住宅暖气热量计量系统设计

住宅暖气热量计量系统设计摘要我国传统的暖气收费标准是根据公寓与面积进行收费，这种方式存在许多不合理因素。为解决这一问题，利用热量计对公寓暖气热量进行计量进行收费，这一系统主要由51单片机、流量传感器、温度传感器组成。该系统组成简单，实现了对暖气热量的测量，同时利用数码管进行显示。热量计是实施城市供热体制改革，推行按热量收费的关键设备，对热量的消耗全部智能计算，以用户实际耗用的热量为计量收费依据。热量计作为热力公司向每一位住户收费的依据和手段，不仅已广泛被用户所接受，而且由于用热量与费用直接相关，也加强了住户的节能意识。用热量计进行热计量更为科学、合理，既方便用户，又便于管理。关键词热量计单片机温度传感器流量传感器第一章系统原理11热量计算原理热量计的主要任务是通过计量流过热量计的热水体积、流进温度、回水温度，来计量该公寓消耗的热量。在时间内，热载体带入系统的的热量是比焓和质量流量JEIN/的函数SKQ/（10DTHQEFTMIN1）其中，是温度为时的比焓值KGJH/CTF12FFTP0其中，是一定压力下的比热容系数，它是温度的函数。KJCP/在时间内，热载体释放啊能量为130DTHQEFTMOUT系统的耗热量是由输入、输出能量差军定的，即JQ（10TQRFTM4）式（24）就是由理论推导出的热量计精确计热原理的数学模型。在实际应用中，无法象理论那样进行精确计算，只能用乘积代替积分、用温度代替焓变来近似计算热载体带走的热量总数。通过的热载体体积可以由流量计测得。流量计的脉冲数量与流经热水体积成正比，即V（1FNKV5）其中为脉冲个数，为流量计的系数。因此可以通过下面的公式计算NFKQ（1RFTFHHNK6）如果把和视为恒量，那么可以写成如下形式PCQ（1RFFTKN7）由此可知，要计算公寓热量，必须测量进入和流出的水的温度差。但还必须知道此过程有多少水放热，因此必须测得此时可得热水的瞬时流量，然后把他和温度差相乘，就可得到这一时刻热水释放的热量。再用自动累加的方式随时把用户消耗的热量加在一起，就可计量出消耗的热量总数。当热水以一定温度从进水管流入一个热交换器（散热片、换热器等），公寓在通过热交换获取热量的同时，热水便以较低的温度从回水管流出。一段时间内公寓所消耗的热量为所供热水的流量和回水的温度差的乘积对时间的积分，热量计就是留用这个原理工作的。其计算公式简化为（18）TVKQ式中为吸收的热量，为热焓系数，为进回水温差，为热水体积瞬时流量。实QK际测量时，当测量的时间间隔很小时，水温变化很小，可以近似认为恒定，从而积TT分式转为求累加和NNIQQ1112热量计硬件原理框图热量计硬件原理框图如图11所示，热量计主要有流量传感器、配对温度传感器、单片机、显示部分组成。根据一定时间内所通过的水的流量和进回水的温度差，以及温度所决定的热交换算系数，得到消耗的热量值。第二章硬件电路设计21温度测量硬件设计温度测量电路由温度传感器（WZP01RL）、差动放大器（AD620）和ADC转换器（AD1674）组成。涡街流量计进水温度传感器出水温度传感器差动放大AD转换器MCS51数码管显示图11热量计原理框图1234ABCD4321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEA4DATE12JAN2012SHEETOFFILEEPROTELLIBNUANQIDDBDRAWNBYR92KR101KR18PT100R19PT100R115K12VV1V2211温度传感器WZP01RL是PT100热电阻，测量范围在50150。WZP01RL温度传感器是为供热暖气热量积算仪配制的专用温度传感器。特别适用于室内测量暖气进水，回水的温度。表21PT100阻值温度对照表温度0102030405060708090100阻值1001039177911171155119412321271130913471395PT100电阻与温度的关系可见表11，由此可看出PT100有很好的线性度，并得出图21PT热电阻分度图Y03897X99947020406080100120140160020406080100120温度/阻值/系列1线性系列1利用EXCEL函数拟合功能可得出线性函数（29473TR1）其中为PT100的电阻值，为即时温度。RTWZP01RL接到电桥上，分别安装在管路系统的入口和出口，采集系统内介质的温度并送出温度信号，测温电桥如图22。当温度发生变化时，WZP01RL的阻值改变，从而使电桥的输出电压发生变化，值经放大器放大ADC转换所得值代表了温差的大小。2V图21PT100热电阻分度图若设，容易得出21V（220120981RRV2）通过式（21）容易得出（2T373）将式（23）代入式（22）中很容易得出与间的关系，即（2208914）与间呈线性关系。VT212差动放大电路AD620是低价格、高精密度仪器放大器。它只需一个外接电阻，就能方便地进行各种增益11000的调整。该芯片具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点，在电池供电的便携式设备、精密的数据采集系统、ECG和医疗仪器、传感器接口、工业过程控制、多路转换应用系统、称重和微控制器应用系统中的前置放大器等领域中获得广泛应用。差动放大电路如图23。