毕业论文-基于at89c51单片机的热量计的设计

（本科毕业设计说明书学校代码10128学号200710107050题目基于AT89C51单片机的热量计的设计学生姓名学院系别专业班级指导教师二一一年六月摘要对于热量计的研究，国外的技术明显的先进与国内技术，当前国内的热量技术主要仍然存在下面的一些问题一种是集中供暖，不仅造成了热量的损失，而且在收费的时候容易产生矛盾，采用按面积收费，造成能源的浪费。为了更好的节约能源，克服传统的供暖计费方式带来的弊端，首先本文对热量的计量原理进行了分析，在考虑到测量流体的粘性、腐蚀性等运行环境的情况下，选择出合理的能量平衡公式应用到热量表中。然后在综合考虑可行性、适用性、先进性、安全性及易维护性等系统设计原则，选择出了基于基本热量计量原理的热量表硬件的硬件基本组成部分传感器、放大电路、A/D转换芯片、单片机、程序存储器、数据存储器、晶振电路、键盘电路及接口芯片、LED显示及电路、复位电路等。最后，在主电路的基础上设计出简洁、明了、实用的软件程序，来实现整个热量计费系统的最终运行，而本文研究的热量计适合中国国情，并且计费简单，按用热量计费，对于节约能源有很大的作用。本文研究的系统的使用和推广对于节约能源、减轻大气污染、提高效率和改革供暖体制必将起到巨大的促进作用。关键词单片机；集中供暖；热量表；温度传感器；流量测量；热量计量ABSTRACTFORHEATOFTHOUSANDSOFRESEARCH,FOREIGNTECHNOLOGYOFADVANCEDTECHNOLOGYANDDOMESTICOBVIOUSLY,THEQUANTITYOFHEATOFTHECURRENTDOMESTICTECHNICALMAINSTILLEXISTSSOMEPROBLEMSBELOWONEKINDISCENTRALHEATING,NOTONLYCAUSELOSSOFHEATINCHARGE,ANDTOBEACONTRADICTION,MADEACCORDINGTOTHEAREA,CAUSINGTHEWASTEOFENERGYCHARGEINORDERTOSAVEENERGY,OVERCOMETRADITIONALHEATINGBILLINGWAY,FIRSTTHISPAPERTHEMALPRACTICESOFHEATMEASURINGPRINCIPLEISANALYZED,CONSIDERINGTHEFLUIDVISCOUS,MEASURINGCORROSIVEOPERATIONENVIRONMENTSITUATION,CHOOSETHEREASONABLEENERGYBALANCEFORMULAAPPLIEDTOHEATMETERTHENINCOMPREHENSIVECONSIDERATIONOFTHEFEASIBILITYANDAPPLICABILITY,ADVANCEMENT,SAFETYANDEASYMAINTENANCEETCSYSTEMDESIGNPRINCIPLE,CHOOSETHEHEATMEASUREBASEDONTHEBASICPRINCIPLEOFHEATMETERHARDWAREBASICCOMPONENTSTHESENSORS,AMPLIFYINGCIRCUIT,A/DCONVERSIONCHIPANDSINGLECHIPMICROCOMPUTER,PROGRAMMEMORY,DATASTORAGE,CRYSTALRESONANCECIRCUIT,KEYBOARDCIRCUITANDINTERFACECHIP,LEDDISPLAYANDCIRCUIT,RESETCIRCUIT,ETCFINALLY,THEMAINCIRCUITDESIGNEDONTHEBASISOFACONCISE,CLEARANDUSEFULSOFTWAREPROGRAM,TOREALIZETHEWHOLEHEATBILLINGSYSTEMEVENTUALLYRUNTHISPAPERSTUDIESTHEUSEANDPROMOTESTHESYSTEMTOSAVETHEENERGYREDUCEFORATMOSPHERICPOLLUTION,RAISETHEEFFICIENCYANDREFORMHEATINGSYSTEMWILLPLAYAHUGEROLEINPROMOTINGKEYWORDSSINGLECHIPCENTRALHEATINGHEATMETER；TEMPERATURETRANSMITTER；FLOWMEASUREMENT；HEATMETERINGDEVICE目录第一章绪论111研究背景和意义112国内外研究的状况1121国外热量计量的状况1122国内热量计的发展状况213本文研究的主要内容3第二章热量计量系统的设计421热量计量数学模型42热量表的总体结构5221热量计量系统的基本框架及组成5222温度传感器的选择及测温原理623流量传感器的选择及测量原理6第三章硬件及其电路的设计831传感器及其电路8311温度传感器及其电路8312ADC0809介绍9313流量传感器及其电路1032单片机AT89C51介绍1133键盘和LED显示模块的设计及其接口12331LED数码显示器12332键盘介绍143338155管脚介绍143348155与LED显示器和键盘的连接1534电磁阀及其驱动电路1635数据存储芯片1736其他电路及芯片18第四章程序设计及其测试2041主程序设设计20411编程思想20412主程序设计2042键盘子程序设计2343温度采集子程序设计264416位二进制转换到BCD码得程序模块2745其他子程序29结论30参考文献31致谢32第一章绪论11研究背景和意义当前，建筑节能在世界上蓬勃兴起，成为大家关心的热点。