热能表模块设计毕业设计.doc

热能表模块设计毕业设计目录第1章绪论11.1研究背景11.2热能表定义11.3国内外发展状况11.4研究内容及方法21.5热能表研究方案的选择3第2章热能表系统原理和结构52.1热能表系统的工作原理52.2热能表模块的结构框架及主程序流程图52.2.1热能表模块的结构框架52.2.2热能表模块的主程序流程图6第3章相关算法83.1热能的计算公式83.2热能计算公式的对比分析8第4章硬件电路104.1电源模块104.2单片机模块104.2.1单片机的选择及评价114.2.2STC12LE5410AD单片机简介114.2.3单片机模块引脚使用说明134.3测温电路模块134.3.1温度传感器的选择144.3.2热能表配对温度传感器的特殊要求与准确度144.4流量传感器模块154.4.1流量计的选用型号及原因154.4.2流量计基本工作原理174.5MAX232简介174.6液晶显示模块18第5章热能表模块的精度范围分析205.1热能表准确度205.1.1准确度定义205.1.2误差限的计算205.2误差限影响因素的影响21第6章结论与展望246.1结论246.2展望24参考文献25致谢26附录27附录A外文资料27附录B热能表硬件电路图45附录C元器件清单46附录D源程序清单47石家庄铁道大学四方学院毕业设计第1章绪论1.1研究背景长期以来，每到入冬的时候，供暖问题就成为长江以北城镇居民的热门话题，近几年国民经济的快速发展，环境保护开始被越来越多地提倡，国务院对能源的利用方式由粗放式向节约式转变相当重视，现在普遍采用的按建筑面积收费的弊端越来越明显,建筑面积通常与实际采暖面积不符，按面积收费，容易引起用户和供热部门的纠纷1。而且现在普遍实行的先交费后供暖的模式，使得用户欠费或不交费的状况时有发生，由此给国家造成巨大的经济损失。依据建设部建筑节能“九五”计划和2010年规划的发展目标中明确指出：“对集中供暖的民用建筑安设热表及有关调节设备并按表计量收费的工作，1998年通过试点取得成效，开始推广；2000年在重点城市成片推行；2010年基本完成。”实现供热计量收费基础设施是能以足够的精度对实际使用的热量进行测量的热能表。在经济发达国家，户用供暖热表的使用已经相当普遍。热表作为热力公司向每个供暖受益者（住户）计价收费的手段和依据，不仅已广泛被用户接受，而且节能达到20%30%。对中国来说，推行热能表是势在必行的2。 1.2热能表定义热能表（heat meter）也称热量表，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，热量表是安装在热交换回路的入口或出口，用以对采暖设施中的热耗进行准确计量及收费控制的智能型热量表。其工作原理是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，通过计算器计算并显示该系统所释放或吸收的热量。1.3国内外发展状况（1）国外研究现状及特点：集中供暖计量收费是20世纪70年代中期由欧洲开始的。相应的“热量表”，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。到90年代，户用热量表基本上定型，设计趋于一致1997年4月，欧洲共同体正式通过了统一的热量表标准，代号为EN1434。现在向中国市场上推销的欧洲各国的热量表，大部分都标明了“符合OIML-R75标准”和“符合EN1434标准”。欧洲表热量积分计算仪一律采取的是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。欧洲热量表采用的测温元件是Pt100和Pt500。Pt100即在0时电阻值为100。（2）我国研究现状及特点：中国热量表的自行研制开始于上世纪的九十年代。根据专利文献，中国最早研制“采暖用热量表”的是山西的一位教师。中国热量表的研发、生产中，认真学习借鉴了国外成熟的技术，也针对中国国情做了大量自主开发的努力。中国热量表有以下特点：测温传感器选用了Pt1000（欧洲的热能表过去一般采用Pt100和Pt500）；这使得测量信噪比提高了2-10倍。中国热量表设计大多数能做到：既可用于测量供热量，也可用于测量供冷量（吸热量），一表两用。既可用于集中供热计量收费；也可用于正在发展的冷热联供，及中央冷暖空调的系统和分户冷热计量。欧洲的热量表一般规定将流量计安装在回水管道上，热量表大都设计成既可安装在进水管道上，也可安装在回水管道上；对盗用热水有一定的制约作用。中国国产热量表的价格大概是欧洲进口热能表的1/2至2/3左右，并且中国目前的供热系统对中国的热量表提出了比欧洲国家更苛刻的要求，如水质很差，氧化、锈蚀问题无可避免地普遍存在。