課程設計（論文）住宅暖氣熱量計量系統(tǒng)設計

1、住宅暖氣熱量計量系統(tǒng)設計學院： 班級：測控技術與儀器 班學號： 姓名： 摘要我國傳統(tǒng)的暖氣收費標準是根據(jù)公寓與面積進行收費，這種方式存在許多不合理因素。為解決這一問題，利用熱量計對公寓暖氣熱量進行計量進行收費，這一系統(tǒng)主要由51單片機、流量傳感器、溫度傳感器組成。該系統(tǒng)組成簡單，實現(xiàn)了對暖氣熱量的測量，同時利用數(shù)碼管進行顯示。熱量計是實施城市供熱體制改革，推行按熱量收費的關鍵設備，對熱量的消耗全部智能計算，以用戶實際耗用的熱量為計量收費依據(jù)。熱量計作為熱力公司向每一位住戶收費的依據(jù)和手段，不僅已廣泛被用戶所接受，而且由于用熱量與費用直接相關，也加強了住戶的節(jié)能意識。用熱量計進行熱計量更為科學、

2、合理，既方便用戶，又便于管理。關鍵詞：熱量計 單片機 溫度傳感器 流量傳感器第一章 系統(tǒng)原理1.1熱量計算原理熱量計的主要任務是通過計量流過熱量計的熱水體積、流進溫度、回水溫度，來計量該公寓消耗的熱量。在時間內(nèi)，熱載體帶入系統(tǒng)的的熱量是比焓和質(zhì)量流量的函數(shù)： （1-1）其中，是溫度為時的比焓值： (1-2)其中，是一定壓力下的比熱容系數(shù)，它是溫度的函數(shù)。在時間內(nèi)，熱載體釋放啊能量為： (1-3)系統(tǒng)的耗熱量是由輸入、輸出能量差軍定的，即： （1-4）式（2-4）就是由理論推導出的熱量計精確計熱原理的數(shù)學模型。在實際應用中，無法象理論那樣進行精確計算，只能用乘積代替積分、用溫度代替焓變來近似計算

3、熱載體帶走的熱量總數(shù)。通過的熱載體體積可以由流量計測得。流量計的脈沖數(shù)量與流經(jīng)熱水體積成正比，即： （1-5）其中為脈沖個數(shù)， 為流量計的系數(shù)。因此可以通過下面的公式計算： （1-6）如果把和視為恒量，那么可以寫成如下形式： （1-7）由此可知，要計算公寓熱量，必須測量進入和流出的水的溫度差。但還必須知道此過程有多少水放熱，因此必須測得此時可得熱水的瞬時流量，然后把他和溫度差相乘，就可得到這一時刻熱水釋放的熱量。再用自動累加的方式隨時把用戶消耗的熱量加在一起，就可計量出消耗的熱量總數(shù)。當熱水以一定溫度從進水管流入一個熱交換器（散熱片、換熱器等），公寓在通過熱交換獲取熱量的同時，熱水便以較低的溫

4、度從回水管流出。一段時間內(nèi)公寓所消耗的熱量為所供熱水的流量和回水的溫度差的乘積對時間的積分，熱量計就是留用這個原理工作的。其計算公式簡化為： （1-8）式中：為吸收的熱量，為熱焓系數(shù)，為進回水溫差，為熱水體積瞬時流量。實際測量時，當測量的時間間隔很小時，水溫變化很小，可以近似認為恒定，從而積分式轉為求累加和1.2熱量計硬件原理框圖渦街流量計進水溫度傳感器出水溫度傳感器差動放大ad轉換器mcs-51數(shù)碼管顯示圖1-1 熱量計原理框圖熱量計硬件原理框圖如圖1-1所示，熱量計主要有流量傳感器、配對溫度傳感器、單片機、顯示部分組成。根據(jù)一定時間內(nèi)所通過的水的流量和進回水的溫度差，以及溫度所決定的熱交換

