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作者：山东理工大学计算机学院 成淑慧 刘冉冉
指导教师：袁玉英 罗永刚

　　作品简介

　　一、开发背景
　　在我国热量表是一种新的计量器具产品。自改革开放以来，我国供暖供热事业发展迅速，城镇供暖供热体制也得到了极大改善。然而，我国一直以来是采取以政府为主导的供热供暖制度，这势必会造成不必要的浪费，并且供热体制中也存在很多问题。由于技术的不成熟，主要依据西方欧洲国家的标准，参照苏联的模式，初步建立起有计划特色的住宅锅炉供热体系。随着我国经济体制从计划经济向市场经济的渐渐转变，原来的供暖体制已经无法满足当代经济发展的需要。近几年来，热量表生产企业发展迅速;国家建设部等八部委联合签发的《关于城镇供热体制改革试点工作的指导意见》的下达，更是直接鼓舞、推动了热量表企业的发展。随着我国民用建筑供暖体制的改革进程，集中供热用的热量表是属于国家规定“实行强制检定”的仪表产品，研究讨论检定技术方法，正是现阶段最值得关注的问题。

　　二、结构说明
　　热量表，是计算热量的仪表。热量表的工作原理：将一对温度1传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上，流量计安装在流体入口或回流管上(流量计安装的位置不同，最终的测量结果也不同)，流量计发出与流量成正比的脉冲信号，一对温度传感器给出表示温度高低的模拟信号，而积算仪采集来自流量和温度传感器的信号，利用积算公式算出热交换系统获得的热量。
　　热量表的总体结构由以下三个部分组成：流量计、温度传感器、热量积分模块组成。其中流量计用途是采集水流量并发出流量信号的器件;配对温度传感器，分别用于测量热交换系统进水和回水温度;热量积分模块，接收来自流量传感器和温度传感器提供的流量和温度信号，并通过热量计算公式可得到用户在一定时间内从热交换系统获得的热量。　　

　　三、热量表功能
　　热量表的主要功能是，测量出水口温度、测量入水口温度、测量流量、计量热量并分别显示。
　　使用说明：
　　按照如下的接线方式，把入水口传感器连接到入水口位置，出水口传感器连接到出水口位置，水流通过流量传感器。这时屏幕默认显示入水口温度。按键每按一次，屏幕将显示不同的内容，屏幕最左边为屏幕序号，右边为数据。
　　含义如下：
　　• 0 为入水口温度，两位整数
　　• 1 为出水口温度，两位整数
　　• 2 为当前流量 ，两位小数，四位整数
　　• 3 累计热量 ，三位小数，三位整数
　　热量表带有mbus通信接口，可以远程传输表内参数，并且在出厂前用于设置表内参数。

　　设计说明

　　热量表，是计算热量的仪表。热量表的工作原理：将一对温度1传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上，流量计安装在流体入口或回流管上(流量计安装的位置不同，最终的测量结果也不同)，流量计发出与流量成正比的脉冲信号，一对温度传感器给出表示温度高低的模拟信号，而积算仪采集来自流量和温度传感器的信号，利用积算公式算出热交换系统获得的热量。

　　一、温度检测原理
　　热量表的温度传感器采用铂电阻(Pt1000)，利用电桥的方法进行温度测量。铂热电阻用铜套封装好后接到电桥上，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。铂电阻Pt 1000具有电阻小、温度系数大、精度高、重复性及稳定性高的特性。温度发生变化时，电阻阻值变化量大，有利于降低测温电路功耗，此外Pt1000本身的导线电阻很大，这就会减少对整个测量的影响，使测温易于实现。如下图所示， R0,R1,R2 为标准电阻，选用1.5K，VCC为电源值， Pt1000为铂热电阻，当温度发生变化时，Pt1000的阻值改变，从而使电桥的输出电压V-V1或V-V2发生变化，这样根据单片机A/D的转换值算出V1或V2，进而得到Pt1000当前的阻值，由铂电阻的温度分度表就可算出当前的温度。　　