多方面的原因造成水中不仅含有大量的有害化学物质，还有各种对流量计具有破坏性的杂质。热量表中流量计是主要的部件，流量计量传感技术相对复杂，问题较多，中国热量表在这方面尤其是薄弱的环节3。1.4研究内容及方法研究内容以单片机为核心，配合进水回水测温电路、流量计，计算出系统释放的热能并显示流量和热能参数。其中系统的误差不大于10%；温度传感器用Pt1000，流量计的输出信号为脉冲信号，模块用液晶显示，可以显示累积流量、累计热能、瞬时流量、当前温度等参数；设计流量和热能的算法公式；温度信号的处理用自己搭建的电路实现；编写单片机程序，做出实物。为此，通过查看国内外热能模块相关资料，根据课题中对热能模块性能指标的要求对热能模块进行总体设计及单片机中主程序框架的设定，再根据下阶段对温度传感器（目前先确定为Pt1000）、流量传感器以及与之相连的A/D电路的最终确定并计算得出它们的精度范围。最终达到通过流量传感器、温度传感器对水流水温的测量后通过A/D电路送入单片机，在单片机内经过算法得出相应测量值。配合按键、功能键模块调用在液晶模块上进行显示，同时系统精确度能够满足要求。1.5热能表研究方案的选择按目前国内外市场的产品情况，热能表通常按照其流量计结构和原理的不同，可分为超声波式、电磁式、机械式（其中包括：涡轮式、孔板式、涡街式）等种类。为此，比对这三种方案的热能表：（1）超声波式热能表采用超声波式流量计的热能表的统称。它是利用超声波在流动的流体中传播时，顺水流传播速度与逆水流传播速度差计算流体的流速，从而计算出流体流量。优点：对介质无特殊要求；流量测量的准确度不受被测流体温度、压力、密度等参数的影响，流量测量范围比一般的机械式热能表宽，尤其是在测量小流量时准确度比机械式热能表高。一般DN40以上的热量表多采用这种流量计。具有压损小，不易堵塞，精度高等特点。缺点：初投资相对较高，对于用户来说要考虑成本因素。气泡对准确测量干扰很大，安装时要求进行排气措施。（2）电磁式热能表采用电磁式流量计的热量表的统称。是一种测量热变换系统中载热流体所释放的热量的计量仪表。它使用了高精度、高可靠性电磁流量计作为流量测量，采用高精度、高稳定性的铂金热电阻做温度测量。优点：该热能表具有非常优异的测量性能。缺点：由于成本极高，需要外加电源等原因，所以很少有热量表采用这种方案。（3）机械式热能表采用机械式流量计的热量表的统称。机械式流量计的结构和原理与热水表类似。优点：具有制造工艺简单，相对成本较低，性能稳定，计量精度相对较高等。目前在DN25以下的户用热量表当中，无论是国内还是国外，几乎全部采用机械式流量计。缺点：受水质影响比较大。由于电磁式热能表成本最高，系统较复杂，因此排除该设计方案。超声波式热能表与机械式热能表相比超声波热量表的流量计较为精密，维护非常复杂，而且成本较高，一旦出现故障很难修复，若整台更换又会造成成本的大幅度增加。在采暖系统中，高温水会在管道壁上形成气泡，以及在流过弯道时水流产生的湍流，这些都会给超声波热量表的流量计的计量精度带来巨大的影响。超声波热量表的流量计在安装使用上极为严格。由于超声波流量计所测的流量依赖的参数为声波的传导时间，故水流的平缓与否对其十分重要，而且足够的直管段可消除水中的气泡，因此对直管段要求十分严格。而机械热量表的流量计相对而言要宽松一些，即使在不能满足直管段安装要求的情况下也不会影响到整体的计量精度。综上分析，我们决定采用机械式热能表为设计的方案。第2章热能表系统原理和结构2.1热能表系统的工作原理热能表系统的工作原理是：用于以热水为传热媒介的用户采暖系统中，将配对温度传感器分别安装在需要进行热能交换回路的入口和出口管上，将流量传感器安装在出口管上，见图2-1热能表安装示意图。当热能表模块开启进入工作时，配对温度传感器给出进行热能交换回路入口和出口管上的温度信号，流量传感器则产生传热媒介的流量信号。单片机采集温度信号和流量信号并经过处理、计算，就能给出进行热能交换回路系统的给水温度、回水温度、给回水温差、瞬时流量、累计流量、累计热量等数据。通过断码液晶显示器将累计流量、瞬时流量、当前温度、累计热量四种数据显示出来。出水管阀门温度传感器单片机模块流量计温度传感器入水管阀门用户图2-1热能表安装示意图2.2热能表模块的结构框架及主程序流程图2.2.1热能表模块的结构框架本模块主要由单片机、电源、测温电路、流量传感器、按键、显示电路组成。其系统结构框架见图2-2热能表模块结构框图。单片机显示电路按 键测温电路1（进水温度）测温电路2（回水温度）流量计电 源图2-2热能表模块结构框图电源为单片机和显示电路提供工作电压。两个测温电路分别测量热能交换系统中的进水温度和回水温度，流量计测量的是流经热交换回路中的水流量，并发出脉冲信号（验证时我们用简单的按键电路来模拟、替代流量计的输出脉冲信号）。