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(1.云南电网公司电力科学研究院，云南 昆明 650217；2. 云南电网公司博士后科研工作站，云南 昆明 650217)

STC微控制器的能量集中分户计量单元研究

曹敏1，王洪亮1,2，陈先富1，毕志周1，张少泉1

(1.云南电网公司电力科学研究院，云南 昆明 650217；2. 云南电网公司博士后科研工作站，云南 昆明 650217)

现行分户热计量收费形式大多采用按面积收费和按热量收费相结合的方法，这种热量收费制度存在其不合理性。目前，国家积极推行的分户热计量收费方式，把每户用热量单独计量并按实际用热量计费。为此，设计研究了一种基于STC 微控制器的能量集中分户计量单元，并根据住户的温差为依据计算得出住户用热量，这样既满足了用户的舒适性需求，又可以节省热费，具有实用性。

STC;能量计量;集中分户

0 引言

我国既有居住建筑开展供暖分户热计量改造和节能改造[1]，现行分户热计量收费形式大多采用按面积收费和按热量收费相结合的方法，按面积收费就是按照住户的住宅面积收取基本热费，而按热量收费就是根据用户热量仪表测得的热量收费。分户热计量实施之后，供暖节能成为人们冬季取暖时的一种自觉行为。用户可以根据自己对室温的需要去调整温控阀，既满足了用户的舒适性需求又节约了能源，而用户又可以节省热费。研究的能量计量装置，是对各用户使用供暖设备时所消耗的能量进行计量，同时显示消耗能量的多少的系统。

1 系统结构设计

系统结构设计如图1所示。

图1 系统结构

2 系统硬件设计

2．1主控制器

主控制器是整个热量表的核心，它根据流量计与配对温度传感器提供的流量和温度信号计算温度与流量，并且计算供暖系统消耗的热量和其他统计参数，显示记录输出[2]。设Δt时间内流过热交换器的流量为Q，这段时间内进出流体的温差为ΔT。根据热力学定理，在Δt时间内系统消耗的能量为：

E=ΔT×Δt

(1)

由积分原理可知用户所消耗的热量公式为：

(2)

E为热交换系统输出热量;K为热焓值修正系数;ΔT为进水和回水温差;Q为瞬时热水流;T为流量积累时间。

设计采用带A/D转化的单片机STC12C5410AD，省去了在外部电路加A/D转换器的麻烦。在热量表系统设计中采用了价格低廉、编程方便和内部集成资源丰富的STC12C5410AD单片机，由于此STC单片机具有内置A/D转换器、EEPROM和高速计数器等优点，所以无须外加A/D转换芯片、EEPROM芯片电路，一片解决控制芯片、A/D转换芯片、EEPROM等，即一片主控芯片就可以完成控制系统的全部任务。同时该芯片较普通单片机抗干扰能力更强，所以能够满足控制系统的稳定要求[3]。

2.2温度采集与测量电路

温度测量电路用来测量进出热交换器水的温度差,如图2所示。图中T1、T2分别为测量进出热交换器水温的半导体温度传感器即AD590。当不同水温的水经过温度传感器时，在AD590上发生电流的变化。温度每变化1℃时，T1、T2变化1 μA。T1、T2分别接上电阻后形成变化的电压U1,U2，然后输入减法器U1A中，形成一个电压差，从U1A的1端输出。其电压差反应了进出热交换器的温度差。由于U1A输出的电压差较小，不能直接进行A/D转换，因此电路中加入运算放大U1D为主的50倍放大器电路进行放大。放大信号从U1D的14脚输出。为了便于校正和调整，在电路中又加了由U1C和一些电阻组成的调整电路,以便消除温度传感器参数的分散性产生的误差。经过调整后电压差由U1C的8脚输出，送到单片机的A/D端口进行转换[4]。

图2 温差测量电路

2.3流量测量电路

RQ6、T3组成了流量测量电路,如图3所示。T3为旋转式流量传感器的接口，在流量传感器下端装有一块叶片，与水接触。在上端装有一个小圆盘，圆盘上固定有一块永久性磁钢。在圆盘的旁边连接有磁敏感元件UGN3120。当水流通过流量传感器时，将推动叶片旋转，叶片旋转带动小圆盘旋转，小圆盘每旋转一圈，磁钢接近磁敏感元件一次，磁敏感元件就发出一个低电平脉冲。当水量小时，叶片旋转慢，单位时间内磁钢发出的脉冲少，当水量大时，叶片旋转快，单位时间内磁钢发出的脉冲多。此外，水的流量还与供热水管的直径有关，经过反复测试校准，磁敏感元件发出2个低脉冲之间流水量为10L。故确定为流量传感器的定标值。脉冲经过T3的2端进入到单片机的外部中端口进行脉冲计数[4]。

图3 流量测量电路

3 系统软件设计

3.1主程序设计

主程序设计流程图如图4所示。

图4 主程序设计流程

3.2流量测量模块

在设计中，单片机的外部中断口INT1，接收外部流量脉冲信号，采用下降沿触发方式，来一个脉冲，脉冲计数存储器里的数加1。流量脉冲数就对应供暖设备中水的流量,到1 min后，单片机读取脉冲数，进行热量值计数。此时，流量计数存储器清零，接着进行下1 min的流量计数。程序框图如图5所示。

图5 流量测量程序框图

4 结束语

能量集中分户计量单元显示的是用户所用热量的累计值，用户根据热量的累计值对所用热量进行付费，基本实现用户按实际使用热量进行付费的目的。此外，还可以通过该电路与PC机进行通信，实现数据上传，通过联网形成远程抄表，避免了传统就地人工抄表的麻烦。因此,研究为其他类型的热量表、水表等设计提供新的思路和参考，具有一定的推广性。

[1] 潘琢金,施国君.C8051Fxxx高速SOC单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[2] 王洪亮,董浩斌,王军民,等.井中过金属套管瞬变电磁脉冲采集单元研究[J].石油地球物理勘探,2013(5):804-808.

[3] 曾刚,贺蓉,徐成,等.DTMF远程通信的软硬件实现技术[J].电子技术应用,2000(05):44-46.

[4] 王洪亮,董浩斌,蒋国盛,等.基于相关自适应器EM-MWD信号检测系统设计[J].仪器仪表学报,2012,33(5):1013-1018.

Study of Energy Centralized Household Energy Metering Unit of STC Microcontroller

CAOMin1,WANGHongliang1,2,CHENXianfu1,BIZhizhou1,ZHANGShaoquan1

(1.Yunnan Power Grid Electric Research Institute ,Kunming 650217，China;2.Postdoctoral Research Workstation of Yunnan Power grid Corporation,Kunming 650217,China)

Existing household heat metering charges mostly used in the form of fees by area and methods charge on heat combining its existence unreasonable this heat charging system. Currently household heat metering mode state actively pursued,the household with the heat measured separately according to the actual use of heat billing.For this reason this paper,a design based on STC microcontroller energy concentrated household metering unit and is calculated based on households with heat,so that both meets the needs of users comfortable temperature difference according to the household, and can save heating costs,it has a strong practical significance.

STC;energy metering;centralized household

2014-04-29

中国博士后科学基金特别资助项目(2014T70891)

TP368

A

1001-2257(2014)11-0006-03

曹敏(1961-)，男，云南昆明人，教授级高级工程师，云南电网公司首席技术专家，研究方向为计量测试技术;王洪亮(1984-)，男，山东枣庄人，博士，博士后,研究方向为物联网及计量测试技术。