　　影响测温精度的因素
　　⑴ 引线电阻的影响。用于测量的金属热电阻总要有连接导线，由于金属热电阻本身的电阻值较小，所以引线的电阻值及其变化就不能忽略。为此，金属热电阻的引线通常采用三线式或四线式接法。
　　⑵ 自然误差。在用金属热电阻测量电路时，电阻中总要留过一定的电流并消耗一定的电功率，通电后的发热同样会造成电阻值的变化，但这种变化是不希望的。使用中应尽量减小电阻通电产生的热而引起的误差。解决的办法是限制电流，规定其值不超过6mA。
　　⑶ 安装精度的影响。我们知道热电阻要尽量安装在管道的中间，以使热电阻尽量与被测物体充分接触，但是，这就会引起不必要的接触电阻产生。因此，热电阻的安装也会对测温精度产生不可忽略的影响。

　　二、流量检测原理
　　和温度一样，流量也是控制过程中的重要参数。一方面，它是判断生产状况、衡量设备运行效率的重要指标。例如，在许多工业生产中，一方面用测量和控制流量来确定物料的配比与消耗，以实现生产过程自动化和最优控制;另一方面，还需要将介质流量作为生产操作和控制其它参数(如温度、压力、液位等)的重要依据。所以，对流量的测量与控制是实现生产过程自动化的一项重要任务。
　　在生产过程中，常把单位时间内流过工艺管道某截面的流体数量称为瞬时流量，而把某一段时间内流过工艺管道某截面的流体总量称为累积流量。
　　瞬时流量和累积流量可以用体积表示，也可以用质量或重量表示。　　

　　我们采用大连浪花公司生产的流量传感器，该传感器把体积流量以脉冲的方式输出，我们通过检测脉冲的频率得到对应的体积流量，然后根据测量的水温查表得到水密度，从而得到质量流量。由于该传感器在大中小流量的时候有误差，所以还要在大中小流量的时候修正，这些修正系数在表出厂的时候通过测量，写到表中存储。

　　三、热量检测原理
　　热量是热传递过程中系统内能变化的量度，是内能变化的一种形式，用Q表示，这是热量的宏观定义。Q>0表示系统从外界吸收热量，确切的说，系统通过热传递方式从外界获得了能量，内能增加;Q<0表示系统向外界放热，确切的说，系统通过热传递方式向外界输出能量，内能减少。
　　如果封闭系统的状态变化不仅是热传递，还伴随着做功，而这时外界对系统做功为W，系统内能增量为U2-U，，则系统从外界吸热Q= U2-U1-W，或经历初、终两态间无穷小的过程，吸热变为dQ=dU一dW，因此在一般情况下，封闭系统所吸收的热量等于，系统内能的增量与外界对系统所做功之差。由此我们知道，热量的能量变化和机械功会影响到系统的状态，若采用不可压缩的液体作为热载体(如水)，则机械功可忽略。能量的变化量等于比焓变化量。
　　在r时间内，热载体带入系统的能量是比焓和质量流量q的函数:　　

　　这里的k是热焓修正系数，等于比热熔与密度的乘积。在以前的系统设计中，曾作为一个常数使用。实际上，媒质的比热熔和密度是随着温度的变化而变化，因此k值也是变化的。需要指出的是，热焓修正系数k是因进水、回水温度不同而变，即使进、回水温差相同，用户从等量热水中获得的热量也是不同的。k值随着温度变化的规律可以参看热焓修正系数表。
　　根据上面的分析，我们就可以开始设计热量表了，首先要把温度差测出，这就需要两个“温度传感器”:然后再把流量测出来，这就需要一个“流量传感器”:最后还要把一些相关数据进行计算显示，这就需要一个“计算仪(MCU和LCD)”，这样一个热量表就制成了。
　　热量表安装在供热系统的供水管上，并将温度传感器分别装在供、回水管路上。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)，用户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。一段时间内用户所消耗的热量为所供热水的流量和供回水的温度差的乘积对时间的积分，热量表就是利用这个原理工作的，用流量传感器测量实时的流量并用温度传感器测量实时的供回水温度，将这些数据送入单片机计算就能得出用户所用的热量。其计算公式简化为:
 