单片机通过对两个测温电路及流量计发出的信号进行处理、计算得出可以在显示电路上显示出来的当前温度、瞬时流量、累计热量、累积流量等结果。显示的结果可以通过按键进行切换。2.2.2热能表模块的主程序流程图图2-3是热能表模块的主程序流程图4。系统程序由初始化程序，数据采集程序，计算程序，显示程序，存储程序组成。初始化程序对单片机一些寄存器、I/O口等的初始状态进行设置，定义所需的变量并对变量进行初始化设置。对显示模块进行清屏，对2个外部中断、2个定时/计数器，CPU开中断为后边的子程序运行做好准备。数据的采集程序主要是对温度传感器采样的信号进行A/D转换后采集，以及流量传感器采样的脉冲信号进行采集。计算程序则是对数据采集程序采集来的数据通过算法进行计算得出当前温度、瞬时流量、累计热量、累积流量等结果。显示程序由外部功能按键对计算结果进行调用显示在液晶板上。存储程序是用来把计算的结果保存到单片机的EEPROM中。在热能表系统不断电的时候系统程序一直会运行在主循环中。开始定义变量、变量初始化清暂存清显示外部中断INT0初始化外部中断INT1初始化T0初始化T1初始化CPU开中断温度、流量数据采集热量计算并存储显示图2-3热能表模块的主程序流程图第3章相关算法3.1热能的计算公式热量的计算公式习惯上分为两种5：直接计算法也称焓差法见式(3-1)和K系数计算法见式(3-2)。 (3-1)式中：释放或吸收的热量（或）；流经热能表中载热液体的质量流量（）；流经热能表的水的体积流量（）；流经热量表的水的密度（）； 在热交换系统的入口和出口温度下，水的比焓值（）；时间（）。 (3-2)式中：释放或吸收的热量（或）；载热液体流经热交换系统水的体积（）；热交换系统中载热液体入口处和出口处的温度差（）；热系数，它是载热液体在相应温度和压力下的函（）或（）。3.2热能计算公式的对比分析我国供热体制改革是借鉴了欧洲的经验下推行的，热能表行业的相关标准以及热量表鉴定方法及流程是以欧洲标准EN1434“热能表”为范本，结合我国具体国情状况进行制定。根据欧洲标准下EN1434“热能表”的K系数的计算公式是6： (3-3)式中：热交换回路中入口温度对应的载热液体的比焓值（）； 热交换回路中出口温度对应的载热液体的比焓值（）； 热交换回路中载热液体入口处的温度（）；热交换回路中载热液体出口处的温度（）； 比容（）。 (3-4)式中：R=461.526；=（当体积计量位置在入口处）或（当体积计量位置在出口处）。 (3-5)其中：、为常数；（=1386）。由式(3-3)、(3-4)、(3-5)可以看出热系数K是由焓差计算得出来的，因此可以说焓差法和热系数法在本质上是相同的。如果假设入口温度为80，出口温度为50，压力为0.6，质量流量为6，在1的时间内释放的热量。焓差法：=753.6;热系数法：=0.2093=753.4。两种方法的计算差别：=0.03%。可以看出两种计算方法间的计算差别远小于1级热能表的误差限，所以采用不同方法引起的计算差别是完全可以忽略的。在测量过程中为了计算方便往往在流量传感器输出质量流量时采用焓差法计算而流量传感器输出体积流量时采用热系数法计算。总的来说热能表热量计算方法主要有K系数法和焓差法，K系数法和焓差法有着相当紧密的联系，同时两种计量方法之间存在着一定的差值，但对于热能表来说，这一点不一致对计量精度产生的影响，可以忽略不计。根据实际情况我们选用焓差法进行热能计算。第4章硬件电路4.1电源模块电源模块由三个部分组成，一个是自锁按键，通过自锁按键来控制单片机的通、断电，一个是电源通断LED显示灯，电源模块电路中加了一个LED灯做为电源通、断显示灯，当自锁按键按下LED亮表示电源接通，当自锁按键断开LED熄灭表示单片机断电。还有一个是数字地与模拟地端口，电路板上的所有数字地与模拟的都接到这两端上，而数字地与模拟地之间用一个0电阻隔开为了防止数字地和模拟地的相互干扰，从而起到抗干扰的作用。见图4-1电源模块电路图。图4-1电源模块电路图4.2单片机模块单片机模块由单片机、电源、晶振电路、复位电路组成。单片机模块protel原理图见图4-2单片机模块。图4-2单片机模块4.2.1单片机的选择及评价选择由宏晶科技生产的STC12LE5410AD单片机。STC12LE5410AD是STC12C5410AD系列单片机之一，该系列单片机为宏晶科技生产，内部含有A/D转换电路。加密性强，很难解密或破解，解密费用很高、国内能解密的人少，一般的仿制者望而退步。高抗静电（ESD保护），轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰（EFT测试），宽电压、不怕电源抖动，宽温度范围-4085，I/O口经过特殊处理使其具有超强的抗干扰。