1234ABCD4321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEA4DATE12JAN2012SHEETOFFILEEPROTELLIBNUANQIDDBDRAWNBYVIN2VIN3GR118EC7EC4REF5OUT6U2AD620R1250012V12VC2104V1V2AD213ADC转换电路选用AD公司生产的逐次逼近式模数转换芯片ADL674，ADL674是美国AD公司推出的一种完整的12位并行模/数转换单片集成电路。该芯片内部自带采样保持器SHA、LO伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器。与原有同系列AD574A/674A相比，ADL674的内部结构更加紧凑，集成度更高，工作性能尤其是高低温稳定性也更好，而且可以使设计板面积大大减小，因而可降低成本并提高系统的可靠性。图24、图25分别是ADL674在全控工作模式下的转换启动时序和读操作时序。转换启动时，在CE和CS有效之前，R/C必须为低，如果R/C为高，则立即进行读操作，这样会造成系统总线的冲突。一旦转换开始，STS立即为高，系统将不再执行转换开始命令，直到这次转换周图22测温电桥图23差动放大电路期结束。而数据输出缓冲器将比,STS提前06US变低，且在整个转换期间内不导通。在系统中，采用AD1674的8为模式，参考电压为10V，AD1674控制命令字如表22，ADC转换电路见图26。表22AD1674控制命令字CECSR/C12/8A0执行操作0无操作1误操作1000启动12位转换1001启动8为转换1011允许12位并行输出10100允许高8位并行输出10101允许低4位并行输出图24转换器时序图25读操作时序1234ABCD4321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEA4DATE12JAN2012SHEETOFFILEEPROTELLIBNUANQIDDBDRAWNBYC2104DB016DB117DB218DB319DB420DB521DB622DB723DB824DB925DB1026DB112712/82CS3A04R/C5CE6STS28VAS7REFOUT8REFIN10BIPOFF1210IN1320IN14AGAN9VEE11VLOGIC1DGND5U3AD167412V12V5VR1650R13RES2R15RES2R14RES312V12VCSA0R/CCESTS214温度测量电路图27是温度测量电路，采用电桥测温法，AD620差压放大器，ADL674进行A/D转换。1234ABCD4321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEA4DATE12JAN2012SHEETOFFILEEPROTELLIBNUANQIDDBDRAWNBYVIN2VIN3GR118EC7EC4REF5OUT6U2AD620R12500R92KR101KR18PT100R19PT100R115K12V12V12VC2104DB016DB117DB218DB319DB420DB521DB622DB723DB824DB925DB1026DB112712/82CS3A04R/C5CE6STS28VAS7REFOUT8REFIN10BIPOFF1210IN1320IN14AGAN9VEE11VLOGIC1DGND5U3AD167412V12V5VR1650R13RES2R15RES2R14RES312V12VCSA0R/CCESTS22流量测量电路221流量测量原理LUGB型涡街流量计是根据卡门（KARMAN）涡街原理测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计，并可作为流量变送器应用于自动化控制系统中。该仪表采用先进的差动技术，配合隔离、屏蔽、滤波等措施，克服了同类产品抗震性差、小信号数据紊乱等问题，并采用了独特的传感器封装技术和防护措施，保证了产品的可靠性。产品有基本型和复合型两种型式，基本型测量单一流量信号；复合型可同时实现温度、压力、流量的测量。每种型式都有整体、分体结构，以适应不同的安装环境。涡街流量计是由旋涡发生体、检测探头及相应的电子线路等组成。当流体流经旋涡发生体图26ADC转换电路见图27温度测量电路时，它的两侧就形成了交替变化的两排旋涡，这种旋涡被称为卡门涡街。卡门涡街的频率与流体的流速成正比。DVSTF式中F涡街发生频率HZV旋涡发生体两侧的平均流速M/SST斯特罗哈尔系数（常数）图28涡街流量计工作原理示意图这些交替变化的旋涡就形成了一系列交替变化的负压力，该压力作用在检测探头上，便产生一系列交变电信号，经过前置放大器转换、整形、放大处理后，输出与旋涡同步成正比的脉冲频率信号（或标准信号）。222流量计电路脉冲输出型涡街流量传感器（LUGBN系列）仪表接线如图29涡街流量传感器出厂前已进行了调整与标定，但由于所测介质与指定介质的不同，现场有较强振动等情况，需要对检测放大器进行调整。所有调试操作均通过拨码开关方式完成。23显示部分电路显示部分选用CH451芯片，这款芯片为串行传输，节省了I/O口，具体电路如图210。