5、算系數(shù)，得到消耗的熱量值。第二章 硬件電路設計2.1溫度測量硬件設計溫度測量電路由溫度傳感器（wzp-01rl）、差動放大器（ad620）和adc轉換器（ad1674）組成。2.1.1溫度傳感器wzp-01rl是pt100熱電阻，測量范圍在-50150。wzp-01rl 溫度傳感器是為供熱暖氣熱量積算儀配制的專用溫度傳感器。特別適用于室內(nèi)測量暖氣進水，回水的溫度。 表2-1 pt100阻值溫度對照表溫度0102030405060708090100阻值100103.917.79111.7115.5119.4123.2127.1130.9134.7139.5pt100電阻與溫度的關系可見表1-1，

6、由此可看出pt100有很好的線性度，并得出圖2-1圖2-1 pt100熱電阻分度圖利用excel函數(shù)擬合功能可得出線性函數(shù)： （2-1）其中為pt100的電阻值，為即時溫度。wzp-01rl接到電橋上，分別安裝在管路系統(tǒng)的入口和出口，采集系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的溫度并送出溫度信號，測溫電橋如圖2-2。當溫度發(fā)生變化時，wzp-01rl的阻值改變，從而使電橋的輸出電壓發(fā)生變化，值經(jīng)放大器放大adc轉換所得值代表了溫差的大小。圖2-2 測溫電橋若設，容易得出 （2-2）通過式（2-1）容易得出 （2-3）將式（2-3）代入式（2-2）中很容易得出與間的關系，即： （2-4）與間呈線性關系。2.1.2差動放大電

7、路ad620是低價格、高精密度儀器放大器。它只需一個外接電阻，就能方便地進行各種增益(11000)的調(diào)整。該芯片具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點，在電池供電的便攜式設備、精密的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、ecg和醫(yī)療儀器、傳感器接口、工業(yè)過程控制、多路轉換應用系統(tǒng)、稱重和微控制器應用系統(tǒng)中的前置放大器等領域中獲得廣泛應用。差動放大電路如圖2-3。圖2-3 差動放大電路2.1.3adc轉換電路選用ad公司生產(chǎn)的逐次逼近式模數(shù)轉換芯片adl674，adl674是美國ad公司推出的一種完整的12位并行模/數(shù)轉換單片集成電路。該芯片內(nèi)部自帶采樣保持器(sha)、lo伏基準電壓源、時鐘源以及可

8、和微處理器總線直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器。與原有同系列ad574a/674a相比，adl674的內(nèi)部結構更加緊湊，集成度更高，工作性能(尤其是高低溫穩(wěn)定性)也更好，而且可以使設計板面積大大減小，因而可降低成本并提高系統(tǒng)的可靠性。圖2-4、圖2-5分別是adl674在全控工作模式下的轉換啟動時序和讀操作時序。轉換啟動時，在ce和cs有效之前，r/c必須為低，如果r/c為高，則立即進行讀操作，這樣會造成系統(tǒng)總線的沖突。一旦轉換開始，sts立即為高，系統(tǒng)將不再執(zhí)行轉換開始命令，直到這次轉換周期結束。而數(shù)據(jù)輸出緩沖器將比,sts提前0.6us變低，且在整個轉換期間內(nèi)不導通。圖2-4 轉換器時序圖2

9、-5 讀操作時序在系統(tǒng)中，采用ad1674的8為模式，參考電壓為10v，ad1674控制命令字如表2-2，adc轉換電路見圖2-6。 表2-2 ad1674控制命令字 cecsr/c12/8a0執(zhí)行操作0無操作1誤操作1000啟動12位轉換1001啟動8為轉換1011允許12位并行輸出10100允許高8位并行輸出10101允許低4位并行輸出圖2-6 adc轉換電路見2.1.4溫度測量電路圖2-7是溫度測量電路，采用電橋測溫法，ad620差壓放大器，adl674進行a/d轉換。圖2-7 溫度測量電路2.2流量測量電路2.2.1流量測量原理lugb型渦街流量計是根據(jù)卡門（karman）渦街原理測量

