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基于LABVIEW的智能热量表毕业论文1绪论1.1课题来源及意义1.11智能化住宅简介 人类己经进入21世纪，现代科技的力量，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，人们足不出户可纵览全球，电子商务、远程教育、移动办公、网上聊天、以超乎想象的速度改变了人类的生产、生活方式，更深刻地影响了人类的思维模式和生存状态。社会的信息化也唤起了人们对住宅料能化的需要，智能化住宅小区就是顺应这一形势发展起来的。智能化住宅小区把先进的科学技术与现代建筑工艺紧密结合.为小区住户提供了一个安全、舒适、方便、优化的生活环境，实现了小区生活服务的高效化、节能化和环保化。楼宇自动化是体现建筑物“智能”的主要部分。楼宇自动化系统(building automation system，简称BAS)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控制系统的结构及先进的管理技术，可以实现对建筑物的中央监控、安全保障及能源管理功能。BAS的实施还实现了无人抄表，住宅小区各住户的热量表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，然后将数据送到相应职能部门，大大提高了物业管理水平。1.12智能热能表及远程抄表系统的重要意义随着我国经济建设的发展，人民生活水平日益提高，区域性的集中供热，已在我国北方的大中城市得到普及。但对用户的用热量却长期缺乏一个合理的计量措施，大部分地区仍按建筑面积计费。这种按面积大小包干制的收费办法，导致室内温度偏高的用户，不是调节供热量来降低室内温度，而是采取冬季开窗的方式来散热，导致热量的大量损失；同时使供热企业的经济效益变差，制约了集中供暖的发展，与住宅智能化的要求极不协调。在市场经济条件下，供热企业与暖气用户之间应为业主与顾客的商品买卖关系：企业按其供热(冷)量的数量和质量进行定价和收费，用户按其得到的热量的数量和质量进行议价和付费。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，这些都将对传统的计费方式提出挑战。此外现在水表、煤气表、电表等大都安装在用户室内，尤其是北方地区防冻的需要更是这样。每月人工入户抄表收费不仅给物业管理和用户带来极大的不便，而且误差大、时效性差、统计工作量大、人为随意性大，尤其用户咨询时极不方便。不光是物业管理人员感到头痛的事，用户也感到不满意，甚至经常出现物业管理者和住户之间产生很多不必要的纠纷和矛盾,同时社会上有些不法分子利用此机会进行犯罪活动。为了有效解决入户抄表收费存在的诸多弊端和提高效率，实现户外计量和智能抄表呼声越来越高，尤其是高层、豪华居住小区，耗能表户外计量已经是必须的，传统抄表方式已经不能适应今后住宅的发展要求。建设部2000 年小康型城乡住宅科技产业工程城市示范小区规划设计导则(修改稿)中己经明确提出:“大力推动应用户外计量(含水、电、暖、燃气表技术)和产品的研究开发。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，需要设计一种合理的、准确的计量用户的用热量的装置即智能热能表，实现无人抄表，使得住宅小区各住户的热、水、电、气等表具能够自动计量并将数据远传至物业管理中心，由管理中心统一对各表数据进行录入，然后对数据进行相应的处理，有效提高物业管理的自动化程度和水平。1.2 国内外研究现状及发展水平1.2.1国内外热能表现状在西方国家，热能是以商品进入市场的。欧洲热计量法规虽各有差异，但基本上每个热用户都安装热计量仪表，并按用户使用的热能收费。德国的法律最为严格完备，规定每栋楼必须安装热能表，每组换热器必须安装温控阀和热计量装置。目前供暖系统的供热能计量主要有以下两种方法：（1）热分配表法热分配表法是国外若培卡彻公司研制的间接热能测量法，在双管供暖系统的每组散热器上，安装温控阀和盛有某种特定液体介质的热表，表中的液体介质因接受散热器的热能而蒸发，以整个采暖季蒸发的多少来换算出该组散热器的耗热能。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，然后据此进行该组型散热器的耗热能计算。其优点是可直接用于现有双管供暖系统的热皿计量，但各组型散热器的特性系数常由该供热企业的实验室标定，技术垄断性强，热能计量透明度低，而且又是以每组散热器为计量单元，不是以房间为单位进行计量，企业和用户都觉得不便，加上价格昂贵，在目前国情下难以推广应用。（2）热能计量法集中供热系统的热计量是通过热能表（俗称热表）来实现，实时测量供回水管道中热媒的瞬时流量及温差，得到用户在一段时间内的耗用热能。由三个部分组成：流量计，用以测量流经热交换系统的热媒流量；温度传感器，测量进水和回水温度；积分仪，根据与其相连的流量计和温度传感器提供的流量和温度数据，再经过密度和热焓值的补偿及积分计算，才能得到热能值。按照工作原理，热能表可分为叶轮（机械）式、电磁式、超声波式等种类。世界法定计量组织 OIMLR75 和欧共体 EN1434 标准推荐使用机械式、电磁式和超声波式三种热能表，其中机械式热表因其经济、维修方便和对工作条件的要求相对不高，在热水管网的热计量中占据主导地位。