陳暢然

（河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

隨著人民生活居住條件的不斷改善，環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，現(xiàn)今城鎮(zhèn)居民及企事業(yè)單位采暖大都采用集中供熱方式，供熱熱源生產(chǎn)規(guī)模逐年擴(kuò)大。供熱熱源為各片用戶供熱的主供熱管道的進(jìn)水口、回水口往往相距幾百米，熱源生產(chǎn)廠家熱切需要在此工況下能安全、可靠、準(zhǔn)確、長期穩(wěn)定工作的熱量計(jì)量表[1]。熱量計(jì)量表同時(shí)還能進(jìn)行其它相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄、儲(chǔ)存及遠(yuǎn)程通訊傳輸。為繳費(fèi)和運(yùn)行管理提供可靠數(shù)據(jù)。

1 計(jì)量原理

根據(jù)傳熱學(xué)知識(shí)可知[2]，1.6 Mpa壓力下，在 0～95 °C 溫度范圍內(nèi)，水的密度

式中，ρ為水的密度，單位 kg/m3；t為溫度，單位°C。

水的焓值為

式中，h為水的焓值，單位kJ/kg。

設(shè)熱源出水口溫度為t1，回水口溫度為t2。熱源出水口焓值h1和回水口焓值h2可以由式（2）求得。熱源出水口與回水口間的焓值差為

熱源輸出的熱量為

式中，Q為熱源輸出的熱量，單位kJ；V為熱源出水口輸出體積，單位 m3。

在熱能計(jì)量表的熱能計(jì)量時(shí)，熱源出水口輸出體積V通常取定值，則V被稱為熱源出水口體積流量。

通過單片機(jī)若能準(zhǔn)確地測(cè)得熱源出水口溫度為t1和回水口溫度為t2，以及熱源出水口體積流量V，就能精確的完成熱能計(jì)量。單片機(jī)同時(shí)還完成各種數(shù)值運(yùn)算、累加、儲(chǔ)存、顯示以及與上位機(jī)通訊等各項(xiàng)工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能熱能計(jì)量表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2.1 單片機(jī)

智能熱能計(jì)量表的核心是MICROCHIP公司出品的PIC16C73單片機(jī)[3]。該芯片為8位單片機(jī)，雙列直插28腳封裝，192字節(jié)的 RAM，4K字節(jié) EPROM，22個(gè) I/O口，3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，2個(gè)捕捉輸入／比較輸出／PWM輸出，2個(gè)串行口可設(shè)定為SPI或I2C總線方式，5通道高速8位A／D轉(zhuǎn)換器。自帶上電復(fù)位、上電定時(shí)器和振蕩器起振定時(shí)器，片內(nèi)RC振蕩器的看門狗定時(shí)器，有程序代碼保護(hù)和省電的睡眠工作方式。由PICl6C7單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)，能有效地減少外部元件，降低功耗、成本，增加系統(tǒng)可靠性。一旦程序跑飛，看門狗會(huì)自動(dòng)使系統(tǒng)復(fù)位，程序從頭重新執(zhí)行。

2.2 數(shù)字測(cè)溫器件

常規(guī)模擬式溫度測(cè)量，需用一系列電路來完成信號(hào)調(diào)理、放大、采樣保持并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，成本較高，需要調(diào)試和校正，占用較多的硬件資源，且測(cè)量距離較短。而所使用的DALLAS公司生產(chǎn)的一總線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，具有3引腳TO-92小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為－55～+125℃，可編程為12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.062 5℃，精度為±0.5℃。被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；與單片機(jī)連接簡(jiǎn)單，提高了傳感器的可靠性。單片機(jī)與DS18B20間的測(cè)量距離與其連接電纜線間電容有關(guān)，通常的連接電纜由于線間電容較大，數(shù)字信號(hào)衰減嚴(yán)重，測(cè)溫距離一般在100 m以內(nèi)。經(jīng)過理論分析和實(shí)踐驗(yàn)證，本裝置采用三類雙絞線作為傳輸線，其數(shù)據(jù)線的絞合結(jié)構(gòu)能大大減小線間電容，有效延長傳輸距離，本裝置溫度傳感器有效測(cè)量距離可達(dá)400 m。

2.3 流量傳感器

熱源出水口體積流量采用自適應(yīng)式磁體—干簧管傳感器，它又稱為“推挽雙穩(wěn)態(tài)”結(jié)構(gòu)傳感器，其狀態(tài)只有兩個(gè)：斷開狀態(tài)和吸合狀態(tài)，而沒有溫和緩沖的自保持過渡狀態(tài)，可以大大減小如水錘現(xiàn)象那樣的外界干擾，避免誤動(dòng)作輸入造成的計(jì)數(shù)誤差，工作更加穩(wěn)定，計(jì)量更精確。

