摘要：隨著我國福利制度的改革和熱能計量的規(guī)范化，對熱能的準確計量成為一個比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。文中介紹了熱能表的組成和工作原理，給出了一種基于PIC16C64單片機的熱能表設(shè)計方案，同時對設(shè)計和使用中的一些問題進行了討論并提出了解決辦法。
關(guān)鍵詞：熱能表 單片機 溫度傳感器 PIC16C64
隨著我國福利制度的改革，供暖制度也發(fā)生了相應(yīng)的變化。原來的供暖收費存在著對使用的熱能估算不準確、收費不合理等問題。為此，國家建設(shè)部在一些城市實施供暖制度改革試點，并對熱能實行計量收費，這就要求對使用的熱能進行準確的計量。本文給出了一種基于PIC16C64單片機的、針對熱水供暖的熱能表設(shè)計方案。
1 熱能表的組成原理
一般熱能表的原理框圖如圖1所示，它主要由積分儀、流量計和溫度傳感器三部分組成。流量計用于計量流過采暖設(shè)備的熱水的體積。兩只溫度傳感器分別用于測量進水溫度和回水溫度。積分儀是熱能表的核心，它能夠根據(jù)流量計提供的熱水體積流量和進水、回水溫度差等數(shù)據(jù)計算出消耗的熱能。其計算公式如下：
Q=CV(t供水-t回水)
其中，Q為消耗的熱能，單位為kWh；C為水的比熱容（C=0.001167kWh/L.℃）；V為流過采暖設(shè)備的熱水體積，單位為升（L）；t供水、t回水為流過采暖設(shè)備進水口和回水口的熱水溫度，單位為℃。
從熱能的消耗計算公式可以看出，只要測得采暖設(shè)備進水和回水的溫差以及流過采暖設(shè)備的熱水體積就可以計算出消耗的熱能，因此，引起計量誤差的因素有：
（1）流量計的精度；
（2）溫度測量的準確度；
（3）兩只溫度傳感器的配對誤差；
（4）積分儀的計算精度。
對于流量計引起的誤差，可以通過選取精度較高的流量計來解決，計算精度可以采用合適的CPU和完善的算法來解決。對于溫度測量，國家有相應(yīng)的標準，溫度測量誤差一般不大于±0.3℃,而兩只溫度傳感器的配對誤差應(yīng)不大于±0.1℃，所以需要重點解決。
另外，由于熱能表通常是安裝在室外且長期使用，所以，熱能表的功耗、抗電磁干擾、可靠性因素都需要加以考慮。
2 硬件電路構(gòu)成及實現(xiàn)原理
2.1 硬件組成
根據(jù)上面的分析，筆者設(shè)計了一種基于PIC16C74單片機的熱能表，其組成框圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要由CPU、流量計、A/D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、LCD顯示器、電路控制、EEPROM存儲器和時鐘電路等部分組成。其中CPU采用Microchip公司的微處理器PIC16C64，它是系統(tǒng)的核心，用于完成所有的控制和計算功能。溫度傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器組成溫度采集電路，可測量采暖設(shè)備進水和回水的溫度。為了保證測量精度，設(shè)計中選用了12位串行A/D轉(zhuǎn)換器ADS7844，理論上，ADS7844的溫度采集精度可達0.03℃。流量計用于測量流過取暖設(shè)備的熱水體積，每流過一定體積的熱水，流量計內(nèi)部的干簧管閉合一次。將這個信號接到CPU的外部中斷輸入端，干簧管每閉合一次就向CPU申請一次中斷，CPU用該信號累計流過采暖設(shè)備的熱水的體積來進行熱能計算。在需要時，還可以通過LCD顯示器來顯示水溫和消耗的熱能以及系統(tǒng)信息等。EEPROM存儲器用于存儲系統(tǒng)信息和消耗的熱能。時鐘電路用于為整個系統(tǒng)提供系統(tǒng)時間。用鍵盤可實現(xiàn)各種操作，如：通過鍵盤可以查看水溫、消耗的熱能和系統(tǒng)信息等。電源控制電路主要是在不需要顯示和溫度測量時切斷相應(yīng)部分電路的電源，以降低系統(tǒng)功耗。系統(tǒng)設(shè)置是在每次加電時設(shè)備系統(tǒng)的年、月、日、小時和分等時間信息。另外，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，它也可向CPU申請中斷，以使CPU將當(dāng)時的時間、熱能值和故障信息寫入EEPROM以備查詢。
2.2 系統(tǒng)工作過程
該系統(tǒng)的工作流程圖如圖3所示。每次加電時，一般先設(shè)備系統(tǒng)信息，然后CPU進入休眠狀態(tài)，并等待處理各種中斷。在CPU進入休眠狀態(tài)前，需關(guān)閉溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和顯示器的電源以減小系統(tǒng)功耗。處理完中斷后，CPU再次進入休眠狀態(tài)以等待下一次中斷。水表中斷表示已經(jīng)有一定體積的熱水流水采暖設(shè)備，需要計算一次熱耗。鍵盤中斷表示應(yīng)處理各種顯示，而故障中斷則表示系統(tǒng)某個部分出現(xiàn)故障，此時CPU應(yīng)將故障類型和此時的有關(guān)信息寫入EEPROM。
3 注意事項
3.1 溫度測量誤差和傳感器配對誤差
從熱耗計算公式可以看出，溫度測量誤差和傳感器配對誤差均會引起測量誤差。鑒于這種情況，設(shè)計時一方面必須選用性能良好的溫度傳感器；另一方面應(yīng)使溫度傳感器的特性呈線性關(guān)系且兩只傳感器的溫度特性曲線應(yīng)當(dāng)一致。但是，常常溫度傳感器特性在0℃～100℃并非線性，每只傳感器的特生曲線又不盡相同。因此，除了采用性能比較好的鉑電阻作為溫度傳感器外，還必須對每只熱能表通過硬件或軟件校正。由于硬件校正會增加成本，因而多采用軟件校正。具體做法是將整個測溫范圍根據(jù)允許的測量誤差分為若干段，校正時測出各校正點的誤差并存儲到EEPROM。而實際工作時，先測出水溫，然后采用查表的辦法從誤差中查出修正值來對所測的溫度進行修正。如果測出的水溫不是正好在校正點上，則可采用插值估算的辦法予以修正。這樣處理不僅可以解決溫度測量誤差，同時也可以解決傳感器的配對誤差。
3.2 功耗和抗電磁干擾
由于熱能表長期處于無人看守狀態(tài)，且只能使用電池供電，因此，設(shè)計時，要求系統(tǒng)功耗應(yīng)非常低，且抗電磁干擾的性能要好。
正是為了降低系統(tǒng)功耗，設(shè)計時除顯示器外，所有的器件都采用3.3V的低功耗器件。比如，作控制核心，PIC16C64具有功耗低、運行速度快等特點，其工作電流只有1mA(3.3V@32kHz時)，進入休眠狀態(tài)后只有幾微安且可以用中斷將其從休眠狀態(tài)喚醒。溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和顯示器是系統(tǒng)的主要耗能器件，因此在不使用時應(yīng)將它們的電源切斷，以進一步降低功耗。另外，由于PIC16C64的數(shù)據(jù)總線和地址總線都埋在芯片內(nèi)部，因此，具有良好的抗電磁干擾性能。
4 結(jié)束語
本文設(shè)計的熱能表具有結(jié)構(gòu)簡單，計量準確的特點，可用于住宅小區(qū)或單元住戶的采暖計量。檢測結(jié)果表明：溫度測量誤差不大于±+0.15℃，傳感器配對誤差不大于±0.09℃。
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