10、氣體、蒸汽或液體的體積流量、標況的體積流量或質(zhì)量流量的體積流量計，并可作為流量變送器應用于自動化控制系統(tǒng)中。該儀表采用先進的差動技術，配合隔離、屏蔽、濾波等措施，克服了同類產(chǎn)品抗震性差、小信號數(shù)據(jù)紊亂等問題，并采用了獨特的傳感器封裝技術和防護措施，保證了產(chǎn)品的可靠性。產(chǎn)品有基本型和復合型兩種型式，基本型測量單一流量信號；復合型可同時實現(xiàn)溫度、壓力、流量的測量。每種型式都有整體、分體結構，以適應不同的安裝環(huán)境。渦街流量計是由旋渦發(fā)生體、檢測探頭及相應的電子線路等組成。當流體流經(jīng)旋渦發(fā)生體時，它的兩側就形成了交替變化的兩排旋渦，這種旋渦被稱為卡門渦街?？ㄩT渦街的頻率與流體的流速成正比。 式中: f

11、 渦街發(fā)生頻率 (hz)v 旋渦發(fā)生體兩側的平均流速(m/s)st 斯特羅哈爾系數(shù)（常數(shù)）圖2-8 渦街流量計工作原理示意圖這些交替變化的旋渦就形成了一系列交替變化的負壓力，該壓力作用在檢測探頭上，便產(chǎn)生一系列交變電信號，經(jīng)過前置放大器轉換、整形、放大處理后，輸出與旋渦同步成正比的脈沖頻率信號（或標準信號）。2.2.2流量計電路脈沖輸出型渦街流量傳感器（lugb-n系列）儀表接線如圖2-9圖2-9 lugb-n系接線圖渦街流量傳感器出廠前已進行了調(diào)整與標定，但由于所測介質(zhì)與指定介質(zhì)的不同，現(xiàn)場有較強振動等情況，需要對檢測放大器進行調(diào)整。所有調(diào)試操作均通過撥碼開關方式完成。2.3顯示部分電路顯示

12、部分選用ch451芯片，這款芯片為串行傳輸，節(jié)省了i/o口，具體電路如圖2-10。圖2-10 顯示部分電路第三章 熱量計軟件設計3.1主程序設計利用定時/計數(shù)器t1對流量計的脈沖進行測量，由p1.0控制閘門，在測流量的同時對溫度差進行反復測量，最后取平均值，在得到流量結果后，計算熱量，并進行累加。程序流程圖如圖3-1。開始初始化流量結束？n溫差測量y計算熱量顯示圖3-1 主程序流程圖主程序清單如下void main()uint cnum,t; float aver_dt,q; init_ch451(); init_ad(); init_t(); while(1) cnum=0; p10=1;

13、tr1=1; while(flag_t) cnum+; dtcnum-1=ad(); aver_dt=u_t(cnum)/cnum; t=get_tmp(); q=f*tab_kt+1*aver_dt/kf; q=q+q; f_qdata(); ch451_display(); flag_t=1;3.2溫度測量子程序因為溫度差的存在，兩個pt100的阻值不同，使其產(chǎn)生電壓差，利用差分放大器對電壓差放大，利用ad1674將模擬電壓信號轉換成數(shù)字信號，存入指定存儲空間。程序流程圖如圖3-2。開始ad數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)轉換存儲結束圖3-2 溫度測量子程序3.3流量測量子程序渦街流量計將流量信號轉換成了頻率

14、數(shù)字信號，測得渦街流量計的輸出頻率即可得到流量。硬件電路連接如圖3-3。圖3-3 頻率測量硬件連接圖定時器t0的gate為1，即當int0為1時開始計時，令p1.0與int0相連，即可使用p1.0控制閘門的開閉，流量計的脈沖輸出端與t1相連，對脈沖進行計數(shù)，計數(shù)的個數(shù)即為流量計的輸出頻率。定時中斷程序流程圖如圖3-4。開始讀頻率值賦初值結束圖3-4 定時中斷程序流程圖3.4熱量計算子程序利用上一章的方法對熱量進行計算，讀出流量值及溫度差，利用ds18b20測出當前溫度，根據(jù)溫度查表的方式得出熱焓系數(shù)，程序流程如圖3-5.開始讀取溫度差讀取流量值測量當前溫度查熱焓表結束圖3-5 熱量計算子程序流

