陈畅然

（河北工业大学 控制科学与工程学院，天津 300130）

随着人民生活居住条件的不断改善，环保意识的增强，现今城镇居民及企事业单位采暖大都采用集中供热方式，供热热源生产规模逐年扩大。供热热源为各片用户供热的主供热管道的进水口、回水口往往相距几百米，热源生产厂家热切需要在此工况下能安全、可靠、准确、长期稳定工作的热量计量表[1]。热量计量表同时还能进行其它相关数据的记录、储存及远程通讯传输。为缴费和运行管理提供可靠数据。

1 计量原理

根据传热学知识可知[2]，1.6 Mpa压力下，在 0～95 °C 温度范围内，水的密度

式中，ρ为水的密度，单位 kg/m3；t为温度，单位°C。

水的焓值为

式中，h为水的焓值，单位kJ/kg。

设热源出水口温度为t1，回水口温度为t2。热源出水口焓值h1和回水口焓值h2可以由式（2）求得。热源出水口与回水口间的焓值差为

热源输出的热量为

式中，Q为热源输出的热量，单位kJ；V为热源出水口输出体积，单位 m3。

在热能计量表的热能计量时，热源出水口输出体积V通常取定值，则V被称为热源出水口体积流量。

通过单片机若能准确地测得热源出水口温度为t1和回水口温度为t2，以及热源出水口体积流量V，就能精确的完成热能计量。单片机同时还完成各种数值运算、累加、储存、显示以及与上位机通讯等各项工作。

2 系统硬件设计

智能热能计量表系统总体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构图Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2.1 单片机

智能热能计量表的核心是MICROCHIP公司出品的PIC16C73单片机[3]。该芯片为8位单片机，双列直插28脚封装，192字节的 RAM，4K字节 EPROM，22个 I/O口，3个定时/计数器，2个捕捉输入／比较输出／PWM输出，2个串行口可设定为SPI或I2C总线方式，5通道高速8位A／D转换器。自带上电复位、上电定时器和振荡器起振定时器，片内RC振荡器的看门狗定时器，有程序代码保护和省电的睡眠工作方式。由PICl6C7单片机构成的系统，能有效地减少外部元件，降低功耗、成本，增加系统可靠性。一旦程序跑飞，看门狗会自动使系统复位，程序从头重新执行。

2.2 数字测温器件

常规模拟式温度测量，需用一系列电路来完成信号调理、放大、采样保持并进行A/D转换，成本较高，需要调试和校正，占用较多的硬件资源，且测量距离较短。而所使用的DALLAS公司生产的一总线式数字温度传感器DS18B20，具有3引脚TO-92小体积封装形式；温度测量范围为－55～+125℃，可编程为12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.062 5℃，精度为±0.5℃。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；与单片机连接简单，提高了传感器的可靠性。单片机与DS18B20间的测量距离与其连接电缆线间电容有关，通常的连接电缆由于线间电容较大，数字信号衰减严重，测温距离一般在100 m以内。经过理论分析和实践验证，本装置采用三类双绞线作为传输线，其数据线的绞合结构能大大减小线间电容，有效延长传输距离，本装置温度传感器有效测量距离可达400 m。

2.3 流量传感器

热源出水口体积流量采用自适应式磁体—干簧管传感器，它又称为“推挽双稳态”结构传感器，其状态只有两个：断开状态和吸合状态，而没有温和缓冲的自保持过渡状态，可以大大减小如水锤现象那样的外界干扰，避免误动作输入造成的计数误差，工作更加稳定，计量更精确。

2.4 串行E2PROM

选用ATMEL公司出品的24C02作为存储器。它为I2C总线串口E2PROM，内含2K的8位存储单元，具有擦除/写入周期10万次和数据保留100年的高可靠性。用它来存储累计流量、累计热量、运行天数以及键盘设置参数等信息，数据掉电后不挥发。对存储在芯片中的数据，可通过软件利用加密算法进行加密处理，提高安全性，扩大器件的应用范围。

2.5 LCD液晶显示

采用LCM08TJY8位8字加段提示符液晶显示模块显示必要的信息。它内置显示RAM，可显示任意字段笔划，I2C总线串口方式传输数据。低功耗，宽电压，视角对比度可调，显示清晰，稳定可靠，使用编程简单。通过按键控制可循环显示累计热量、累计流量、进回水口水温及温差、运行天数等信息。自带2 kHz和4 kHz蜂鸣器驱动，可在系统故障时发出声音报警信号。

2.6 PCF8563时钟芯片

该芯片是PHILIPS公司推出的一款带I2C总线，具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。具有4种报警功能和定时功能；内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测及两线式I2C总线通信方式，不但简化外围电路，而且增加了芯片的可靠性。本系统利用天报警功能以记录系统运行天数。稍加修改即可记录运行小时数、显示当前时间等，进一步增强系统功能。

2.7 MAX487通讯芯片时钟芯片

MAX485接口芯片是Maxim公司的一种能够实现RS-485通讯的芯片。用于RS-485与RS-422通信的低功耗收发器，它具有一个驱动器和一个接收器，并具有限摆率驱动器，可以有效减小EMI，降低由不恰当的终端匹配电缆引起的反射，实现最高250 kbps的无差错数据传输。本设计利用该芯片可以将热量表的实时数据上传给管理部门的计算机。

2.8 系统电路图

智能热能计量表系统电路图如图2所示。其中的按键用于激活液晶显示以及浏览更换希望显示的内容。

图2 系统电路图Fig.2 Schematic circuit of system

3 系统软件设计

软件由主程序、中断服务程序及各种子程序组成，其中中断有体积流量中断、与上位机串口通讯中断、日期中断和按键中断[4-6]。为便于程序分析使用，系统软件采用结构化模块程序设计方法，各模块间采用子程序调用连接。针对单片机处理浮点数能力较弱的缺点，所有数据采用24Bit有符号数表示形式，其表示范围绝对值可达0.5×10-127到1×10128，精度可达2-16。体积流量则采用动态设置，其范围可从0.1～99.9 m3，极大的扩展了热表的计量范围。为了提高系统的可靠性，做到在任何情况下不丢失数据，除了硬件预防措施外，采用看门狗和软件陷阱捕获由于电源电压波动、电磁干扰等导致的程序“跑飞”，将程序引向错误处理程序，以恢复系统的正常运行。为了避免线路故障和元器件失效，系统每次读取温度传感器和EEPROM都进行检测，一旦有故障则自动发出蜂鸣报警和出错显示。系统主程序流程图如图3所示。体积流量中断服务程序流程图如图4所示。

图3 软件设计的流程图Fig.3 Flow chart of the software design

图4 体积流量中断服务程序流程图Fig.4 Flow chart of volume flow interruption service program

4 结 论

智能热能计量表采用一总线式数字温度传感器DS18B20[7]检测出水、回水温度，采用自适应式磁体—干簧管传感器检测出水口体积流量，再加上PIC16C73内带看门狗功能，以及程序自检功能，有力的提高了智能热能计量表的可靠性、准确性和稳定性，极具实用价值。

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