我国的建筑能耗很高，是发达国家三倍多，而城市供暖又是建筑耗能的主要部分。发达国家普遍采用了能调节和控制的供热系统，锅炉和管网热效率很高，城市供热正在迈出改革步伐，迫切需要高薪计量设备进入供热领域，改变我国城市目前采暖技术的落后1多年以来，我国的供热情况一直是采取集中供热，一个小区一个集体单位共同使用一个控制阀，按住宅面积为主要的计费依据，按季度或者年缴费，这样不仅不能增强人们的节能意识，而且不能满足不同居民对供暖的不同需求，也无法衡量供热的质量。虽然，我国在近几年大力进行节能建筑研究，在墙体保温上做出了努力，但是节能效果并不理想，其原因是通过改善墙体结构使室温有所提高，甚至出现过热现象，但是因为没有房间温控与计量手段，用户在感觉到温度过高时通常会开窗降温，使得通过改善墙体结构降低室内热负荷所做的工作没有体现出来，没有达到节能的目的。因此改善围护机构节能只能为建筑节能创造条件，而温控计量才是落实技能的关键。没有温控计量，不能将能耗与用户的经济利益联系起来，不能主观上促进用户节能，实现改善围护结构多带来的技能效果。而本文将通过结合国内外先进的技术和理论，设计一个能满足中国广大用户需求的，并且有效的起到节能减排作用的新的热量计量工具。12国内外研究的状况121国外热量计量的状况国外的热量计量技术始于20世纪70年代。70年代末的能源危机和能源消耗加大了环境污染，使得节约能源和环境保护成为了举世瞩目的大事。国外特别是北欧国家十分重视建筑节能工作，普遍采用热量计量收费制度，并制定了有关政策、法规以及相配套的技术措施，经过40来年的发展，使得国外现代有了成熟的一套热量计量系统。目前，欧美分户计量热量使用的方法基本是以下四种1直接测定用户从供暖系统中获取的热量。即通过热量表对流体的流量（质量流量、体积流量）、入水温度和回水温度进行测量，然后利用热力学公式计算出用户耗热量，根据耗热量来进行收费。基于热量表的热计量系统的构建方式主要有两种一是采用IC卡进行预付费，通过IC卡做媒介，一次性完成计量抄收与收费全过程，简捷方便。一是采用远程自动抄表技术，欧洲有专为热量表设计的总线系统MBUS，而且拥有十年以上和在欧洲国家几百万个点使用的成功经验，技术相当成熟，国际上已为其制定应用标准ISOCD30SC72。这种测量方法的特点是，理论上测量准确，价格适中，但是安装比较复杂，小流量时对于流量传感器的要求比较高。2通过测定用户散热设备的散热量来确定用户的用热量。该方法是利用散热器平均温度与室内温度差值的函数关系来确定散热器的散热量。该方法采用的仪表为热量分配表，它并不能测量出每个散热器的具体散热量是多少，只能测量出散热器散热量与其他散热器散热量的相对多少，因此它要和热量表配合使用。与热量表相比，热分配表计算相对复杂；测量结果的影响因素较多，不宜于批量生产和大范围推广。（3）通过测定用户的热负荷来确定用户的用热量，该方法是测定室内外温度并对供暖季内的室内外温差累积求和，然后乘以房间常数如体积热指标等来确定收费。该方法采用的仪表为测温仪表。但有时将记忆散热器温控阀的设定温度作典型室内温度，某一基准温度作室外温度。该方法的特点是安装容易，价格较低。但由于遵循相同舒适度缴纳相同热费的原则，用户的热费只与设定的或测得的室温有关，与实际用热量无关，因此开窗等浪费能源的现象无法约束，不利于节能。4目前正在研发一种计量装置，即通过计量温控设备的开启时间通断阀及室内温度也可设定，并依据散热器尺寸、类型等修正来确定各户用热量的分配。该方式价格低，易于安装，如果考虑经过散热器的平均水温度影响，其准确度较高，目前正处于试验研究阶段3。122国内热量计的发展状况我国热量表的研究始于上世纪90年代，一方面认真学习借鉴国外成熟的先进技术，一方面针对中国国情做了大量的自主开发的努力。从1990年，热量表专用电路模块被列入国家“七五”科技攻关课题，由有关单位研究仿制开始；到1992年国家技术监督局和国家法制计量组织单位中国秘书处翻译出版OIMLR75国际建议热能表；1994年以后，一些中小型企业自发的开始了开发工作，到2001年，国家参照欧美热量标准EN1434和国际法制计量组织的R75号国际建议，建立起自己的热量表行业标准（CJ1282000），直到今天全国已有许多厂家在开发或批量生产热量表，其中江苏环能工程有限公司、大连天正热能自动化设备有限公司、清华同方股份有限公司等企业先后开发出独具特色的户用热量表，并具备了一定的规模，在实际中得到了应用。目前，我国生产的户用型热量表，从功能上主要分为以下几种普通计量型、智能通讯型和预付费型热量表，其中前两种类型的国外产品很多，对国内的热量表产品的开发研制起到很好的借鉴作用。在热量表发张的过程中，中国走出了一条有引进到创新的道路，使中国的供暖热量计量逐步的跟上了世界的轨道，但是中国的供热系统提出了比欧洲更苛刻的要求一方面是部分地区供暖管道内水被盗用的现象严重，造成了热量的损失和计量的难度。另一方面我国的供暖基础设施存在这水质差、杂志多、管道系统停运时空置，造成结垢、氧化及腐蚀等问题。