速度快，1个时钟/机器周期，可用低频晶振，大幅降低EMI。掉电模式下，外部中断唤醒消耗0.1uA，空闲模式下典型的功耗是1.8Ma，正常工作下典型功耗是2.7mA7mA。掉电模式可由外部中断唤醒，适用于电池供电系统，如水表、气表、便携式设备等。所有封装均符合欧盟RoHS要求。完全满足我们热能模块设计的需要。4.2.2STC12LE5410AD单片机简介STC12LE5410AD为宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，4路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合7。其他特点如下（1）增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。（2）工作电压：STC12LE5410AD系列工作电压：3.6V-2.2V（3V单片机）。（3）工作频率范围：035MHz，相当于普通8051的0420MHz。（4）用户应用程序空间10K字节。（5）片上集成512字节RAM。（6）有EEPROM功能。（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。（8）通用I/O口23个，复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA。（9）有看门狗。（10）内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，可省外部复位电路）。（11）时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器。用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部R/C振荡器频率为：5.2MHz6.8MHz。精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准。（12）共6个16位定时器。两个传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，PCA模块可再实现4个16为定时器。（13）2个时钟输出口，可由T0的溢出在P1.0输出时钟，可由T1的溢出在P1.1输出时钟。（14）外部中断9路，下降沿中断或低电平触发中断，PAC模块可分别或同时支持上升沿中断/下降沿中断，Power Down模式可由外部中断唤醒，/P3.2，/P3.3，T1/P3.5，RxD/P3.0，PCA0/P3.5，PCA2/P2.0，PCA3/P2.4。（15）PWM（4路）/PCA（可编程计数器阵列，4路）也可用来当4路D/A使用。也可用来在实现4个定时器。也可用来在实现4个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别)。（16）A/D转换，10位精度ADC，共8路。（17）通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，也可再用定时器软件实现多端口。（18）SPI同步通信口，主模式/从模式。（19）工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）。（20）封装：LQFP-32，SOP-32/28/20，SKDIP-28，PIDIP-20，TSSOP-204.2.3单片机模块引脚使用说明3号引脚是RST起复位作用，我们运用上电复位电路给单片机进行复位操作。4号引脚是RXD/P3.0，5号引脚是TXD/P3.1，4、5号端子是单片机的两个串口分别进行单片机数据的接收和发送。6、7号引脚是XTAL2和XTAL1，用于接外部晶振，为单片机产生时钟信号，选用的是能产生11.0592MHz的晶振。8号引脚是P3.2是外部中断0，与按键KEY连接，从而使通断按键KEY给单片机产生外部中断，用于单片机调用不同的子程序。10号引脚是T0/P3.4，用于接流量计发出的脉冲，对流量计脉冲进行外部中断计数。25、26、27引脚为P1.7/ADC7、P2.0、P2.1分别与断码液晶的LCM_CS、LCM_CLK及LCMDATE连接组成显示电路。24引脚P1.6/ADC6连接PT1000-1，25引脚P1.7连接PT1000-2，28引脚为VCC，14引脚接地。4.3测温电路模块测温电路模块1与测温电路模块2见图4-3。（）（）图-3测温电路（）是进水口测温电路（）是出水口测温电路图中用到的两个温度传感器分别放在进、出水口用来检测进出水温度的变化。