　　式中:Q为吸收的热量，k为热烩修正系数， T为进回水温差，V为热水体积瞬时流量。

　　四、显示和按键电路
　　系统采用LED显示，热量表大部分由电池供电，因此大部分采用了功耗更低的液晶显示，但是由于开发板提供了LED显示，我们没有液晶模块，所以选择了开发板的数码管显示，原理图如下：　　

　　LED 的段选和位选由两片74HC59完成，单片机P41,P42串行输入到74 HC 59中，并行输出驱动LED，单片机采用动态刷新显示，完成对入口水温出口水温的显示，并显示当前流量和累计热量。为了显示这些信息，我们采用分屏显示，在8位数码管的最左边显示屏序号，右边显示数据。
　　0 为入水口温度，两位整数
　　1 为出水口温度，两位整数
　　2 为当前流量 ，两位小数，四位整数
　　3 累计热量 ，三位小数，三位整数
　　上电之后，默认显示序号为0的信息，即入水口温度，没按键一次，显示下一屏
　　按键电路如下：　　

 　　正常单片机key引脚为高电平，当按键按下时，变为低电平。

　　五、通信电路
　　通信电路我们采用mbus模块实现数据的远程抄收。通讯协议遵循188建设部188协议。　　

　　Mbus主站和从站通信时，发送的是电压信号，当从站回传信息时是10-20mA的电流信号，因此从站需要接受电压信号，并且回传电流信号。由于mbus信号无正负极，所以总线信号先经过整流桥取出正负极，然后送入比较器，比较器有一端通过二极管给电容充电，另外一端直接分压，由于对电容的充放电需要时间，而另外一端由于是简单的分压，所以通过比较器，很容易的可以取出主站发来的电压信号，经过光电隔离送到单片机。
　　当需要发送信息时，单片机把信号发送到光隔，然后驱动比较器输出高电平从而让三极管导通，输出10-20ma信号。

　　作品特色

　　特色：
　　本设计使用STC12F1562实现了智能热量表设计，完成了对出水口温度、入水口温度的检测，瞬时流量的检测，累积热量的检测以及各个参数的显示，并通过mbus接口实现参数远传功能。
　　该设计充分的利用的单片机的资源，对温度采用了查表法和曲线拟合，实现了对温度的准确检测。
　　1、使用pt1000测量出水，入水的温度，将pt1000和标准电阻搭成桥电路，克服了因为电压变化带来的误差，提高了精度，测量电阻值之后，通过查分度表得到准确的温度值。
　　2、流量使用大连浪花公司的传感器，将体积流量以脉冲的方式输出。我们根据脉冲的宽度计算出当前的瞬时体积流量。然后根据水温查表计算出瞬时的质量流量，查表采用二分法查表，和曲线修正相结合，实现对流量的准确测量。在大中小流量修正时的修正系数，通过mbus总线在表出厂时设置到表内。
　　3、热量表最主要的功能是测量热量，因此热量的计算尤其重要，我们根据前面测量的出水口和入水口的温差以及瞬时的质量流量，根据公式得出单位时间的热量，然后累加，得出累积流量。
　　4、为了便于远程查看表内信息，我们制作了mbus模块，实现将表内的信息远传。

　　缺点：
　　热量表都采用电池供电，低功耗是要考虑的问题。如果作为产品的，该设计有些地方需要改进。
　　1、单片机有低功耗模式，但是由于使用led显示，所以没有采用，应该改为lcd显示，并用低功耗模式。
　　2、对于温度采样给电阻桥供电的电压应该加一个三极管作为开关，当时需要采样的时候，让三极管导通开始采样，采样结束之后，关闭三极管以便节电。
　　3、正常单片机工作在休眠模式，当有流量脉冲之后触发退出低功耗模式。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2649