并显示 该系统所释放的热量。热量表中的流量传感器可以安装在供水管道也可以安装在回水 管道，不同安装位置所测得的最终结果也有所差别。针对我国具体的国情，防止窃能 的发生，一般都将流量传感器安装在供水管道上。热量表测量系统原理乜5 1 如图2 1 所 示： 图2 1 热量表的基本原理框图 2 2 热量表的几个常见数学模型介绍 在热交换系统中安装热量表，当水流经系统时，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，以及水流经的时间，通过计算器可计算并显示该系统 所释放或吸收的热量。乜幻 汹1 一般热交换的基本公式如下所示： 7 q 2 厂1 日历庇d f ( 2 1 ) 也可以表示为 q = r 1ka0 d g ( 2 2 ) ，y 1 式中：q - 一释放或吸收的热量 ( 单位：k j 或k w h ) ； 一质量流量 ( 单位：k g h ) ； j l 一热交换系统的入口和出口温度下，焓差值( 单位：k j k g ) ； k 一一热交换系数 ( 单位：k w h i m 3 ) ； t 一为时间( 单位：h ) ； a o 一进出口温差 ( 单位：) ； q 一一一累计流量 ( 单位：坍3 ) ； 目前，热量表热量计量方法基本上可以分为以下几种： ( 1 ) 直接焓差法： q = ( 吩一h r ) - - - - q , , ( ：g 一g c 多, o r g ) ( 2 3 ) 式中：勺，c ，为入口与出1 3 的定压比热容； 吼，为瞬时体积流量和瞬时质量流量； , o r ，j d ，为为出口与入口温度下的载热流体密度； g ，o r 为入口与出口的温度； 该公式计算简单，只要根据实测温度g 与e 查表得锈，c p ，p ，和辟等四 个常数代入公式( 2 3 ) 即可。显然，温度测量精度越高，数据表所占的存储空间越大。 并且，对于实测温度，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 计算相应的焓值，从而得出瞬时热量。但这一方法会带来人为误差。 ( 2 )常系数焓差法： q = 勺。( g 一谚) - - c p p 吼( 够一o r ) ( 2 4 ) 式中：易为定压比热容，c v = ，视为常数。 该方法计算简便，易为常数时，使得程序计算量减少，计算速度大大加快。但由 8 于流体密度p 是温度的函数，所以必须对p 进行温度修正。同时不能对进行在线温 度补偿，所以该方法的温度适应性差一些。 ( 3 )分段式k 系数法 q = f 尼a0 d q ( 2 5 ) - ， 式中k 是热交换系数，当压力一定时，它随温度而变化。 欲计算热水热量，必须测出温差和体积流量。需指出的是，热焓修正系数k 也是 变化量，它是进回水温度的函数：如果进水( 回水) 温度不同，即使进水、回水间的 温差相同，用户从流经系统的等量热水中所获得的热量也不是相同的。根据仪表的精 度要求和运行结果的对比实验，热焓值与回水温度的关系为：啪1 1 0 。c t 5 0 。c ， k a 2 4 1 4 6 1 7 5 0 。c t 6 0 。c ， k 2 = 4 1 2 2 7 2 6 0 。c t 9 0 。c ， k 32 4 1 0 5 5 3 该方法将热交换系数量化为三个分段常数，在一定程度上对其进行了修正。式中 三个常数凭经验来确定，而且温度区间划分较粗，温度适应性依然较差。因此，分段 式k 系数法仅适用于对热量计量的精度要求不高，温差变化也较小的情况。以上无论 是焓差法还是分段式k 系数法都可以达到一定的精度。k 系数值取决于热量表的体积流 量计是安装在进水还是在回水的系统中。即使在同一温差条件下，也必须研究体积流 量计的安装位置。 迄今为止，我们所见到的关于欧洲先进水平的热量表产品及设计方面的报导，都 是采用k 系数的修正来保证其精度的。