国内外热能表存在的问题:1）欧洲表热能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，一般规定要安装在回水管道上，即流量计只能测回水的流量。若用户盗用热水，热能计量结果反而减少。2）欧洲热能表采用的测温元件是 PT100 和 PT5OO，引出电缆的导线电阻在1时可能带来 1%2%的误差,因此务必严格规定许可的电缆长度。而如果采用了PT1000,相同电缆的导线电阻可能引起的误差减小到 0.1%0.2%以下。采用PT1000 不仅提高了热能表的精度,而且为热能表的安装(供、回水管道相距较远时),提供了更便利的条件。3）热能表既应能测量供热系统的供热能，也应能测量供冷系统的吸热能，但现在国内外市场上大多为测热表，因此需研制冷热两用表。4）热能是依据热载体的质量和进回水热焓的差值计算的，而现在所用流量计测的是体积流量，必须根据温度和压力修正才能得到载体质量，否则误差可能达到 10以上1.2.2虚拟仪器技术以及国内外研究现状虚拟仪器是一个新型的概念，是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类，它是计算机硬件资源、仪器测控硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合。它以微型计算机为仪器统一的硬件平台，将测试仪器的功能和形象逼真的仪器面板、控件等形成相应的软件并以文件的形式存放于机内的软件库中，同时在计算机的总线槽内配以对应的可实现数据交换的模块化硬件接口卡，若是库内仪器测试功能、仪器控件的软件和由接口卡输入至机内的数据，在计算机系统管理器的统一指挥和协调下运行，便构成一类全新概念的仪器虚拟式仪器。这是一种功能意义上的而非物理意义上的仪器概念，其基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口和测控仪器。在这里，软件是其关键。由于虚拟式仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，故虚拟式仪器被认为是“软件即是仪器”，这是对仪器概念的延伸，是仪器领域中的一场革命。目前机电一体化以及机械工业自动化和电子工业自动化己经成为当今世界最热门的技术发展方向之一，其进程有利地带动了诸如自动测试系统领域的发展，与传统的技术相比，虚拟仪器技术从设计开发到用户使用都具有很多优点。随着计算机和微电子技术的发展，虚拟仪器很有可能成为下一代的仪器标准。因此在机电工业的自动化进程中，应充分重视虚拟仪器技术的作用。2 虚拟仪器技术及其应用2.1虚拟仪器概述虚拟仪器 (Virtual Instrument，简称VI)，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标点击虚拟面板，就可操作这台计算机系统硬件平台，就如同使用一台专用的测量仪器。虚拟仪器是一种计算机仪器系统，它利用PC机显示器(CRT)的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用PC机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由IO接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能。图2.1反映了常见的虚拟仪器方案。 图2.1常见的虚拟仪器方案“虚拟”二字主要包含两方面的含义:(l)虚拟仪器的面板是虚拟的。虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。如由各种开关、按键、显示器等实现仪器电源的“通”、“断”；被测信号“输入通道”、“放大倍数”等参数设置;测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。(2)虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的。在以PC机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的测试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能，因此有在硬件平台确定后“软件就是仪器”的说法。它体现了测试技术与计算机技术深层次的结合。2.2虚拟仪器的分类虚拟仪器的分类方法可以有很多种，但随着微机的发展和采用总线方式的不同，虚拟仪器大体可分为以下六种类型。(l)PC总线一插卡型虚拟仪器。这种方式借助于插入计算机内的板卡(数据采集卡、图像采集等)与专用的软件，如LabVIEW，LabWindows/CVI或通用编程工具Visual C+和 VisualBasic等相结合，可以充分地利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是该类虚拟仪器受普通PC机机箱结构和总线类型限制，并且存在电源功率不足，还有机箱内部的噪声电平较高，插槽数目较少，插槽尺寸小，机箱内无屏蔽等缺点。