同时，中国现在正使用的热量计仍然存在这许多的技术问题，长期使用的可靠性仍待时间的证明，由于中国国情的特殊性，中国的热量计市场在未来很长一段时间内会保持这很大的需求量，因此研制低成本、适合中国国情、符合国际和中国标准的热量计是十分必要的。13本文研究的主要内容热量表是一种以单片机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。它比建筑业过去已普遍使用的户用计量表水表、电表、煤气表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入与资金投入4。本文主要是结合国内外实用的热量计量技术，研究出符合中国国情的、成本低、适用范围广的热量计量表。具体的设计如下（1）测量原理的选择。热量表的测量原理主要是热力学工程热量计量的原理、温度传感器的测温原理、流量传感器的测量原理以及整个热量测量的工作原理等几部分组成。通过比较我们将会选择出合适的测量公式，进而选择出合适的传感器、微处理器等硬件。（2）硬件及其电路的选择和设计。通过我们的热力学热量计量公式我们可以选择出满足我们设计要求的传感器、放大电路、A/D转换芯片、单片机、数据存储器、LED显示及其接口芯片、复位电路、晶振电路、电源电路等。在选择电路及其原件的时候我们会充分考虑到我们的设计要求，尽量满足成本低、测量准、可靠性高、安全性好的设计原则。（3）软件的编辑和测试。通过软件的运行控制整个系统中各个元器件的正常运行，并且保证各个元器件的使用安全。（4）在设计中遇到的问题以及解决方法，同时对于热量计的发展进行展望，预测热量计的发展趋势及其建议。第二章热量计量系统的设计21热量计量数学模型按照中华人民共和国城镇建设行业标准热量表CJ1282000，热量计算公式如下211100TTMVQQHDPQHD式中Q释放或吸收的热量（J或）；流经热量表的水的质量流量（K/）；流经热量表的水的体积流量（/）；流经热量表的水的密度（K/）；H在热交换系统的入口和出口温度下，谁的焓差（J/K）；时间（）；在热量计算公式中，21两个公式决定了两种不同的流量测量方法一种是质量流量测量（焓差法）；一种是体积流量测量（热系数法）。质量测量的方法容易受到流体的腐蚀性、粘稠度等水质的影响，不适合中国的供暖条件的应用。在这里我们选用体积测量的方式来实现热量的准确测量，一次上边的公式也可以表示成（22）形式220VFRQKDV式中V载热液体流过的体积（M3）；F热交换回路中载热液体入口处的温度（0C）；R热交换回路中载热液体出口处的温度（0C）；K热系数，它是载热液体在相应温度、温差和压力下的函数（J/M30C或KW/M30C）；通过（22）公式我们可以看出，在这里流量传感器的的选择不仅决定了测量的准确性，而且直接关系到测量数据计算的复杂程度。通过公式我们可以看法出当我们选择的流量传感器为将流量转换成脉冲信号的时候，热量计量公式可以变换为（23）的形式，大大的缩减了计算的工程量。（23）QVTK式中Q释放或吸收的热量（J或）；V热液体流过的体积（M3）；T进水温度与回水温度的差（0C）；K热系数，它是载热液体在相应温度、温差和压力下的函数（J/M30C或KW/M30C）；2热量表的总体结构221热量计量系统的基本框架及组成电磁阀开关及驱动电路流入温度传感器流量传感器流出温度传感器微处理器放大电路和A/D转换供暖管道键盘控制模块LED显示模块复位电路晶振电源电路（控制芯片电源的供电）图21热量表的系统框图热量表的核心结构是一个微处理器，它的作用主要是数据采集、处理、显示和电源、电磁阀开关的控制，这个系统的其它组成部分还包括传感器、信号放大电路、A/D转换电路、LED显示器、键盘及键盘电路、电磁阀及其驱动电路、数据存储模块、时钟控制电路、复位电路等组成。系统框架如图21。222温度传感器的选择及测温原理2221温度传感器的选择温度传感器就是将外界的温度信号转换成电信号的器件，它的种类比较繁多，但是总体而言，我们常用的只有两大类一种是热电偶式温度传感器；一种是热电阻是温度传感器。（1）热电偶式温度传感器是利用两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生热电势的原理进行温度测量的。（2）热电阻温度传感器是利用电阻随温度的变化而变化的特性制作的测温元件。在工业中应用最广是铂和铜，并已制作成标准测温热电阻，很大程度的方便了我们的应用，并且价格比较低、准确度高、性能稳定、应用范围广，因此我们选择典型的热电阻温度传感器PT100本设计系统的温度传感器。222PT100的工作原理PT100是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在200至650的范围，而供暖的温度范围为30摄氏度到60摄氏度，并且PT100在这段温度范围内的线性度较好，符合我们的设计要求。在温度为0650的范围内，铂电阻的阻值与温度的关系如公式（24）（24）201TRATB式中RT温度为T时的温度；R0温度为0时的温度；A、B分度系数，/，/；3981A758021B23流量传感器的选择及测量原理2221流量传感器的选择有21节我们分析得到体积流量测量应用比较广泛，并且误差较小。而常用的流量测量传感器有如下几种1叶轮式流量计。它是通过叶轮的转速测量热水的流量。