流量计和测温传感器的安装位置( 进水或是回水 管上) ，都被严格的规定。热量表的安装位置规定在回水管上，就不能改装在进水管上。 但是这种规定对于用户盗用热不能有效地控制，这种方式在考虑到我国热用户消费实 际时，不太可取。 2 3 热量表的焓值计算 热量表简单硬件原理图如图2 2 所示，通过安装在供回水管路中的温度传感器测 得其热水的供回水瞬时温度( t ，瓦) 后，利用微控制器中已固化的程序插值出相应的 焓值( 吃，) 及比容( 屹，屹) ；再利用安装在进水 9 图2 2 热量表简单馒件原理图 或回水管道中的流量传感器，测量其瞬时流量值q ( m 3i s ) 即可建立瞬时耗热e ( k j s ) 的数学模型，以流量计安装在进水管道为例： e = q ( h s h 6 ) y 。 ( 2 6 ) 在0 一t 时间内所耗的热量e ( k j ) 数学模型： e = e d t = 丘豳 一吃) 屹弦 ( 2 7 ) 由于在供热过程中温度是一个缓慢变化的量。因此，可在某一小时段时间t i - 1 t i 内 取一温度值，以代表这- - d , 段时间at 内的平均温度，在0 t 时间内所耗热量e ( k j ) 有 可表示为： e = q ，( ，一办6 ，) y ， ( 2 8 ) 式中，q 为在f t 。时间流过流量记的体积( 肌3 ) ； r l 为0 一t 时间内at 的个数； h ，；，h m ，分别为第i 小段时间内对应的供回水焓值和比容。 由式( 2 8 ) 可知最主要的是要求出相应温度下的焓值和比容，对于水而言压力对其 焓值和比容的影响甚微。因此就不考虑其影响。本系统取压力为0 5 m 只时的焓和比 1 0 容。对焓和比容采用1 0 。c 为一个插值区间。得到了温度与焓、比容对应关系见表2 - 1 。 为了看着方便，我们取了比容的倒数。采用焓值进行热量计算，从而克服了采用欧洲标 准k 系数法时流量计只能安装在回水管路上的缺点，并且准确度有所提高。汹1 表2 - 1 温度与焓值、密度表 温度t焓值密度 ( k j k g ) ( 堙m 3 ) ( o c ) 14 78 4 1l0 0 0 2 1 04 2 6 0 59 9 9 9 4 2 08 4 4 7 69 9 8 4 4 3 01 2 6 2 89 9 5 8 7 4 01 6 8 0 69 9 2 4 4 5 02 0 9 8 59 8 8 2 5 6 02 5 1 6 79 8 3 4 1 7 02 9 3 5 39 7 7 9 8 8 03 3 5 4 59 7 2 0 1 9 03 7 7 4 5 9 6 5 5 4 1 0 04 1 9 5 49 5 8 5 8 由表2 一l 可见，热水的焓值和密度随温度的变化并不呈现线形关系，本系统对焓 值和密度进行计算的时候采用插值的方法，即每隔1 0 0 c 为一个插值区间，当然在温度 是4 0 。c - - - 7 0 。c 时的插值区间可以以5 。c 为一个区间，这样运算的精度会更高一些。 2 4 热量表的设计方案 2 4 1l c 卡式热量表的基本结构 i c 卡式热量表由脉冲热水表、温度传感器、微控制器热量计算仪、电磁阀和i c 卡等部分组成，i c 卡式热量表的原理如图( 2 3 ) 所示： 图2 3i c 卡热量表基本结构图 入口 流量计、温度传感器分别完成流量、温度数据信号的检测采集任务：微控制器是热 量表的核心，它不仅对流量计和温度传感器提供的信号进行数据采集处理，按计算公 式计算出用户从热量交换中获得的热量，而且还控制其它外围电路完成显示、报警等 功能。电磁阀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等。i c 卡 在热量表和售热管理系统之间传递用户信息，是用户信息的有效载体。售热管理系统 则是供热方对用户进行信息管理，应当包括发行i c 卡( 开户) 、售热、用户信息查询、 售热信息查询、图表打印等功能。 