模块中的稳压管起到一个稳压作用，当外界电源出现干扰时能保证电压稳定不会影响测量的准确性，后面是个桥式电路，温度传感器作为其中的一个桥臂，当温度变化时温度传感器阻值也发生变化，使得桥式电路的输出电压也发生变化，通过电压和温度的关系从而得到温度值。4.3.1温度传感器的选择因为铂电阻温度传感器相对其他温度传感器比较准确，测量出数值稳定性好，并且在0100温度范围线性度比较好。故目前在温度测量领域中，铂热电阻温度计是应用最为广泛，也是精度比较好的温度传感器之一。全球各热能表的厂商也多采用铂电阻作为热能表的温度传感器。欧洲标准EN1434中所推荐的温度传感器就是铂电阻温度传感器。常用的电阻温度传感器如Pt100、Pt500、Cu50等，热能表大多以Pt1000铂电阻温度传感器作为热能表的温度传感器。4.3.2热能表配对温度传感器的特殊要求与准确度一般选择铂作为热电阻材料，因为它具有耐腐蚀、易加工以及良好的线性关系等优点。在现行的国内外标准和检定规程中，一般规定了两种准确度等级，见表4-1准确度等级表。对于热能表的配对温度传感器来说，除了要满足单支温度传感器的鉴定要求之外，还应符合配对温度传感器的特殊要求。表4-1准确度等级准确度等级使用温度范围允许偏差（）允许偏差（0）允许偏差（100）A级-200+600（0.15+0.0020|）0.150.35B级-200+850（0.30+0.0050| ）0.300.80注：为温度的绝对值。在进行分量检定的热能表，其单支温度传感器温度的误差应满足：(0.30+0.0050|)，期中为温度值。配对温度传感器的温度误差应满足：%。热能表的温差下限一般为3，为热能表进、出口水温差。因此在最小温差时，配对温度传感器的误差约为0.1。由此可以看出配对温度传感器的温差的误差要求相对其单支温度传感器更为严格。因此所选用的检定设备必须满足温差鉴定的要求。在欧洲标准EN1434中热能表配对温度传感器的误差分为三个等级，具体要求和技术指标如表4-2温度传感器误差的三个等级表：表4-2温度传感器误差的三个等级等级误差（）30.1053k20.0702k10.0351k等级1和等级2对温度探头的性能和生产测量技术提出了非常高的要求，等级3相对容易得到，我国的现行有关标准和检定规程中一般都规定选为3，配对温度传感器温度的误差：0.105也就是说在3最小温差下，热能表的两个传感器的配对误差不能大于0.105，大于这个值就不能满足要求。为了成功地配对，温度探头应该按温度曲线特性进行，这样才能在整个测量温度范围内保证配对的精度。总的来说热能表所用的铂电阻温度传感器通常有Pt100，Pt500，Pt1000等种类，国外厂家使用Pt100，Pt500比较多，而在中国使用Pt1000的非常多。只要特性指标达到要求，这三种传感器都可以用于作为热能表的配对温度传感器。因而我们选择Pt1000做为本热能表的温度传感器。4.4流量传感器模块4.4.1流量计的选用型号及原因市场中的流量计一般可以分为有磁型和无磁型，而理论上没有定义“有磁”和“无磁”，但在实际应用中，是根据传感器是否通过磁场变化采样来加以区分有磁和无磁的，这要看应用场合的选择。严格的说在热量表基表和智能水表上是绝对禁止使用有磁采样器件的，如果使用有磁器件，除了会人为的降低采样器件（在基表中指叶轮）的灵敏度外，而且增加了一些不稳定的因素和潜在的危害，带来一系列不应有的麻烦，如抗干扰能力低下，精度差，易阻塞，磨损增加，寿命降低，遇低温和长时间在水中浸泡发生磁铁退磁等等。在热量表和智能水表上就不应该应用以有磁传感器从叶轮上采样的器件。这是一种误用，或者说是有磁传感器在应用场合的错误，绝大多数情况是因为找不到合适的传感器不得已而为之。总之，有磁传感器的这些缺点导致它在热量表上的应用将逐渐被“无磁热量表”所取代。因此本热能表模块所使用的流量计型号为：LCT-9723-B-DN20。其中LC是代表山东力创科技，T是代表耐低温，9723是力创无磁流量传感器模块的产品序列号，力创产品序列号均是以9打头，具有自主知识产权，B为子型号，蓝色圆形封装，DN20代表口径是20mm。功能特点：（1）微功耗。（2）无磁采样。（3）对被测物的移动不产生任何阻力。（4）耐高温。（5）工作电压范围宽。（6）抗噪性强。（7）采集数据可靠。（8）传输距离远。技术指标：（1）平均工作电流：57A（DC3.6V供电时），静态工作电流：56A。（2）采样方式：无磁性采样。（3）探测物质：铜、铁、铝、不锈钢等。（4）探测距离：5mm。（5）上电复位时间：5st15s，采样时间可控范围3ms120s。（6）输出信号：稳幅方波，输出阻抗：600K、信号输出频率（0300）Hz。（7）信号幅度：波峰（高电平）为工作电压的80%，波谷（低电平）0.1V，传输距离不小于30m。