转速通常是通过磁耦合的方式传递给计数器的，它对水质的要求比较比较高。如果水中含有的杂物过多就会叶轮的正常运转，影响测量的准确性。（2）超声波流量传感器。它是通过波在水中的传输速度在顺水流和逆水流的方向不同而求出热水的流速，进而计算出热水的流量。理论上它的测量精度较高，但在实际应用中由于安装的问题，往往会导致与理论有很大的差距，并且现在使用超声波的价格比较昂贵，不适于大范围的推广。（3）涡街流量计。涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体,游涡的速度与流体的速度成一定比例，从而计算出体积流量。它运行时会产生噪音，而且要求流体具有较高的流速，以产生旋涡。（4）电磁式流量计。它是按法拉第定律测量热水的流量，与超声波样，其内部也没有任何可动部件。但是它的结构原理复杂、价格较高且通常要求交流市电供电，通常不适用于户用计量。为了能够克服以上各种流量计的缺点，本文将采用先进的无磁流量计进行流量测量。它是通过管道中的流体推动叶轮不断地旋转，其转速直接决定于流体的流速。此机械转动信号经一种无磁非接触式传感器将其转化为脉冲信号送至微处理器，同时计算出流体流量的。它克服了运行中的噪声、磁场不稳定的缺点，并且能够长久可靠的使用。2222流量传感器的工作原理RC阻尼振荡无磁式流量测量方法基本原理如下叶轮上方固定一个同轴的转盘，转盘的一半敷有铜或其他有阻尼性的金属。把一个谐振回路中的电感置于叶轮的上方可以检测到转盘的转动，由电感在叶轮上方的位置决定了谐振回路的阻尼系数，电感位于两个不同区域时，将会产生两种不同衰减。使之分别输出0、1信号，则叶轮转过一圈就相当于产生一个波形信号，对该信号进行计数便可以实现对转动的测量。该方法的关键在于两点首先要控制好激励脉冲的周期，过快则可能区分不出衰减度，过慢则可能产生漏计圈数。实际上叶轮的转速总是有一个限制的，一般不会超过20RS，对于单片机系统的工作频率来说，这点完全可以满足计量的要求。其次，要选取合适延时时间以区分阻尼和非阻尼的两种衰减，使无阻尼时，输出1信号，有阻尼时输出0信号这和实际阻尼系数的大小、激励脉冲的幅度、频率都有关，需要经过实验来最终确定。如今国内在这方面已经有很多成熟的模块实现无磁流量测量，利用这些模块可以直接将叶轮的转动信号输出为脉冲信号。本设计选用的无磁流量计配套YX2型电感式无磁模块。第3章硬件及其电路的设计31传感器及其电路311温度传感器及其电路有公式（24）得到，在工作温度为3060的范围内，PT100的阻值变化并不是很大，因此在使用PT100时如何精确测量阻值的微小变化是温度测量的关键。实现PT100的微小电阻的测量的方法有如下两种方法（1）强迫恒定电流通过传感器，通过测量传感器两端的电压，从而确定传感器电阻。所以这种方法对于电流源的要求很高，不易实现。（2）利用惠斯通电桥的原理，把铂电阻传感器作为电桥的一个桥臂。电桥可以消除铂电阻在测温下限时自身电阻的影响，并且输出信号反映的只是电阻值的变化量，这样可以有效的利用AD转换器，提高测量精度。因此在本文我们采用的是电桥的作为信号的转换电路。电路连接如图31。本次设计的电路如图2所示。在电桥电路中PT100在0时的电阻为8K，所以决定了与之对应的R1R2R38K。当温度为0时，RPT1K，电桥输出为0随着温度的升高，输出电压将随着铂电阻阻值变大而增加。由于我们所测量的温度工作范围为3060，PT100的电阻的阻值范围为，所以电桥的输出电压165347为。通过理论计算我们得到，7092MV输出的电压值较小，不容易测量和计算，因此我们需要放大电路进行电压信号的放大。图31电桥电路由于常用的芯片大多是5V的，所以我们选择放大电路时可以考虑到放大后的电压5V,因此我们可以次用图32所示的放大电路，放大倍数为200倍，并且放大后的电压范围为，符合设计的安全、可靠的要求。放大电路如1482V图3所示。312ADC0809介绍有传感器测得到电信号为模式信号，微处理器进行计算时使用的是数字信号，在这里需要我们把模拟信号转换成数字信号，本文选用的就是价格低，技术成熟的ADC0809进行信号的转换。1、ADC0809的主要特性1）8路8位AD转换器，即分辨率8位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100S4）单个5V电源供电5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为4085摄氏度7）低功耗，约15MW。2、内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近。3、外部引脚（如图33）IN0IN78路模拟量输入端。21288位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路图32信号放大电路ALE地址锁存允许信号，输入，高电平有效。STARTAD转换启动信号，输入，高电平有效。EOCAD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。图33ADC0809芯片管脚REF（）、REF（）基准电压。VCC电源，接5V。GND接地。4、工作过程首先输入3位地址，并使ALE1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。