电源电源信号接地24VDC脉冲输出图29LUGBN系接线图1234ABCD4321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEA4DATE12JAN2012SHEETOFFILEEPROTELLIBNUANQIDBDRAWNBYSEG0SEG1SEG2SEG3SEG4SEG5SEG6SEG7DIG7DIG6DIG5DIG4DIG3DIG2DIG1DIG0R820R720R620R520R420R320R220R120G1F2COM3E4D5DP6C78B9A10S63911AHG1F2COM3E4D5DP6C78B9A10S53911AHG1F2COM3E4D5DP6C78B9A10S83911AHG1F2COM3E4D5DP6C78B9A10S23911AHG1F2COM3E4D5DP6C78B9A10S43911AHG1F2COM3E4D5DP6C78B9A10S13911AHG1F2COM3E4D5DP6C78B9A10S33911AHG1F2COM3E4D5DP6C78B9A10S73911AHGFEDDPCBAGFEDDPCBAGFEDDPCBAGFEDDPCBAGFEDDPCBAGFEDDPCBAGFEDDPCBAGFEDDPCBAECDDPFBGADIG7DIG6DIG5DIG4DIG3DIG2DIG1DIG0SEG0SEG1SEG2SEG3SEG4SEG5SEG6SEG7RSTP15VCP14P17P16DIG77DIG68DIG59DIG410DIG311DIG212DIG113DIG014GND15RST16NC17SEG018SEG119SEG220SEG321SEG422SEG523SEG624SEG71VC2DOUT3LOAD4DIN5DCLK6U1CH451第三章热量计软件设计31主程序设计利用定时/计数器T1对流量计的脉冲进行测量，由P10控制闸门，在测流量的同时对温度差进行反复测量，最后取平均值，在得到流量结果后，计算热量，并进行累加。程序流程图如图31。图210显示部分电路开始初始化流量结束N温差测量Y计算热量显示图31主程序流程图主程序清单如下VOIDMAINUINTCNUM,TFLOATAVER_DT,QINIT_CH451INIT_ADINIT_TWHILE1CNUM0P101TR11WHILEFLAG_TCNUMDTCNUM1ADAVER_DTU_TCNUM/CNUMTGET_TMPQFTAB_KT1AVER_DT/KFQQQF_QDATACH451_DISPLAYFLAG_T132温度测量子程序因为温度差的存在，两个PT100的阻值不同，使其产生电压差，利用差分放大器对电压差放大，利用AD1674将模拟电压信号转换成数字信号，存入指定存储空间。程序流程图如图32。33流量测量子程序涡街流量计将流量信号转换成了频率数字信号，测得涡街流量计的输出频率即可得到流量。开始AD数据采集数据转换存储结束图32温度测量子程序硬件电路连接如图33。1234ABCD4321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEA4DATE12JAN2012SHEETOFFILEEPROTELLIBNUANQIDDBDRAWNBYP101P112P123P134P145P156P167P178RST/VPD9P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P36/WR16P37/RD17XTAL218XTAL119GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40U489C515VCSA0R/CCESTSXTAL1XTAL2RSTRXDTXDR123J2LUGB12VP13P14P15P16P17P11P12123J318B20P11P12P13定时器T0的GATE为1，即当INT0为1时开始计时，令P10与INT0相连，即可使用P10控制闸门的开闭，流量计的脉冲输出端与T1相连，对脉冲进行计数，计数的个数即为流量计的输出频率。定时中断程序流程图如图34。34热量计算子程序利用上一章的方法对热量进行计算，读出流量值及温度差，利用DS18B20测出当前温度，根据温度查表的方式得出热焓系数，程序流程如图35图33频率测量硬件连接图开始读频率值赋初值结束图34定时中断程序流程图开始读取温度差读取流量值测量当前温度查热焓表结束图35热量计算子程序流程图第四章结论近年来，按热量收费己经越来越被重视，而热量计是热量计量的基础，用热量计进行热计量更为科学、更为合理。热量计作为热力公司向每一位住户收费的依据和手段，不仅已广泛被用户所接受，而且由于用热量与费用直接相关，也加强了用户的节能意识。本热量计是内嵌微处理器的智能化测量仪表，与传统的机械式仪表相比具有结构简单、安全可靠、实时性好、灵敏度高；功耗低，整个系统的动态功耗只有50UA左右，静态功耗仅LUA左右，很好的保证了使用电池供电J年以上；操作简便，用户通过一个按键就可以查询所有数据和信息，并在LED上显示出来，结果直观。