（8）工作温度范围：25125。（9）工作电压：DC2.012V推荐DC2.05V。（10）计量精度高及抗干扰能力强。4.4.2流量计基本工作原理流量计的基本工作原理是配合热量表或水表的基表使用的，基表叶轮上安装有非磁性金属膜片，LCT-9723探头发射的电磁波，频率为超声波段，这一频率穿透性极好，在遇金属片时会发生频率、幅度、相角的变化，通过对这些信号的整理输出稳幅方波。这些幅值的频率与流过流量计的流量成正比关系，数字信号输出，供给单片机进行相关流量的计算。微功耗设计，平均工作电流在56A之间。其工作原理框图见图4-4流量计工作原理框图。图4-4流量计工作原理框图4.5MAX232简介其管脚图见图4-5MAX232接口电路。图4-5 MAX232接口电路我们选用的该芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的能将TTL电平转换成232电平。只要将待进行串行传输的设备的发送和接收端相应的接上，就可与电脑的九针串口相连下载程序。单片机的串行口TXD及RXD分别与MAX232芯片的第10脚T2in和第9脚R2out，第7脚T2out、第8脚R2in分别接到DB9得第2脚和第3脚，MAX232使用+5v单电源供电,从而可以成为单片机和单片机之间、单片机和PC机串口之间的符合RS232串行接口电路。有条件的情况下可以实用MAX232的改进版MAX2323来代替。他们的区别在MAX232是5V电压供电的，而MAX3232是5V或3.3V电压供电的；MAX232功耗较大，供电电压5V时，耗电5mA；而MAX3232功耗较小，供电电压5V或3.3V时，耗电0.3mA；MAX232外接4个1uF电容，而MAX3232外接4个0.1uF电容。4.6液晶显示模块本设计选用的液晶显示为特别订做的DGM0804，其工作电压在2.2V3.3V之间，工作电流在4570，显示色彩为黑色，无背光，需要HT1620的驱动器。液晶显示模块protel图见图4-6液晶显示模块接线图。HT1620是一款显示段数为128（324）即片内324位显示RAM的，存储器映射的多功能LCD驱动器。HT1620的软件配置特性使其适合于各种LCD的应用，包括LCD模块和显示子系统。主控制器与HT1620通信只需要3到4条线。由于采用了电容型偏置电压充电泵，HT1620的操作电流非常的小。图4-6液晶显示模块接线图1号端子是模块的IRQ脚功能是定时器的输出，使用时直接悬空。2号端子是模块的VDD脚是模块的正电源端口，使用时接3.3V。3号端子是VSS脚是模块的负电源端口，使用时直接接地。4号端子是带上拉电阻的数据输入脚DATA，使用时接到单片机的P2.1脚。5号端子是带上拉电阻写数据脚WR，使用时把该脚接到单片机的P2.0脚上。6号端子是带上拉电阻的片选输入CS脚，使用时把该脚接到单片机的P1.5脚上。模块的主要作用是通过按键调用的显示子程序让液晶模块显示热能表的累积流量、累计热能、瞬时流量、当前温度等参数。热能表硬件电路图在附录B中。第5章热能表模块的精度范围分析在国家提倡节能降耗的背景下，热能表计量是否准确，是消费者和供暖企业关心的问题。热能表计量是否准确，涉及到热能表的误差限。在这对此问题进行下分析。5.1热能表准确度5.1.1准确度定义用相对误差限来定义热能表的准确度8见式(5-1)：% (5-1)式中：为热能表的示值；为真值。5.1.2误差限的计算误差限的计算见式(5-2)： (5-2)由于1、2级精准度的温度传感器以及流量传感器生产工艺要求较高，成本昂贵，3级精准度器件的相对易得到，先前以确定选用3级精准度的器件。故以3级准确度的热能表来说明，其相对误差限的计算公式9为式(5-3)，(5-4)，(5-5)： (5-3) (5-4) (5-5)式中：为单片机计算误差限，为配对温度传感器误差限；为流量传感器误差限；热能表进、出口水最小温差；热能表进、出口水温差；常用流量；通过热能表的流量。把式(5-3)，(5-4)，(5-5)代入式(5-2)，得式(5-6)：(5-6)式中为单片机计算与配对温度传感器误差限之和，其值与温差成反比；为流量传感器误差限，其值与流量成反比。5.2误差限影响因素的影响下面分为三种情况对误差限影响因素的影响进行分析。（1）当热能表进、出口温差为热能表所允许的最小温差时当热能表进、出口温差为热能表所允许的最小温差时，即，达到最大值，即。如接管直径为20MM的热能表，其常用流量，则。当流量时达最大值，此时热能表出现最大误差限：。当流量大于时误差限逐渐降低；当流量大于即后，误差限的降低速率很小，误差限接近常数，在左右，见表5-1 时热能表误差限10。