313流量传感器及其电路本设计选用的无磁流量计配套YX2型电感式无磁模块。它是一个由模拟和数字逻辑电路构成的信号检测电路，是专门针对目前大部分模块都不具备抗磁能力而设计的。使用该模块不需要再附加任何其它防磁手段就可以抵抗静磁干扰。同时，该模块具有低功耗、低价格、高可靠性、能够适应供热系统的高温和富含铁锈等杂物的恶劣水质的影响。且采用防水防潮的全密封设计、单电感线圈形式、模块与线圈分离、安装调整方便。其技术指标为工作电压27V一6V工作电流5A检测频率60RS输出脉冲3V方波图34流量传感器电路流量传感器的一个脉冲对应一单位体积（实验得003L/，脉冲）的水采用计数器自动计量流量到流量脉冲作为外部信号直接送计数器计数。通过定时器定时，单片机每隔10秒启动一次测温电路，同时读取流量累计值，并进行热量的计算。电路连接如图34所示。32单片机AT89C51介绍在本文中我们使用的是新型单片机中的AT89C51单片机，单片机的各个管脚（如图35）及其功能如下所示VCC40脚接5V电源正端。VSS20脚接5V电源地端。XTAL119脚接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。P0口3932脚P00P07统称为P0口。在不接片外存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展I/O口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。P1口18脚P10P17统称为P1口，可作为准双向I/O口使用。对于52子系列，P10与P11还有第二功能P10可用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2，P11可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。P2口2128脚P20P27统称为P2口，一般可作为准双向I/O口使用；在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节时，P2口用作高8位地址总线。P3口1017脚P30P37统称为P3口。除作为准双向I/O口使用外，除作为准双向I/O口使用外，输出或第二功能。P2口的第二功能如表1P2口的第二功能。表1P2口第二功能图35单片机芯片管脚33键盘和LED显示模块的设计及其接口331LED数码显示器1、LED数码显示器的结构LED数码显示器是有一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点，故通常称之为7段（也有称作8段）发光二极管数码显示器。其外部结构如图36所示。LED数码显示器有两种连接方法（1）共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起成公共阳极，使用时公共阳极接5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连，当阴极输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮如图6。2）共阴极接法。把发光二极管的阴极连接在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地，每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连，当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时不图36LED显示管点亮如图37。共阳极共阴极图37LED显示器的接口方法2、LED数码显示器的接口方法1）以硬件为主的接口方法这种方法的组成部分是锁存器或者I/O接口、译码驱动器、LED显示器。它的特点是仅用一条指令就可以进行LED显示，但它所使用的硬件电路较多，而硬件译码缺乏灵活性，只能显示十进制和十六进制。所以应用的场合较少。2）以软件为主的接口方法这种方法的用驱动器代替了上边的译码驱动器，大大的缩减了硬件的使用，本文将使用这种方法实现LED的连接。332键盘介绍键盘实际上是有排列成矩阵形式的一系列按键开关组成的，它是单片机系统中最常用的人机联系的一种输入设备。用户通过键盘可以向处理器输入数据、地址和命令。键盘按结构形式可分为编码式键盘和非编码式键盘两大类。编码式键盘是有内部硬件逻辑电路自动产生被按键的编码。这种键盘使用方便，但价格昂贵。非编码式键盘主要由硬件产生被按键的编码，它结构简单、价格便宜，但使用起来不如编码式键盘方便，键盘管理程序的编制比较复杂。因此在考虑到成本低的情况下，我们选择非编码式键盘作为我们设计使用的键盘。3338155管脚介绍8155有40个引脚，采用双列直插封装，其引脚图如图38所示。1地址/数据线AD0AD7（8条）2I/O口总线（22条）PA0PA7、PB0PB7、PC0PC5。