2.4 串行E2PROM

選用ATMEL公司出品的24C02作為存儲(chǔ)器。它為I2C總線串口E2PROM，內(nèi)含2K的8位存儲(chǔ)單元，具有擦除/寫入周期10萬次和數(shù)據(jù)保留100年的高可靠性。用它來存儲(chǔ)累計(jì)流量、累計(jì)熱量、運(yùn)行天數(shù)以及鍵盤設(shè)置參數(shù)等信息，數(shù)據(jù)掉電后不揮發(fā)。對(duì)存儲(chǔ)在芯片中的數(shù)據(jù)，可通過軟件利用加密算法進(jìn)行加密處理，提高安全性，擴(kuò)大器件的應(yīng)用范圍。

2.5 LCD液晶顯示

采用LCM08TJY8位8字加段提示符液晶顯示模塊顯示必要的信息。它內(nèi)置顯示RAM，可顯示任意字段筆劃，I2C總線串口方式傳輸數(shù)據(jù)。低功耗，寬電壓，視角對(duì)比度可調(diào)，顯示清晰，穩(wěn)定可靠，使用編程簡(jiǎn)單。通過按鍵控制可循環(huán)顯示累計(jì)熱量、累計(jì)流量、進(jìn)回水口水溫及溫差、運(yùn)行天數(shù)等信息。自帶2 kHz和4 kHz蜂鳴器驅(qū)動(dòng)，可在系統(tǒng)故障時(shí)發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)。

2.6 PCF8563時(shí)鐘芯片

該芯片是PHILIPS公司推出的一款帶I2C總線，具有極低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片。具有4種報(bào)警功能和定時(shí)功能；內(nèi)部時(shí)鐘電路、內(nèi)部振蕩電路、內(nèi)部低電壓檢測(cè)及兩線式I2C總線通信方式，不但簡(jiǎn)化外圍電路，而且增加了芯片的可靠性。本系統(tǒng)利用天報(bào)警功能以記錄系統(tǒng)運(yùn)行天數(shù)。稍加修改即可記錄運(yùn)行小時(shí)數(shù)、顯示當(dāng)前時(shí)間等，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)功能。

2.7 MAX487通訊芯片時(shí)鐘芯片

MAX485接口芯片是Maxim公司的一種能夠?qū)崿F(xiàn)RS-485通訊的芯片。用于RS-485與RS-422通信的低功耗收發(fā)器，它具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，并具有限擺率驅(qū)動(dòng)器，可以有效減小EMI，降低由不恰當(dāng)?shù)慕K端匹配電纜引起的反射，實(shí)現(xiàn)最高250 kbps的無差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)利用該芯片可以將熱量表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳給管理部門的計(jì)算機(jī)。

2.8 系統(tǒng)電路圖

智能熱能計(jì)量表系統(tǒng)電路圖如圖2所示。其中的按鍵用于激活液晶顯示以及瀏覽更換希望顯示的內(nèi)容。

圖2 系統(tǒng)電路圖Fig.2 Schematic circuit of system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件由主程序、中斷服務(wù)程序及各種子程序組成，其中中斷有體積流量中斷、與上位機(jī)串口通訊中斷、日期中斷和按鍵中斷[4-6]。為便于程序分析使用，系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化模塊程序設(shè)計(jì)方法，各模塊間采用子程序調(diào)用連接。針對(duì)單片機(jī)處理浮點(diǎn)數(shù)能力較弱的缺點(diǎn)，所有數(shù)據(jù)采用24Bit有符號(hào)數(shù)表示形式，其表示范圍絕對(duì)值可達(dá)0.5×10-127到1×10128，精度可達(dá)2-16。體積流量則采用動(dòng)態(tài)設(shè)置，其范圍可從0.1～99.9 m3，極大的擴(kuò)展了熱表的計(jì)量范圍。為了提高系統(tǒng)的可靠性，做到在任何情況下不丟失數(shù)據(jù)，除了硬件預(yù)防措施外，采用看門狗和軟件陷阱捕獲由于電源電壓波動(dòng)、電磁干擾等導(dǎo)致的程序“跑飛”，將程序引向錯(cuò)誤處理程序，以恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為了避免線路故障和元器件失效，系統(tǒng)每次讀取溫度傳感器和EEPROM都進(jìn)行檢測(cè)，一旦有故障則自動(dòng)發(fā)出蜂鳴報(bào)警和出錯(cuò)顯示。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。體積流量中斷服務(wù)程序流程圖如圖4所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)的流程圖Fig.3 Flow chart of the software design

圖4 體積流量中斷服務(wù)程序流程圖Fig.4 Flow chart of volume flow interruption service program

4 結(jié) 論

智能熱能計(jì)量表采用一總線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20[7]檢測(cè)出水、回水溫度，采用自適應(yīng)式磁體—干簧管傳感器檢測(cè)出水口體積流量，再加上PIC16C73內(nèi)帶看門狗功能，以及程序自檢功能，有力的提高了智能熱能計(jì)量表的可靠性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，極具實(shí)用價(jià)值。

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