2 4 2 i c 卡热量表功能描述 i c 卡式户用热量表应具有以下主要功能： ( 1 ) 显示功能：插卡后依次显示”累计用热”、”本次购热 、“剩余热量 等显示项 目；如果不插卡而按键则依次显示“入水温度”、“出水温度”、“瞬时流量”、“累积流 量 、“累积热量等显示项目。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 记忆功能：热量表中信息自行记忆，保持时间大于1 0 年。 ( 4 ) 防窃功能：热量表倒装，也会正常计量：当有强磁场干扰时，热量表会自动关 闭。 ( 5 ) 透支功能：当剩余热量 o k j 时，自动关阀，插入空卡可以打开热量表继续供热。 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 1 2 中时，热量表会自动扣除己透支使用部分。 ( 6 ) 自检功能：不论使用与否，热量表会定期进行自我检测，以防电磁 阀生锈，如有故障会报替提示。 ( 7 ) 加密功能：采用加密i c 卡，一表一卡，非本表卡插入无效。 ( 8 ) 低功耗功能：系统设置低功耗模式，当系统无操作( 包括热水循环、未插卡、 显示等) 时，p i c 的工作方式设置为省电状态：同时线路设计时采用了电源控制电路，使 热量表的功耗降低。 2 4 3lc 卡热量表的设计要求及注意问题 1 )为保障i c 卡式热量表系统安全稳定地运行，便于进一步的高效维护，在对热 量表设计中提出了以下要求：啦! 【1 】流量计计量：叶轮式水表，脉冲式； 【2 】水表口径：2 0 r a m 或2 5 r a m ： 【3 】测温要求：范围：0 , - - - - 9 0 ；精度： o 8 c ； 【4 】电气参数：工作电压：3 6 v ，5 v ；工作电流： 4 0 m a ( 常态) 、最大 5 0 0 m a ( 瞬间) ； 5 1 数据保持时间：1 0 年； 6 ji c 卡：使用次数芑1 0 万次、寿命乏1 0 年； 【7 】工作环境：温度：2 5 - - - 4 0 0 c ；湿度：s 8 0 r h ； 2 ) 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。与已普遍 使用的户用计量表一一水表、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等学科门类的高技术产品，其成功开发必须注 意以下技术问题： ( 1 ) 温度和流量信号的精确采集。流量和温度是热量计算的基本依据，如何精确地 采集温度和流量信号是热量计算的关键。 ( 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，直接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 ) 电磁阀的控制。电磁阀是实现i c 卡智能控制的关键设备，阀的运行好坏直接 关系到本计量系统的意义，因此，对于电磁的运动状态要有较精确的检测和保护。 1 3 第三章热量表的硬件设计 硬件系统是实现热量表的关键。在系统设计方案确定后，接下来的任务就是设计 满足系统要求的硬件。本章将围绕如何实现该硬件系统展开分析，首先给出硬件逻辑 框图，然后对硬件选型进行说明，对硬件主要电路 分块说明，最后给出设计电路图。 3 1 硬件的逻辑框图 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 图3 1i c 卡热表的硬件逻辑框图 片机为核心和外围功能电路组成，硬件逻辑框图如图( 3 1 ) 所示。 逻辑框图各部分主要功能说明： 1 ) 电源电路：电源部分是由5 v 的锂电池供电，经稳压滤波后给各个整个系统的 各个部分供电。 