3控制总线（8条）ALE地址锁存（输入）IO/MIO口/RAM选择，0选内RAM；1选内IO口/CE片选线/RD、/WR读、写控制TIMERIN定时器输入（输入定时器所需时钟）TIMEROUT定时器输出（输出所产生的方波脉冲）图388155芯片3348155与LED显示器和键盘的连接在这里我们选用的是44的16位的键盘电路，集中包括从0到9的十个数字，除此之外还有小数点、功能键1、功能键2（键盘的分配如表2与图39相对应），其中当功能键一按下时显示的是累计热量值，当功能键2被按下的时候，显示的是累计费用，当功能键3被按下时，可以重新设置热价。表2键盘与图10的对应键0123456789小数点功能键1功能键2功能键3其中8155和LED和键盘连接后的具体的工作原理是8155的A口作为输出口（段控口），用以输出8位显示段码（包括第二个LED显示器的小数点）。B口作为输出口（位控口）。PB4PB7输出位控信号，来控制显示器的公共端。图398155与键盘、显示器的连接电路对于键盘的使用，我们采用了行扫描的方法。这种方法的使用是先确定是否有键按下，然后判断按下的是那个键。首先从PB0到PB3输出全低电平信号，如果没键盘按下，那么PC0PC3就全是高电平，当集中不全是高点平时，表明有键盘按下。再用逐行扫描的方法来确定闭合键的位置。方法是先扫描“0”键盘所在的列，其中PB0PB3一次输出0111，如果PC0到PC3中输入的有低电平出现，表明“0”“4”“”“确认”键中有键被按下，并且被按下键为输入低电平的行与此列的交叉的键盘。否则，继续进行“1”键盘所在列的扫描，PB0PB3输出1011。同上直到确定出被按下的按键的具体位置。例如“确认”键被按下，那么从PC0PC3输入的则是0111，因此该闭合键的键特征值为01110111H（即77H）。当我们收到77H信号的时候，程序可以确认显示所选的结果。本文采用的键值确定如表3所示表3键盘键值表行号乘数乘积加列对应的键值00001231414567282891011341231213141534电磁阀及其驱动电路1、电磁阀目前常用的控制阀门主要有两种电动阀和电磁阀。电动阀采用电机驱动，相同时间内电动阀的耗电量较小，可以与单片机共用电源，但电动阀需要较长的通电时间，才能让电机完成开与闭的工作，成本较高。相反，电磁阀只需要提供一个很短时间的脉冲电平即可完成开闭动作，成本低，但在同样的时间内耗电量大，无法实现零功耗，使其寿命大大降低。这两种基础型的阀门存在很多缺点，所以并不符合我们的要求。双稳态电磁阀，又可称为脉冲型电磁阀，是一种新型电磁阀，它是将电学中双稳态电路的工作原理引用到了对电磁铁的驱动电路里，增强脉冲，用以产生电磁力拖动相应的部件运动。其吸合一般是开、关闭和两种自保持状态均由单独相应部分的结构完成。由于在任何一种保持状态下均不消耗电能，消除了老式电磁阀的很多缺点。2、电磁阀驱动电路电磁阀的驱动电路主要是通过控制单片机输出引脚的信号来对电磁阀进行开关控制。该信号经过晶体管电流放大器放大后驱动电磁感应线圈建立磁场，从而完成电磁阀门的开关动作。其电路如图310所示。310电磁阀驱动电路图11所示电路的工作原理是电磁线圈接于控制电路中的JD1和JD2端，当控制电路端P14通一正向脉冲，而另一端P15保持低电平时，信号经过晶体管放大电路后，正方向驱动电磁感应线圈，使阀体处于打开状态。相反，当P15端通一正向脉冲，而P14端保持低电平，则反方向驱动电磁感应线圈，使阀体处于关闭状态。在图中为保证对电磁感应线圈的电压保持稳定，增加了输出保护电路。其原理主要是利用两只对接的硅稳压管Z1和Z2并联于电磁感应线圈的两端。35数据存储芯片本文选择的数据存储芯片是6264。6264是8K8位静态随机存储器芯片,采用CMOS工艺制造,单一5V供电,额定功耗200MW,典型存取时间200NS,28线双列直插式封装。其引脚功能说明如下A0A12地址输入线O0O7双向三态数据线，有时用D0D7表示/CE片选信号输入端，低电平有效/OE读选通信号输入线，低电平有效/WE写选通信号输入线，低电平有效VCC工作电源输入引脚，5VNC为空引脚在具体用到时需要在AT89C51和6264之间连接一个地址锁存器和分频器，具体的连接如附件所示。图3116264管脚图36其他电路及芯片1、电源电路在本设计中我们用到的是3V、6V、9V的直流电源，而在我们的使用中往往提供的是220V的家用交流电，因此在使用本设计的热量计的时候需要3个电源电路将来提供3V、6V、9V的直流电源。电路图如图312所示。图312电源电路2、复位电路复位是单片机的初始化操作，其主要是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重时钟电路复位电路新启动。图313本文所用的复位电路如图313所示，当开关键被按下的时候，输入到8051芯片高电平，使单片机初始化工作，完成复位功能。3、晶振电路在单片机系统里，晶振是都是必不可少的一部分。她结合单片机内部电路产生单片所需的时钟频率，单片机提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快。单片机的每一条指令的运行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率上。本文所采用的晶振电路如图313所示，能够产生6MHZ的时钟频率，使单片机的运行速度较快的处理传感器的数据和控制各个芯片。第四章程序设计及其测试在单片机组成的测控系统中，软件与硬件设计占有同样重要地位。当系统硬件电路确定后，系统的主要功能要靠软件来实现，在硬件条件相同情况下，软件效率决定整个系统效率。