该类虚拟仪器曾有ISA总线和PCI总线两大品种，但目前ISA总线的虚拟仪器已经基本淘汰，而PCI总线的虚拟仪器广为应用，只是价格比较昂贵。(2)GPIB总线方式的虚拟仪器。GPIB也称HPIB或IEEEA88总线，最初是由HP公司开发的仪器总线。该类虚拟仪器可以说是虚拟仪器早期的开发阶段，它的出现使电子测量由独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台带有GPIB接口的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口卡可连接多达14台仪器，电缆长度可达40m。GPIB技术可用于计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式;可以很方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要要求对计算机高速传输状况时应用。(3)并行口式虚拟仪器。最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，把仪器硬件集成在一个数据采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量、测试仪器的功能，如可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪和数据采集器。(4)PXI总线方式虚拟仪器。PXI总线方式是在PCI总线内核技术基础上增加了成熟的技术规范和要求形成的，包括多板同步触发总线的技术，增加了用于相邻模块的高速通信的局域总线。PXI具有高度可扩展性。PXI具有8个扩展槽，通过使用PCI-PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽。对于多机箱系统，现在则可利用MXI接口进行连接，将PCI总线扩展到20Om远。而台式机PCI系统只有3- 4个扩展槽。把台式PC机的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。(5)VXI总线方式虚拟仪器。VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展。它具有稳定的电源、强有力的冷却能力。由于它的标准开放，结构紧凑，数据吞吐能力强，定时和同步准确，模块可重复利用，还有众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过十多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，并有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。(6)用于笔记本电脑的基于PCMCIA总线的虚拟仪器系统和基于USB的方便插拔的虚拟仪器系统。另外，基于网络的虚拟仪器系统的发展也很迅猛。2.3虚拟仪器的系统组成2.3.1虚拟仪器硬件系统组成虚拟仪器系统是一种由计算机操作控制的模块化仪器系统，主要由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成。构成虚拟仪器的硬件平台有两部分:图2.2虚拟仪器的硬件构成方式(l)计算机一般为一台PC机或者工作站，这是硬件平台的核心。(2)I/O接口设备I/O接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、AD转换。不同的总线有其相应的IO接口硬件设备，如利用PC机总线的数据采集卡(DAQ)，GPIB总线仪器、VXI总线仪器、串行总线仪器等。由图2.2可知，无论哪种VI系统，都是将仪器硬件搭载到PC机或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。因此，VI的发展己经完全跟上计算机技术的发展步伐，同时也显示出VI的灵活性与强大的生命力。1)PC-DAQ系统:以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。采用计算机本身的总线PCI或ISA，故将数据采集卡/板(DAQ)插入计算机空槽中即可。2)GPIB系统:以GPIB标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。3)VXI系统:以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。4)PXI系统:以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。5)串口系统:以Serial标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。无论上述哪种VI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。其中，PC- DAQ测量系统是构成VI的最基本的方式，也是最廉价的方式。2.3.2虚拟仪器软件系统组成虚拟仪器软件由两大部分构成，如图2.3所示。(l)应用程序。它包含两个方面的程序:图2.3虚拟仪器软件构成1)实现虚拟面板功能的前面板软件程序。