2 ) 流量采集模块：主要是采集流量脉冲信号，大致是转一圈会产生两个脉冲信号。 1 4 3 ) 波形整形电路：主要讲流量的尖脉冲信号转换成方波信号，然后进入单片机系 统中计数。 4 ) 温度采集模块：实时采集供水温度和回水温度，主要采用p t l 0 0 0 铂电阻来完 成。 5 ) 通道选择电路：通道选择主要就是分时选择供水温度通道和回水温度通道。 6 ) a d 转换电路：主要将温度的模拟量转换成c p u 能识别的数字量。 7 ) l c d 显示模块：用于数据显示和错误提示等内容。 8 ) i c 卡电路：热量表对i c 卡读写操作的接口，通过这个接口实现热量表与i c 卡数据交换。当i c 卡插入热量表时，该接口电路提供给控制部分一个电平信号，通知 控制部分i c 卡插入了热量表。该接口电路要有保护电路以防止某些用户企图通过该接 口来破坏控制部分。 8 ) 电磁阀控制电路：阀门电机转动时电流比较大，所以专门有这样一个阀门驱动 电路来完成阀门的驱动，控制部分只要给出电平信号即可，同时驱动电路给出一个电 平信号以表示阀门的状态，确定阀门是否处于打开、关闭或异常的状态。 9 ) 日历时钟电路：用来为系统的热值运算及需要时问的地方提供精确的时间信 号。 1 0 ) 看门狗电路：主要提供热量值，瞬时值、长期值提供了存贮的单元，即有临 时存储的数据也有长期保存的数据。 1 1 ) 键盘电路：实现数据的选择和提取，和显示电路配合完成数据的显示，方便 用户的观察。 1 2 ) 单片机控制系统：实现对外围电路的控制，实现数据的运算处理。 3 2 硬件选型 对于一个硬件系统，硬件的合理性、可行性是很关键的问题，硬件平台的选择主 要是嵌入式处理器的选择，在一个系统中使用什么样的嵌入式处理器内核主要取决于 应用的领域、用户的需求、成本问题、开发的难易度、芯片的购买途径等因素。对于 明确的对象，选择功能过少的单片机，无法完成控制的任务：选择功能过强的单片机， 则会造成资源的浪费，性能价格比下降。 1 在实际应用中，对单片机的选择主要考虑以下几点原则：啪1 ( 1 ) 了解单片机对应用系统的适用性。具体要考虑单片机是否有所需的i o 端口 数目，是否含有所需的外围端口部件，单片机的c p u 是否有合适的吞吐量，其极限性 能是否满足要求。 ( 2 ) 了解单片机的可购买性。这主要考虑单片机购买是否方便，是否仍然在生产 中，其性能是否在改进之中，对于系统未来的升级是否具有兼容性。 ( 3 ) 了解单片机的可开发性。要考虑编译工具的使用是否方便，程序写入工具性 价比是可行。是否较好的调试工具或仿真工具，以及单片机供应商相应的技术支持等。 1 5 2 从技术角度要看应遵循下列原则： ( 1 ) 合理的r o m ，r a m 空间和寻址空间。 ( 2 ) 外壳包装尺寸大小，包含组件的多少。 ( 3 ) 具有高质量的编程器和较低的开发成本，便于编程调试。 现在的微控制器普遍成本较低，只要几元到几十元就可以买到一个能够工作的微 控制器，但多大的r o m 和r a m 刁一算合理呢? 不能为了得到几k b 的r a m 而买一个至少 含有5 0 个管脚的片子，而大多数的管脚是用不上的。相比于市面上有的高质量的跨平 台编译器价格通常在几万元，p i c 平台的编译器价格却非常便宜，而且大部分都可以免 费获得，这无疑降低了开发的成本。 由于功耗低，且m i c r o c h i p 公司的开发工具支持较好，更因为p i c 的一些先进特 性，这在第一章中已经交待清楚了，我们选择了p i c 作为热量表的核心控制器在合适 不过了。 在确定了使用p i c 控制器作为嵌入处理器内核后，接下来就是根据热量表系统的 需要，考虑系统外围设备的需求情况。在实际工作过程中，挑选最合适的硬件是一项 很复杂的工作，即要考虑到系统整体性能的要求，还要考虑到作为工业开发的研究经 济投入问题，并且还要受到各种客观条件的限制根据热量表的系统要求，要综合考