和传统仪表相比成本大大降低，而且抗干扰附录1程序清单INCLUDEINCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEULONGUNSIGNEDLONGDEFINEKF1056/涡街流量计仪表系数SBITP10P10SBITDQP22SBITCH451_DCLKP14SBITCH451_DOUTP15SBITCH451_LOADP16SBITCH451_DINP17SBITCSP27SBITA0P26SBITRCP25SBITCEP24SBITSTSP23UCHARFLAG_TUINTFUINTTEMPUCHARDATA0FLOATQ0UCHARQDATA8FLOATXDATADT350UINTCODETAB_K1000/热焓表CONSTUCHARDSYCODE100XBE,0X24,0XEA,0XE6,0X74,0XD6,0XDE,0XA4,0XFE,0XF6/数码管CONSTUINTDIGCODE80X0A00,0X0900,0X0B00,0X0800,0X0C00,0X0D00,0X0E00,0X0F00/数码管位VOIDINIT_TTMOD0X59TH00XFCTL00X18TR01EA1FLAG_T1/CH451/VOIDCH451_WRITECOMMANDUINTCOMMANDUCHARICH451_LOAD0FORI0I1CH451_DCLK1CH451_LOAD1/显示一位数，低位向高位移动，左移VOIDCH451_DISPLAYUCHARKFORK7K0KDATAQDATAKIFK1CH451_WRITECOMMANDDIGCODEK|DSYCODEDATA|0X01ELSECH451_WRITECOMMANDDIGCODEK|DSYCODEDATAVOIDINIT_CH451CH451_DIN0CH451_DIN1CH451_LOAD1CH451_DCLK1CH451_DOUT1CH451_WRITECOMMAND0X0403/精确延时函数/VOIDDELAYUNSIGNEDCHARIWHILEI/AD1674/VOIDINIT_ADCE0CS1RC1A01STS1P20XFFFLOATADFLOATDCS0RC0A01CE1WHILESTSRC1A00DP2INIT_ADRETURND/DS18B20/VOIDINIT_DS18B20VOID/DS18B20初始化SDQ1DELAY1DQ0DELAY250DQ1DELAY100/确保能让DS18B20发出存在脉冲。UCHARREAD_ONE_BYTEUCHARI0UCHARDAT0FORI8I0IDQ0_NOP_DAT1DQ1DELAY1IFDQDAT|0X80DELAY10RETURNDATVOIDWRITE_ONE_BYTEUCHARDATUCHARI0FORI8I0IDQ0_NOP_DQDATDELAY10DQ1DAT1DELAY1/获取温度UINTGET_TMPFLOATTTUCHARA,BINIT_DS18B20WRITE_ONE_BYTE0XCCWRITE_ONE_BYTE0X44INIT_DS18B20WRITE_ONE_BYTE0XCCWRITE_ONE_BYTE0XBEAREAD_ONE_BYTEBREAD_ONE_BYTETEMPBTEMP8TEMPTEMP|ATTTEMP00625/因为DS18B20可以精确到00625度/所以读回数据的最低位代表的是00625度TEMPUINTTTRETURNTEMP/换算函数/UTOT/FLOATU_TUINTNUMUINTNFLOATSUM0FORN0NNUMNDTNDTN10/256/11691SUMDTNRETURNSUM/QTOQDATA/VOIDF_QDATAULONGL10UCHARMQQ10FORM0M8MQDATAMUCHARULONGQLLL10TIMERINTERRUPT1TR10P100FTH1FF8FFTH00XFCTL00X18FLAG_T0VOIDMAINUINTCNUM,TFLOATAVER_DT,QINIT_CH451INIT_ADINIT_TWHILE1CNUM0P101TR11WHILEFLAG_TCNUMDTCNUM1ADAVER_DTU_TCNUM/CNUMTGET_TMPQFTAB_KT1AVER_DT/KFQQQF_QDATACH451_DISPLAYFLAG_T1附录2原理图1234ABCD4321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEA4DATE12JAN2012SHEETOFFILEEPROTELLIBNUANQIDDBDRAWNBYVIN2VIN3GR118EC7EC4REF5OUT6U2AD620R12500R92KR101KR18PT100R19PT100R115K12V12V12VC2104DB016DB117DB218DB319DB420DB521DB622DB723DB824DB925DB1026DB112712/82CS3A04R/C5CE6STS28VAS7REFOUT8REFIN10BIPOF1210IN1320IN14AGAN9VEE11VLOGIC1DGND5U3AD167412V12V5VR1650R13RES2R15RES2R14RES312V12V123456789R1747K5VP101P112P123P134P145P156P167P178RST/VPD9P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P36/WR16P37/RD17XTAL218XTAL119GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/PROG30E