15、程圖第四章 結論近年來，按熱量收費己經(jīng)越來越被重視，而熱量計是熱量計量的基礎，用熱量計進行熱計量更為科學、更為合理。熱量計作為熱力公司向每一位住戶收費的依據(jù)和手段，不僅已廣泛被用戶所接受，而且由于用熱量與費用直接相關，也加強了用戶的節(jié)能意識。本熱量計是內(nèi)嵌微處理器的智能化測量儀表，與傳統(tǒng)的機械式儀表相比具有結構簡單、安全可靠、實時性好、靈敏度高；功耗低，整個系統(tǒng)的動態(tài)功耗只有50ua左右，靜態(tài)功耗僅lua左右，很好的保證了使用電池供電j年以上；操作簡便，用戶通過一個按鍵就可以查詢所有數(shù)據(jù)和信息，并在led上顯示出來，結果直觀。和傳統(tǒng)儀表相比成本大大降低，而且抗干擾附錄1 程序清單#includ

16、e #include #defineucharunsigned char#defineuintunsigned int#defineulongunsigned long#define kf 10.56 /渦街流量計儀表系數(shù)sbit p10=p10;sbit dq=p22;sbit ch451_dclk=p14;sbit ch451_dout=p15;sbit ch451_load=p16;sbit ch451_din=p17;sbit cs=p27;sbit a0=p26;sbit rc=p25;sbit ce=p24;sbit sts=p23;uchar flag_t;uint f;uint

17、 temp;uchar data=0;float q=0;uchar qdata8;float xdata dt350;uint code tab_k100=0;/熱焓表const uchar dsycode10=0xbe,0x24,0xea,0xe6,0x74,0xd6,0xde,0xa4,0xfe,0xf6;/數(shù)碼管const uint digcode8=0x0a00,0x0900,0x0b00,0x0800,0x0c00,0x0d00,0x0e00,0x0f00;/數(shù)碼管位void init_t()tmod=0x59; th0=0xfc; tl0=0x18; tr0=1; ea=1; f

18、lag_t=1;/*ch451*/void ch451_writecommand(uint command) uchar i; ch451_load=0; for(i=0;i=1; ch451_dclk=1; ch451_load=1;/顯示一位數(shù)，低位向高位移動，左移void ch451_display() uchar k; for(k=7;k=0;k-) data=qdatak; if(k=1) ch451_writecommand(digcodek|dsycodedata|0x01);else ch451_writecommand(digcodek|dsycodedata); void

19、init_ch451() ch451_din=0; ch451_din=1; ch451_load=1; ch451_dclk=1; ch451_dout=1; ch451_writecommand(0x0403);/*精確延時函數(shù)*/void delay(unsigned char i) while(-i); /*ad1674*/void init_ad()ce=0; cs=1; rc=1; a0=1; sts=1; p2=0xff;float ad()float d; cs=0; rc=0; a0=1; ce=1; while(sts); rc=1; a0=0; d=p2; init_ad

20、(); return d; /*ds18b20*/void init_ds18b20(void) /ds18b20初始化sdq = 1; delay(1); dq = 0; delay(250); dq = 1; delay(100); /確保能讓ds18b20發(fā)出存在脈沖。uchar read_one_byte() uchar i = 0;uchar dat = 0;for(i=8;i0;i-) dq = 0; _nop_(); dat = 1; dq = 1; delay(1); if(dq) dat |= 0x80; delay(10); return (dat);void write_

21、one_byte(uchar dat)uchar i = 0;for(i=8;i0;i-) dq = 0; _nop_(); dq = dat&0x01; delay(10); dq = 1; dat = 1; delay(1);/獲取溫度uint get_tmp() float tt;uchar a,b;init_ds18b20(); write_one_byte(0xcc); write_one_byte(0x44); init_ds18b20(); write_one_byte(0xcc); write_one_byte(0xbe); a = read_one_byte(); b = read_one