2)定义仪器测试功能的流程图软件程序。(2)I/O接口仪器驱动程序。这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。NI的虚拟仪器的开发平台助LabVIEW作为目前国际上唯一的编译性图形化编程语言，把复杂的语言编程简化为用菜单或图表提示的方法选择功能，并用线条把各种功能连接起来的图形编程方式。LabVIEW中编写的源代码接近程序流程图。除了具备其他语言所提供的常规函数外，LabVIEW中还集成了大量的生成图形界面的模板以及多种硬件设备驱动功能(包括RS232，GPIB，VXI，数据采集板卡)，另外还提供了几十家仪器厂商的源码级仪器驱动程序，为用户开发仪器控制系统时节省大量的编程时间。将LabVIEW编程环境应用于仪器仪表测试领域有它的优越性:1)LabVIEW具有友好的用户界面:由于测试人员需要通过不同的按钮及控制方式来进行测试，同时还需要通过不同的曲线和颜色来显示经过科学计算及分析出的测试结果，因而通过这种图形化的编程方式可以更直观有效的完成测试任务。2)LabVIEW不仅是一种图形化的编程语言，更是一种图形编程环境。LabVIEW具有和常规编程语言等价的语言能力，包含了基本的数据类型、数据结构、程序控制结构、函数库等要素。同时还提供了两种运行状态，即编辑状态(Edit)和运行状态(Run)，给出了多种调试方法，如数据流动态显示等，从而将系统的开发与运行环境有机地统一起来。3)LabVIEW拥有丰富的仪器驱动库及统计分析库，因而特别适合仪器仪表测试领域的数据采集及分析。4)LabVIEW具有很强的数据统计和分析功能。这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。综合这些开发平台的优缺点，本课题采用的是NI公司的图形化虚拟仪器开发平台LabVIEW8.2。3系统总体规划3.1 系统总体设计整个系统由物业管理中心PC 机及管理软件、采集器和用户热能表等组成，其中物业管理中心PC 机通过 RS-485/RS-232 转换接口与各采集器通信，完成对采集器送来的各用户热能表数据的加工处理、报表生成，对采集器中的仪表数据进行远程监测、召唤和用户管理；采集器为单片机应用系统，接收用户热能表送来的数据和工作状态信息，并负责 PC 机和各用户热能表之间信息的传递；热能表进行各种消耗能源的计量与显示，采集器实现计量数据的转换和采集。 采集器由单片机系统构成。采集器定时或实时巡检各户机，接收各表具送来的数据信息和工作信息。采集器利用RS-485串行接口完成与 PC 机通信或与下位机的各表具通信的功能。智能热能表(或采集器)安装于每个用户家中，包括流量传感器、温度传感器、单片机系统等部分，其原理框图见第四章。流量传感器用以检测热媒的流量，两只温度传感器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积算后得到用户的耗用热能。3.2热量计算方法当热媒以一定温度从进水管流入一个热交换器（散热片、换热器等），用户在通过热交换而获取热量的同时，热媒便以较低(高)的温度从回水管流出。在一定的时间内，用户所获得的热量可以下列方程计算出：(3.1)式中：Q-热交换的热量； K热水比重、热焓修正系数；T进、回水温度差； V流过供热系统的热水流量。引入修正系数 K 是因为进水（或回水）温度不同，即使在进回水温差相同的条件下，从流进系统等量热水中获得的热量也是不同的，此外相同体积的比重是随水温变化的。由式(3.1)可知,交换热量大小主要由流量 V 和温差T 确定。由于供暖系统的负荷是季节性的,其大小随室外温度的变化而变化。同时,为了保证供暖质量,防止水压失调,又要求供暖系统分阶段改变流量调节运行。因此,系统中热交换的热量的两个参数 V 和T 都是变量,其大小应由积分计算得到,即(3.2)实际测量时,假设测量的时间间隔 dt 很小,则水温变化也很小,可近似认为温差T 为一定值,因此积分计算可由累加和求得：(3.3)(3.4)第 i 次测量的瞬时流量；第 i 次测量的瞬时温差第 i 次测量的瞬时用热量； Qn 次测量所得的累积用热量实际测量时，可以定时间间隔 dt 进行测量，也可以定瞬时流量进行测量，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进行一次测量，按式(3.4)计算出 ，并对累计用热量进行一次累加计算，一定的水量可由程序设定。显然，定流量测量方法比定时间间隔测量更为简便，而且在水流量大时测量间隔较短，水流量小时测量间隔长，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。3.3 流量的测量3.3.1 流量的概念单位时间内通过流动的流体中任意一横截面的流体数量，称为“瞬时流量”，用 q 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Q 表示。两者之间的关系是：(3.5)根据计算流体数量的办法或单位不同，可分为质量流量(表示为 ，单位为 Kg/h)和体积流量(表示为 ，单位为)。两者之间的关系是：(3.6)为流体的密度，随流体的温度、压力而变化的。与之相对应，累积总量Q 也可分为累积总质量 (单位为 Kg)及累积总体积 (单位为) 。