表5-1时热能表误差限（）0.055.50%5.00%10.50%0.253.50%5.00%8.50%0.503.25%5.00%8.25%0.753.17%5.00%8.17%1.003.13%5.00%8.13%1.253.10%5.00%8.10%1.503.08%5.00%8.08%1.753.07%5.00%8.07%（2）当热能表进、出口温差大于热能表所允许的最小温差时随着的增大，误差限逐渐下降。如假设热能表进、出口水温差，当时，当则出现最大的误差限，为，而当流量大于后，其误差限基本稳定在左右。当时，则最大误差限为，当流量大于，误差限基本稳定在左右，若温差再增大，误差限下降极小，见表5-2，时热能表误差限、表5-3，时热能表误差限、表5-4，时热能表误差限。表5-2，时热能表误差限（）0.055.50%2.33%7.83%0.253.50%2.33%5.83%0.503.25%2.33%5.58%0.753.17%2.33%5.50%1.003.13%2.33%5.46%1.253.10%2.33%5.43%1.503.08%2.33%5.41%1.753.07%2.33%5.40%表5-3，时热能表误差限（）0.055.50%1.67%7.17%0.253.50%1.67%5.17%0.503.25%1.67%4.92%0.753.17%1.67%4.84%1.003.13%1.67%4.80%1.253.10%1.67%4.77%1.503.08%1.67%4.75%1.753.07%1.67%4.74%表5-4，时热能表误差限（）0.055.50%1.44%6.94%0.253.50%1.44%4.94%0.503.25%1.44%4.69%0.753.17%1.44%4.61%1.003.13%1.44%4.57%1.253.10%1.44%4.54%1.503.08%1.44%4.52%1.753.07%1.44%4.51%（3）当实际流量恒等于常用流量时若流量恒等于，时，可知当后，误差限几乎不变化，即在正常流量下，只有当时误差限才较大，误差限的变化如表4所示。大温差、小流量运行时最小值接近于1%，最大可达5.5%，因此此时极限误差限接近为6.5%，见表5-5时热能表误差限。表5-5时热能表误差限（）35.50%5.00%10.50%65.50%3.00%8.50%95.50%2.33%7.83%125.50%2.00%7.50%155.50%1.80%7.30%185.50%1.67%7.17%215.50%1.57%7.07%245.50%1.50%7.00%综上述分析可知，当热能表进出水温差达到最小值并且流量也达到最小允许值时，热能表误差限的最大值为10.5%，随流量的增加，误差限逐渐下降为8%；不变时，越大，误差越小，当时，误差接近常数；一定温差下，当实际流量大于常用流量的一半后，误差近似为常数。故本热能表正常工作时的误差限能满足10%的设计要求，并且让热能表工作在进出水温差越大，实际流量大于常用流量的一半以后其误差限越小，热能表的精确度就越高。第6章结论与展望6.1结论经过大家的努力终于把热能表模块完成。它能够借助温度传感器、流量传感器测量得出的信号传给单片机进行运算处理，经过功能键的操作能在断码液晶板上显示出热能交换系统中的累积流量、累计热能、瞬时流量、当前温度等参数。本热能表模块精度在10%以内（若在测温电路中采用精密电阻，且缩短Pt1000的接线长度能进一步优化热能表模块的精度），由电池供电，携带有EEPROM存储器能够对相关数据进行存储，保证了掉电数据的不丢失。是一款设计新颖、实用，性价比高的热能表模块。6.2展望本热能表模块设计在实现实际误差10%以内，除了要满足选用的温度传感器Pt1000、流量计以及算法的选择等精度都在三级精度以上的同时，还需要满足温度传感器模块电路上的桥式电路及比例运放电路上所使用的电阻误差越小越好，最好在控制相应成本的同时选择精密电阻，这样温度传感器传递给单片机的信号误差更小。但是，发现在电路板中搭成平衡电桥及连接运放所需的铜线本身也自带电阻且很难测量出相应阻值，故在一定程度上可能会对总体的精度有小量的影响。另一方面热能表模块在实际应用中是靠电池供电的，随着使用时间的增加，电池本身的提供电压会下降，如果在一定时间内不对电池进行更换或是对电池电压值做个软件检测并进行算法矫正处理，也会对本热能表模块的总体精度造成影响。在此望广大热能表模块的专家、学者们与我们共同探讨。参考文献1 中华人民共和国行业标准.民用建筑节能设计标准,JGJ26-95,1996.2 中华人民共和国城镇建设行业标准热能表CJ1282007S.中国标准出版社,2008-4.3 王树峰.关于我国热能表的历史,现状和发展J.