41主程序设设计411编程思想编程思想主要有两种1模块化编程热量表的功能实现需要大量而有效的程序来实现，这么多繁琐的程序需要采用模块编程方法，即将一个大的程序分成若干小模块，各个模块保持相对独立性。各个程序模块可分别设计，使程序的调试、修改和维护都变得较容易。另外程序设计也可由不同的人来同时编写不同模块。2结构化编程各子程序间使用结构良好的转移或调用，各个模块有机的组合成一个整体，使流程明确的从一个程序模块转移到下一个程序模块。在这个过程中，要注意严格控制使用任意转移语句。412主程序设计1、程序流程图的设计在本流程的设计中我们用到较多的程序，本文设计的程序主要包括的模块如下数据主程序、采集程序、数据显示程序、键盘扫描程序、热量计算程序和16位二进制转换BCD码的程序。但是主程序是程序运行的入口，主程序的运行情况直接决定着程序能否运行使用和程序的运行速度。图15描述的主程序的流程图是我们本文设计的关键。开始初始化操作扫描键盘是否有键按下温度采集及A/D装换N键盘扫描程序Y延时子程序流量采集程序热量计算程序LED显示程序结束图41程序主程序框图2、主程序的设计ORG0000HMAINMOVDPTR,8000H；指向命令口MOVA,03H；取8155的命令字MOVXDPTR,A；对接口芯片8155写入命令字MOVSP,60H；栈指针指出MOVA,90H；指向单片机P1口ANLA,08H；P1口与00001000取与HEREJNZHERE；判断P13，为零则向下进行（即插入IC卡）否则停止MOVDPTR,8002H；有闭合键判断子程序MOVA,00H；取全扫描信号MOVXDPTR,A；发全扫描信号INCDPTR；指向8155口CMOVXA,DPTR；读入列值ANLA,0FH；保留低4位ORLA,F0H；高4位取“1”CPLA；取反，无键按下则全0JZKEY1；为0跳到KEY1执行，不为0，调用KEYLCALLKEY；调用键盘处理子程序KEY1ORG0100HMOVR0，40H；设立数据存储区指针MOVR2，02H；2路计数值SETBIT1；边沿触发方式SETBEA；CPU开中断SETBEX1；允许外部中断1中断MOVDPTR,0000H；送入口地址并指向IN0LCALLWD；调用温度数据采集子程序MOVB,40H；将存在40H中的入口温度值放入B中CLRCSUBBB,41H；将40H中存储的入口温度与41H中的出口温度做差MOV42H,B；结果存入42H中ORG000BH；T0中断入口LJMPINT；转至INT处MOVTMOD,01H；T0工作于方式1MOVTH1，00H；设置计数初值MOVTL1，00HSETBEA；CPU开中断SETBET0；允许T0中断SETBTR0；启动T0定时MOV70H,00H；将初值送入70H单元中HALTSJMP；暂停，等待中断INTLCALLLIUL；调用脉冲数据采集子程序MOVA,42HMOVB,70HMULAB；MOV71H,BMOV72H,ALCALLB2BCD；调用16位二进制数转化为四位BCD子程序LCALLDIR；调用显示器子程序SJMPMAIN42键盘子程序设计本设计主要考虑是利用键盘的行扫描的方法来实现对按键的扫描和确定。按照图42的程序框架步骤能较快的识别并且判断出是否有键盘按下，确定被按键的功能。YYN8155初始化有键闭合延时12MS，清除闭合抖动逐行扫描键盘找到闭合键执行其他程序NY形成键值键以释放N延时12秒，消除释放抖动键盘控制图42键盘扫描子程序子程序如下KEYLCALLKS1检查有闭合键否JNZLK1；A非0，有键闭合则转LJMPLK8；无键闭合则返回LK1LCALLDIR；有键闭合，则延时12MSLCALLDIR；消抖LCALLKS1；再次检查有键闭合否JNZLK2；有键闭合则转LJMPLK8；无键闭合则返回LK2MOVR3，00H；行号初值送R3MOVR2，0EH行扫描初值送R2LK3MOVDPTR,8002H指向8155口BMOVA,R2；行扫描值送AMOVXDPTR,A；扫描一行INCDPTR；指向8155口CMOVXA,DPTR；读入列值ANLA,0FH；保留低4位MOVR4，A；暂存列值CJNEA,0FH,LK4；列值非全“1“则转MOVA,R2；行扫描值送AJNBA3，LK8；已扫到最后一行则转RLA；未扫完，则移至下一行MOVR2,A；行值存入R2中INCR3；行号加1SJMPLK3；转至扫描下一行LK4MOVA,R3；行号送入AADDA,R3行号乘2MOVR5,A；暂存ADDA,R5；行号乘4MOVR5,A；存入R5中MOVA,R4；列值送入ALK5RRCA右移一位JNCLK6；该位为0则转INCR5；列号加1SJMPLK5；列号未判完继续LK6PUSHR5；保护键值LK7LCALLDIR；扫描一遍显示器LCALLKS1；发全扫描信号JNZLK7；键未释放则等待LCALLDIR；键已释放LCALLDIR；延时12MS，消抖POPA；键值存入A中KNDRET；返主LK8MOVA,FFH；无闭合键标志FFH存入A中RET；返主43温度采集子程序设计1、温度采集流程图设计本文的温度采集流程的实现功能主要是以顺序执行的方式，实现两个口入水温度和出水温度的测量和计算。具体的操作如图43所示。