质量流量不受温度或密度等流体诸条件的影响，但由于不容易测定，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。流量测定大致可分为两大类，即直接测定流量的方式和先求流速再通过流速乘以横截面积来求流量等方式。由于流量测量仪表比温度、压力仪表受介质特性的影响要突出的多，流体的粘度、腐蚀性、导电性的不同都对流量测量仪表有不同的要求，因此，要根据科研和生产的具休目的，合理选用原理和仪器。3.3.2 流量传感器的分类按照测量的方法可分为速度式、容积式和质量式流量传感器。(1)速度式传感器以测量流体在管道内的速度作为测量依据，有差压式、转子式、机械式、电磁式、靶式、超声波式和涡街式流量传感器等。(2)容积式传感器以单位时间内所排出流体的固定容积的数量作为测量依据，有椭圆齿轮式、活塞式、腰轮和刮板式流量传感器等。(3)质量式传感器是一种以测量流过的质量为依据，有惯性力式质量流量传感器和补偿式质量流量传感器。3.3.3流量传感器的选择集中供热供冷计费中常用的流量传感器主要有电磁及超声波流量传感器、机械式流量传感器和压差式流量传感器几大类。（1）、超声波流量传感器超声波流量传感器是非接触式测量流量的传感器。利用超声波在流体中的传播特性来测量流体的流速和流量，通常测量超声波在顺流与逆流中的传播速度差。它没有插入被测流体管道的部件，故没有压头损失；传感器不与流体接触，对腐蚀性很强的流体也同样可准确测量。传感器可在管外壁安装，故安装和检修时对流体流动和管道都无影响。其缺点为造价太贵。（2）、电磁流量传感器电磁流量传感器是测量导电性流体流量的传感器。根据法拉第电磁感应定理，导体在磁场中运动并切割磁力线时，导体中将产生感应电势，电磁流量传感器正是基于这个原理工作的。传感器无阻流元件，阻力损失极微，流场影响小，精确度高，可以测量含有固体颗粒或纤维的液体、腐蚀性及非腐蚀性液体。（3）、差压式流量传感器差压式(也称节流式)流量传感器利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。它是工业生产中测量流量最成熟、最常用的传感器。（4）机械式流量传感器：从叶轮形式可以分成以下五种流量计：1)单束旋翼式 2)多束旋翼式 3)垂直螺翼式 4)水平螺翼式 5)涡轮式超声波流量传感器的测量精度高，使用寿命长，虽然价格较贵，但将来应有一定的前途。四种传感器中，机械式流量传感器因其价格便宜、维修方便和对工作条件的要求相对不高，使得现在世界上 80%以上的集中供热供冷计费系统的流量计量装置采用的是机械式流量传感器。其具有以下的优点：1)压损小，量程比大：由于其他原理的传感器需要较高的启动流速，安装时需要大幅度地缩径，造成很大的压损。由于机械式流量传感器的启动流速小，故量程比(Qmax：Qmin)可达 40：1 甚至 480：1。2)测量精度高，抗干扰性好：超声波和电磁式流量传感器的测量精度受水质和管道形状的影响很大。当管网中有微小的焊渣和其它颗粒时，管道中的超声波和电磁信号会被严重扰乱。管道振动和周围电磁波强度对非机械式流量传感器的正常工作都有影响，而机械式流量传感器有良好的适应性和测量精度。3)安装维修方便：机械式传感器安装时，直管段要求较低，可以选择水平或垂直位置安装。当传感器发生故障，维修十分方便。4)结构简单、生产批量大，价格比其它原理的流量传感器低廉得多。系统设计中，智能热能表需要测量瞬时流量，若流量测量仪的输出是与流量成正比的频率信号，就可以通过计数器简单的得到累计值。由于流量测量仪需安装在每个暖气用户家中的供暖管道上，要考虑到成本及工艺等问题。鉴于以上原因，系统选用的是机械式流量传感器。具体型号为可远传脉冲水表：当流体冲击叶轮旋转时，叶轮的转速与瞬时流量成正比，一段时间内的转速与该时间段内的累积总流量成正比。水表全部材料均采用高强度，耐腐蚀，耐高温，耐磨损材料，能长久承受高温高压。量程大，计量准确，灵敏度高，低启动水流性能，低压头损失，可靠耐用，调整维修简易方便。同时可配装远距离传输用水量信号装置，实现远程计量，其参数为：工作水温不大于 900；公称压力；1.6 Mpa；可在潮湿环境中使用；远传信号为开关脉冲信号，每流过2.5 升或 25 升(任选)发送一个脉冲信号；脉冲信号高电平15ms，低电平多 15ms。3.4 温度的测量3.4.1 温度传感器的分类在不同的测温范围和不同的使用场合，有下列几种测量原理和方法。(1)利用液体或固体热胀冷缩的特性，以液体的体积变化或固体的变形来测量温度，如玻璃管液体温度传感器和双金属温度传感器等。(2)利用液体或气体在定容下热胀冷缩后的压力变化或液体的饱和蒸气压力随温度变化的特性，如充液、充气和充蒸气的压力表式温度传感器。(3)利用导体或半导体热电效应的特性测量温度，如热电偶温度传感器。(4)利用导体或半导体的电阻随温度而变化的特性来测量温度，如热电阻温度传感器和热敏电阻温度传感器。(5)利用晶体二极管或三极管 P-N 结电压随温度变化的特性测量温度。如P-N 结温度传感器和集成温度传感器(半导体集成电路温度传感器)等。(6)利用物体热辐射强度随温度而变化的特性来测量温度，如光学高温计、光电高温计、全辐射式高温计和红外线高温计等。3.4.2温度传感器的选择集中供热供冷计费中常用热电阻式、热敏电阻式和集成温度传感器等几大类温度传感器，它们各有其独自的特点。