中国建设信息供热制冷,2005(05).4 高峰.单片微型计算机原理与接口技术M.科学出版社,2007-4.104131.5 杜树春.单片机应用系统开发实例详解M.机械工业出版社,2007-10.4851.6 European Standard.EN1434.1997 has the status of a DIN standard,Heat metersS,1997.7 姚永平.STC12C5410AD系列单片机器件手册EB/OL./datasheet/stc/STC-AD-PDF/STC12C5410AD.pdf .8128 杨精林.曹立军,韩来章,吴伟福.热能表示值误差测量不确定度评定J.工业计量,2005(S1).9 翟智民.热能表误差限的分析J.计量与测试技术,2009,(3).10 Zh.F.Kudryashova,V.I.Mishustin.Analysis of the Errors of Measurements of the Quantity of Heat in a Closed Heat Supply SystemJ.Measurement Techniques,2002,45,(1).致 谢感谢指导老师，在我大学的最后学习阶段毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集、疑难解答，论文的初稿，到论文的定稿，给了我们耐心的指导和无私的帮助。感谢靳海俊工程师、郭峥老师，在我们的毕业设计中教会了我们使用protle软件，并在硬件电路中给与我们很多的技术与物件支持。为了指导我们的毕业设计，他们放弃了自己的休息时间，他们的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，他们的严谨的治学态度，细致的研究精神对我以后的生活工作和学习将产生积极的影响。在此向他们表示我由衷的谢意，并祝福他们工作顺利、幸福安康。同时也借此机会感谢其他组员：靳飞、张钊、王俊杰、田慧杰、田杰、惠升、信晓雪、丁月娜、高巧云。正是在他们的帮助和支持下使我更好的完成了自己的毕业设计。附 录附录A外文资料MAX3222/MAX3232/MAX3237/MAX32413.0V to 5.5V,Low-Power, up to 1Mbps,True RS-232 Transceivers Using Four 0.1F External Capacitors.General DescriptionThe MAXThe MAX3222/MAX3232/MAX3237/MAX3241 transceivers have a proprietary low-dropout transmitter output stage enabling true RS-232 performance from a3.0V to 5.5V supply with a dual charge pump.The devices require only four small 0.1F external chargepump capacitors.The MAX3222,MAX3232,and MAX3241 are guaranteed to run at data rates of 120kbps while maintaining RS-232 output levels.The MAX3237 is guaranteed to run at data rates of 250kbps in the normal operating mode and 1Mbps in the MegaBaud operating mode,while maintaining RS-232 output levels.The MAX3222/MAX3232 have 2 receivers and 2 drivers.The MAX3222 features a 1A shutdown mode that reduces power consumption and extends battery life in portable systems.Its receivers remain active in shutdown mode,allowing external devices such as modems to be monitored using only 1A supply current.The MAX3222 and MAX3232 are pin,package,and functionally compatible with the industry-standard MAX242 and