YN开通IN0通道启动A/D转换测得入水温度开通IN1通道启动A/D转换测得出水温度转换是否完成算出温差图43温度采集子程序流程图2、温度采集子程序ORG0013HWENDLOOPMOVXDPTR,A；启动A/D转换HERESJMPHERE等待中断MOVXA,DPTR；采样数据MOVXR0,A；存数INCDPTR指向下一个模拟通道一共用了两个通道INCR0指向数据存储区下一个单元DJNZR2，INT12路未转换完，则继续CLREA；已经转换完，则关中断CLREX1；禁止外部中断1中断RETIINT1MOVXDPTR,ARETI4416位二进制转换到BCD码得程序模块1、程序流程框架本模块的作用是把16位的二进制数转换成BCD码，从而便于LED输出数值。图4416位二进制转换到BCD码2、运行程序B2BCDMOVR3,72H开始将数据整体左移一位且存储将进位与存放十位、个位的寄存器R4进行相加，且十进制调整程序初始化返回将进位与存放千位、百位的寄存器R5进行相加，且十进制调整R60MOVR2,71HCLRAMOVR4,AMOVR5,A；清除寄存器，方便存储数据MOVR6,10H；设循环指针LP0CLRC；左移一位,移入CMOVA,R2RLCAMOVR2,AMOVA,R3RLCAMOVR3,A；整体移动16位二进制数MOVA,R4ADDCA,R4DAAMOVR4,AMOVA,R5ADDCA,R5DAAMOVR5,ADJNZR6,LP0MOV73H,R4；将转换后BCD码的十位、个位存入内部数据缓存区中MOV74H,R5；将转换后BCD码的千位、百位存入内部数据缓存区中MOVA,0FHANLA,73HMOV75H,AMOVA,F0HANLA,73HSWAPAMOV76H,AMOVA,0FHANLA,72HMOV77H,ASWAPAMOV78H,ARET45其他子程序1、延时1MS的子程序DELAYORG1000HMOVR3，02H外循环2次LOOP1MOVR2,0F8H内循环248次NOP；时间补偿LOOP2DJNZR2，LOOP2；延时2USX248496USDJNZR3，LOOP1延时500USX21MSRET2、脉冲采集电路LIULDJNZR0，NEXT中断服务程序MOVA,70H时间已到，将70H单元内容送AMOVB,00000011一个脉冲代表的立即数0078（即003升/脉冲）与脉冲数相乘MULAB计算流量值MOV70H,B把低8位存入70H中NEXTMOVTH1，00H重新设置计数初值MOVTL1，00HRETI；中断返回结论本文力图采用较先进的、低成本的电子器件和电子技术研究出符合我国国情的热量表，符合国家标准，具有较高的性价比，极低的功耗、很高的可靠性，科学的计算用热量，为用暖用户与供热公司之间提供了准确的收费依据；并且可以实现流量阀门的自动开闭，实现对用户的用热的限费或者限量的使用。本文的设计在理论上已经基本满足了我们的设计要求。但是在实际应用到生产中时还会面临许多问题1）电源电路有重复，加大了批量生产的成本。2）精确度相对较低，我们采用的A/D转换，ADC0809是8位的，分辨率虽然满足我们的设计要求，但是在实际应用中精度相对而言较低。3）LED显示是4位的显示，显示的数值较少，实际使用时需要增加。虽然在这里我们设计的热量计还存在一些问题，但是符合我们的设计要求，但与传统的热量计相比有一定的优势，是值的我们继续改进的。参考文献1谷长力基于MCS51单片机的热量计D北京，华北电力大学,20062中华人民共和国建设部民用建筑节能管理规定200023李连友，建筑设备运行节能技术M，北京，中国电力出版社，2008，63654徐忠堂城市供热计量收费势在必行房材与应用2000年02期5何立民编著单片机高级教程北京航空航天大学出版社，20006何立民8位MCU的技术现状与发展空间电子世界，2002年第6期7张毅坤，陈善久，裘雪红单片微型计算机原理及应用M，西安，西安电子科技大学出版社，2009，1642168KATAOKA,YMURAYAMMAPPLICATIONOFGMRLINESENSORTODETECTTHEMAGNETICFLUXDISTRIBUTIONFORNONDESTRUCTIVETESTINGINTERNATIONALJOURNALOFAPPLIEDELECTROMAGNETICANDMECHANICS，2001，15347529TGOETTHNG，ZAWORSKIHEATINGCOSTALLOCATIONINMULTIFAMILYHOMINGSHRAETRANSACTIONS,19847141510FGARTNER，RSTARK,NEWTECHNOLOGYINHEATMETERS，FIRMWAREINTERNATIONAL，1991，201158158411GUINNANDHUMMERTESTINGANDEVALUATIONOFHEATMETERSUSEDFORMEASURINGSOLARSYSTEMPERFORMANCEASHRAETRANSACTIONS，1982，882778112谭磊热量计量计费一体化系统的研究与开发D山东山东大学，2008513刘慧银等编著MOTOROLA微控制器MC68HC08原理及其嵌入式应用清华大学出版社，200114彭仕玉等加密型IC卡SLE4442及其应用云梦学刊第19卷第4期19981015王树铎中国热计量仪表技术的现状和值得关注的若干问题J区域供热，2005