(1)热敏电阻温度传感器是以金属导体制成的热电阻作为感温元件。其电阻随温度变化而变化，通过测量其电阻得到与其对应的介质的温度值。根据温度系数分为两类：电阻系数为正的 PTC 热敏电阻和系数为负的 NTC 热敏电阻。其灵敏度高、体积小、热惯性小、价格低、但非线形严重、稳定性较差、有老化现象、参数一致性较差，一般用于温度补偿，或用于精度不高的温度测量。(2)集成温度传感器是半导体集成电路，利用晶体管的 b-e 结压降的不饱和值V 与热力学温度 T 和通过发射极电流 I 的关系实现对温度的检测。（3.7）式中 K 为玻尔兹常数，q 为电子电荷绝对值。其线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便，应用广泛。缺点为对量程和时间的稳定性较差，无法满足长期温度测量的精度要求。 (3)热电阻式温度传感器也是电阻式温度传感器。其具有较高的测量精度和灵敏度，便于信号的远距离传送，适宜于低、中温的测量。综上所述，热电阻式传感器能较好地用于本系统。在热电阻式温度传感器中，主要有铜电阻、铂电阻和镍电阻温度传感器三种。铂电阻有很好的稳定性和测量精度，测温范围宽，性能可靠。其缺点为价格较贵。铜电阻的电阻值与温度的关系是线性的，电阻温度系数也比较大，价格较便宜。其缺点为电阻率低，易于氧化，故只适用于温度不高，对传感器体积无特殊要求的场合。欧洲标准热量表的第二部分“对设计的要求”中，规定作为热量表的部件，温度传感器必须采用铂电阻作为测温元件，并且配对使用。本系统既用于集中供冷又用于集中供热，因此选用铂电阻温度传感器。现有计量装置大多采用的是 PT100(0时电阻即 Ro 为 100)或 PT500 (0时电阻即 Ro 为 500)型铂电阻温度传感器。当铂温度传感器的引出导线的电阻为 1时，就可能带来 1%至 0.2%的误差。当使用 PT100 或 PT500 型铂电阻温度传感器时，必须严格规定许可导线的长度。系统采用 PT 1000 (0时电阻即 Ro 为 1000)型铂电阻温度传感器。相同的电流偏置下，PT1000 的信号电压增加了 2-10 倍，相同长度的导线电阻可能引起的误差减少到 0.1%至 0.2%以下。4 系统硬件设计4.1 智能热能表的硬件设计4.1.1 CPU 主系统智能热能表实时测量热水的瞬时流量Vi，进水温度 T1 和出水温度T2，计算得到用户在一段时间内的实际用热量。其硬件结构框图如图4.1 所示。采用美国公司生产的AT89C52微处理器芯片，由 CPU主系统、温度数据采集通道、流量脉冲数据采集通道、通信接口、系统监控、电源、地址模块、显示等模块构成。热能表正常工作时，每当流量达到设定值时测量一次各用户集中供热末端设备的进出口水温差和累计热水流量，然后由此积算出用户集中供热系统消耗的能量并存储，同时根据所测量的数据来判断用户各传感器的状态。图 4.1 智能热能表结构4.1.2温度和流量数据采集通道(1)温度数据采集通道本设计所用温度传感器为Pt1000，将两个温度传感器的输出分别MAX1247的IN1,IN2通道，将温度模拟信号转换为数字信号。MAX1247与单片机的连接如图4.2所示。图4.2 MAX1247与单片机的连接(2)流量脉冲数据采集通道流量脉冲输入电路原理如图4.3所示，图中MC接机械式流量计的脉冲输出。流量传感器选用脉冲流量表，磁感体为干簧管。带有磁钢的叶轮在水流图4.3流量脉冲输入电路原理冲击下转动，干簧管的合、断产生脉冲经整型后输入单片机的P3.2,输入脉冲的个数可知流量的大小。整形电路的输入信号来自前端光敏输出的信号，其输出信号是具有一定宽度的脉冲。脉冲数据采集通道将脉冲流量表的脉冲信号送至单片机的P3.2端。4.1.3 显示模块设计本设计选用的是北京精电蓬远显示技术有限公司生产的MGLS12032A，点阵数为120*32，规格6*2汉字，即每行6字共2行。显示电路如4.4所示。图4.4LCD显示接口电路原理4.1.4电源模块设计在本设计中，为了方便设计，统一用设计的+5V电源，如图4.5所示，电源电路由电源变压器，桥式整流器件，滤波电容，固能保护器件，TVS的重图4.5 电源电路参数为额定断态工作电压，额定断态工作电压要大于正常工作的最高电压。这里额定断态工作电压选作5.2V。4.2 集中器的硬件设计集中器主要的功能是实现用户热能表和计费主站 PC 机的通信，实质上集中器循环采集、集中各用户热能表的数据信息,同时根据要求将数据转发给物业管理中心的PC机。集中器的硬件结构如图 4.6所示，其中电源模块与热量表的一样。图4.6集中器的硬件结构图4.2.1时钟模块设计本设计采用DS1302，DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302与单片机的连接如图4.7所示。图4.7 DS1302与单片机的连接4.2.2存储器模块设计AT24C512与单片机的连接如图4.8所示.图4.8 AT24C512与单片机的连接因系统中要求存放大量的数据，扩充了一片EEPROM，型号为AT24C512，串行存取的，其容量为64KB。它在系统中的作用是存放从各热量表搜集来的数据，供上位机随时取用。5上位机系统软件设计软件设计采用自顶向下、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，其正确与否不依赖其它模块，每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。5.1 智能热能表软件设计智能热能表软件设计分主程序、定时中断子程序、串行通信中断子程序，定时中断子程序完成的任务有实时时钟、流量测量、温度测量以及各种定时任务，串行通信中断子程序完成热能表和集中器之间的数据传输任务，而主程序则检测各项标志，完成各项任务的后续处理。智能热能表计量时的工作过程：用户用热(冷)时，热媒由水表进水口流入表壳内，经过整流器整流后冲击叶轮，叶轮开始转动，叶轮带动蜗杆转动，蜗杆的旋转经由转轴减速后传递到固定有小磁钢的外部转盘，转盘的旋转，带动小磁钢旋转，当转盘旋转时，安放于小磁钢上方的双干簧管传感器在磁力的作用下将反复接通，产生计数脉冲。定时子程序中对流量脉冲进行计数，当脉冲达到设定的次数时，开始对进水温度、回水温度的巡回检测，同时根据测量值完成一次热量的积算。初始化开始热能量标志=1？否显示志=1？否通信标志=1？否是是是通信后续处理显示子程序进行一次热能积算并存储保护现场图5.1 主程序流程图数据接收标志=1？否否RB=1是是数据接收正确吗？否否接收的地址和自己的地址相等吗？是是数据等于结束位？否数据接收标志=1是通信标志？恢复现场返回图5.2串口中断子程序流程图保护现场流量标志IE0=1？延时标志=1？否否是是否IE0=0，流量计数加1且等于设定值？延时计数加1是温度测量标志=1测量子程序完？否是温度测量标志=0热能测量标志=1恢复现场返回图5.3定时中断子程序5.2 采集器软件设计采集器部分的软件包括W77E58的主程序、中断服务程序以及与PC机通讯的子程序等，本节给出了部分程序的流程图。初始化开始通信标志=1？定时或实标志=1？否否是是显示子程序通信后续处理图5.4主程序流程图保护现场延时标志=1？计数时间到？否否是是延时计数加1计数清零恢复现场返回图 5.4 定时中断子程序保护现场RB=1否数据接收标志=1？否是接收的地址和自己的地址相等吗？是否否每位数据接收正确吗？是数据等于结束位？是否数据接收标志=1是通信标志？恢复现场返回图5.5串口中断子程序流程图6远程抄表系统通信设计6.1 通信实现目标远程抄表系统采用集散型测控系统的形式:智能化物业管理中心的PC机作为上位机可以按照设定的抄存项目、起始时间和时间间隔，定时抄收存储在采集器中的冻结数据或实时数据，可以打印成报表，也可以生成数据文件提交给其它应用系统，进行数据管理，采集器作为下位机接收上位机发来的命令，根据命令将各台户机的测量值及工作状态报送上位机.采集器是联系用户家中的户机和管理中心的PC机之间的纽带。显然，实现这样一个远程抄表系统，必须合理地解决PC机与采集器之间的通讯问题。设计通讯方案时必须考虑下列几个问题:1.通讯接口有一定的抗干扰能力，误码率低，即通讯质量要求高；2.各采集器与PC机之间的距离不等，因而要求数据能在较远距离内准确传输；3.PC机与采集器要在电气上隔离以防损坏器件。6.2通信方式的选择由于串行通信所占用的传输线少，导线相互之间产生电磁干扰的机会比并行通信大大减少，因而适用于远距离数据传送。在实时控制和管理系统中，各处理器之间的通信一般都采用串行方式。根据对数据流的分界、定时及同步的方法不同，串行通信又可分为异步串行通信方式和同步串行通信方式。异步串行通信是以字符为信息单位传送的，一帧信息只包含一个字符；而同步串行通信是以数据块为信息单位传送，每帧信息包含成百上千个字符。因而异步串行通信一般用在数据传送时间不能确知、发送数据不连续、数据量较少和数据传输速率较低的场合，而同步串行通信则用在要求快速、连续传输大批量数据的场合。现有的串行通信接口包括RS-232、RS-422A、RS485、20mA电流环、I2C总线等几种。(1)RS-232接口标准RS-232是目前最常用的串行接口标准，它最初是为远程通信连接数据终端设备DTE与数据通信设备DCE而制订的。该标准适用于DCE和DTE之间点对点的串行二进制通信，最高的通信速率为19.2kbPs，在通信速率不高于20kbPs时，RS-232所能直接连接的最大物理距离为15m(码元畸变小于4%)，驱动器的负载电容应小于2500PF。为保证二进制数据能够正确传送、设备控制准确的完成，有必要使所用的信号电平保持一致。为此，RS-232规定+3+15V之间的任意电压表示逻辑“O”电平，-3-15V之间的任意电压表示逻辑“l”电平。(2)RS-422A接口标准RS-232 接口虽然应用广，但它有传输速率低，通信距离短，接口处信号易产生串扰等缺点，因此EIA制定了RS-422A标准。RS-422A标准是一种平衡方式传输，即双端发送和双端接收，所以传送信号要用两条线，发送端和接收端分别采用平衡发送器和差动接收器，相当于两个单端驱动器，输入同一个信号时，其中一驱动器的输出率永远是另一个驱动器的反相信号，于是两条线上传输信号电平，当一个表示逻辑“1”时，另一条一定表示逻辑“0”，当干扰信号作为共模信号出现时，接收器接收差分输入电压，只要接收器有足够的抗共模电压工作范围，就可以识别两个信号，并正确接收传输的信息。RS-422A标准由于采用了双线传输，大大增强了抗共模干扰的能力，当传输距离为 15m最大传输率为 10Mbit/S，若传输速率下降则传输距离增加，最大距离达 1200m，该标准规定，电路中只允许有一个发送器，可以有多个接收器，该标准允许驱动器输出为26V，接收器输入电平可以降低到200mv。(3)RS-485接口标准它与RS-422A标准一样，也是一种平衡传输方式的串行接口标准。在RS-422A的基础上进行了扩展。RS-485标准允许在电路中有多个发送器，允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是驱动发送器、接收器或收发器组合单元。RS-485标准的共线电路结构是在一对平衡传输线的两端都配置终端电阻，其发送器、接收器或组合收发器可挂结在平衡传输线上的任何位置，实现在数据传输中多个驱动器和接收器共用同一传输线的多点应用RS-485标准的特点有:l)由于RS-485标准采用差动发送/接收，所以共模抑制比高，抗干扰能力强。2)传输速率商，它允许的最大传输速率可达10MbPs (传送15m)，传输信号的摆幅小于200mv。3)传送距离远，采用双绞线，在不用调制解调器的情况下，当传递速率为100KbPs，可传送的距离为1.2km，若传输速率下降，则传送距离可以更远。4)能实现多点对多点的通信，RS-485允许平衡电缆上连接32个发送器/接收器对。(4)2OmA电流环路串行接口该串行接口由发送正、发送负、接收正、接收负四根线组成一个输入电流回路。当发送数据时，根据数据的逻辑1、0，使回路有规律的形成通断状态。该通讯接口的最大优点是低阻传输线对电气噪声不敏感，而且易于实现光电隔离。(5)I2C总线接口I2C总线是一种串行的数据总线，挂在总线上的各集成电路模块通过一条串行的数据线(SDA)和一条串行的时钟线(SCL)，按一定的通信协议进行寻址和信息传送。I2C总线具有多重主控的能力，这意味着可以有多个具有作为主控器能力的芯片去控制占用总线。挂接在总线上的集成电路模块可根据其不同的工作状态，分为主控发送器、主控接收器、被控(从)发送器、被控(从)接收器。总线上数据传送的最高速率为400kbPs。连接到总线上的器件数量以每根线不超过400pF总线电容为限。在本设计的远程抄表系统中，考虑到系统的通信距离、通信速率以及抗干扰能力等要求，确定抄表系统的通信方式采集具有“平衡差动式”传输特性的RS- 485串行接口。PC机与一台采集器构成一主一从的通信结构，PC机作为主机可与采集器通信，采集器作为从机，而且什么时候通信以及做什么事情完全由PC机来控制。主从之间采用半双工方式通信。其结构如图6.4所示：图6.4通信结构图7热量表监测系统软件实现7.1系统软件整体设计7.1.1软件部分功能分析按照系统设计要求，智能热量表监控系统的软件部分主要将实现以下几个功能:（1）实时显示接收到的数据；（2）采用数据库技术完成对各监控参数的存储管理；（3）通过访问数据库，提供对历史数据曲线的查询；（4）通过访问数据库，提供对监控参数历史数据的报表显示和打印。7.1.2软件构成程序根据软件要实现的功能，实行模块化设计。如图7.1所示。其中数据采集模块、数据存储模块、数据查询模块、历史曲线模块分别代表一个子循环。当工作人员进入主系统后，软件将并行执行各个子循环。图7.1系统软件构成这是因为LabVIEW是一种数据流驱动的可实现多线程的编程语言，因此，它支持多循环并行执行，这是LabVIEW的一个优势。7.2各模块介绍本设计一共有四个模块，设计中使用选项卡控件将仪器各测量面板有机地整合在一起，通过选定选项卡上端的选项选择器来切换各测量面板。有效地节省了空间，又方便了操作人员的查看。选项卡控件前后面板如图7.2所示。图7.2 选项卡前后面板7.2.1数据采集模块数据采集模块是将采集器中存储的数据通过串口传输到物业管理中心PC机中，本设计为了更好地进行数据演示，利用LabVIEW中能产生随机数的控件（如图所示）作为三个数据（入水温度，出水温度，累积热量）的数据源，并利用可获取系统当前时间的控件获取时间，利用for循环和while循环嵌套来循环采集数据。程序框图中利用条件结构和一个布尔开关来控制数据采集的开始和停止，数据采集模块也可独立作为一个VI，先数据采集后再进行数据查询，可以更清晰地勘出数据库Access与LabVIEW的连接情况。Access中各个表的采集情况也可直观的看出来。程序流程图如图7.3所示：图7.3数据采集与数据存储模块程序流程图7.2.2数据存储模块为便于工作人员对各类数据变化特征进行综合分析和历史查询，要将循环采集到的数据作定时存储。由于数据量较大，且类别繁杂，故采用Access数据库对数据进行组织和管理。(1)数据库的访问方法LabVIEW本身不具备数据库访问接口，访问数据库要采取以下几种方法解决:1）用NI公司的附加工具包 LabVIEW SQL Toolkit进行数据库访问。但是这种工具包比较昂贵，对于很多LabVIEW用户来讲，这个价格是不可能承受的；2）利用其它语言如Visual C+编写DLL程序访问数据库，再利用LabVIEW所带的DLL接口访问该程序，这样可以实现间接访问数据库。但这样工作量太大；3）利用LabVIEW的ActiveX功能，调用 Microsoft ADO控件，利用SQL语言实现数据访问。利用这种方式进行数据库访问需要用户对 Microsoft ADO控件以及SQL语言有较深的了解，并且需要从底层进行复杂的编