【正文】 66 第一章 緒論 研究的目的和意義 隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展， 目前的供暖方式已經(jīng)多樣化 ，但是由于集中熱源提供熱媒，通過管道系統(tǒng)的集中供熱是目前技術(shù)最成熟、維護較為方便而且使用價格也比較便宜，我 國北方的城市 普遍采用 區(qū)域 性的 集中熱水采暖 。 截止到 20xx 年底，全國有 58 個 城市建設(shè)了 集中供熱設(shè)施，總供熱面積達 110766 萬平方米，全國供熱企業(yè)擁有供熱管道43748 千米，其中蒸汽供熱管道 7963 千米，熱水供熱管道 35785 千米。 與此同時集中供暖也不可避免的存在缺點： 用戶不能自己控制供暖的時間和溫度，無法保證舒適度。 供暖期前后無熱源，供暖收費逐年升高。 現(xiàn)在用戶的供暖系統(tǒng)仍按照傳統(tǒng)的用戶 住房面積來計算供暖費用，這和用戶實際使用的熱量是沒有必要聯(lián)系的，所以這種計費方式不僅不能有效的使用戶意識到節(jié)能的必要性，而且降低了供暖公司的效益，成為限制大中型城市集中供暖的發(fā)展瓶頸 [1]。 目前，我國的經(jīng)濟制度日趨完善，我國城市的集中供暖體系制度也取得了很大的發(fā)展，用戶和供暖公司之間的關(guān)系已逐漸改變：用戶按其獲得的熱量進行付費，供暖公司有對用戶的用熱量和用熱質(zhì)量實行定價收費制度的權(quán)力?，F(xiàn)在實行和改進的住房改造政策更使住戶有自由選擇采暖方式的權(quán)利，這對傳統(tǒng)的供暖計費方式無疑是個挑戰(zhàn)，可見住宅供熱收費制度的 改革勢在必行 [2～ 4]。早在二零零二年二月，《民用建筑節(jié)能管理規(guī)定》就由建設(shè)部門制定并發(fā)布，該規(guī)定的第五條明確規(guī)定，對最新建造的住房和建筑中的供暖系統(tǒng)要實行雙向管理，在建筑內(nèi)安裝設(shè)定相關(guān)的儀器，調(diào)節(jié)建筑內(nèi)的溫度和計算建筑內(nèi)的總用熱數(shù)量，并根據(jù)用戶的實際用熱量來進行收費 [5]。雖然政策已經(jīng)制定，但是落實起來卻有一定的難度，所以我國城市集中供熱仍按建筑面積結(jié)算收費，這樣不僅造成了能源浪費，而且在收費上也存在不公平的現(xiàn)象。我國的發(fā)展改革委員會在二零零三年七月通過并實行了關(guān)于改善城鎮(zhèn)的供熱制度的方案 《關(guān)于城鎮(zhèn)供熱 體制改革試點工作的指導(dǎo)意見》，在該意見中明確的作了如下規(guī)定：要發(fā)揚創(chuàng)新精神，在供熱系統(tǒng)中引進高科技技術(shù)，通過先進的技術(shù)手段對現(xiàn)行的供熱系統(tǒng)進行改進，使供熱系統(tǒng)更節(jié)能更環(huán)保，既能包租用戶的需熱要求，又能提高能源的利用效率，保護環(huán)境。對用戶使用的熱量計量裝置和溫度控制儀器進行改進和研發(fā)，盡量適于城鎮(zhèn)住戶的經(jīng)濟要求，進一步在全國范圍內(nèi)普及。 從這方面看來，如果在全國范圍對供熱系統(tǒng)按照熱量使用量的標準進行收費，那么就必然會用到熱量計，所以說供熱的計量儀表在國內(nèi)是有著很大的市場的 [6]。 本文以用戶住房內(nèi)使用的熱量為 測量單位設(shè)計出了一種新型的 IC 卡式戶用熱量表，該熱量表把熱量表和 IC 卡設(shè)計在一起，卡和表相對應(yīng)，只有用 IC 卡對熱量表進行繳費才能使用，極大地提升了用戶的節(jié)能理念，還可以根據(jù)使用熱量進行計費，即合理有科學(xué)，使供熱和用熱雙方進行公平的交易。 熱量表 在國際領(lǐng)域的 的研究狀況 首先開始研發(fā)熱量表儀器的是歐洲國家。上世紀六十年代的能源危機，對一些歐美國家影響很大。 爆發(fā)能源危機之前，一些歐洲國家在冬季對用戶進行供暖基本上是一種社會的福利工程，不會向用戶收取供暖費用，但是由于能源危機的爆發(fā)使得燃料的價格上升巨大，所以冬季供暖的成本就相應(yīng)提高，國家無力承擔這一費用，所以，供暖工程就變成了市場化和商品化，需要收取費用 [7]。 由于供暖成了一種商品形式，所以首先要作到“分戶控制、分戶計量” [8]。 截至目前，在一些歐洲國家，如丹麥、芬蘭、德國、法國等一些國家他們的熱用戶室溫控制的技術(shù)水平和設(shè)備都是很先進的 [9]?，F(xiàn)在中國市場上出現(xiàn)的大量由歐洲生產(chǎn)的熱量表儀器上面都進行了標 注，“符合 75OIML R? 標準”（ 1997 年 4 月，歐共體正式通過）和“符合 EN1434 標準”（ 1998 年，國際法制計量組織頒布）這不僅是給用戶一個選擇、為了判斷的基本依據(jù)，同時也顯示了歐洲熱量表的標準化的程度。 由于不同的國家的基本實際情況是有所不同的，歐洲國家生產(chǎn)的熱量表儀器在中國市場上的銷售情況也是有局限性的： （ 1）由于歐洲國家生產(chǎn)的熱量表的測溫元件主要是 100Pt 和 500Pt 。在 0℃ 時，100Pt 的電阻是 100? ，但是測量探頭的引線也是有電阻的，這就肯定會影響測量結(jié)果，所會會嚴格要求引線電纜的長度有，而且配對完畢后就不能隨意更改 [14]。同時，鉑電阻在低溫的自熱效應(yīng)明顯。 （ 2）歐洲的熱量表安裝在回水管道上，此時流量計只能測回水的流量，熱量計量結(jié)果會因為人為因素而減少。 （ 3）歐洲熱量表價格不菲。歐洲熱量表雖然節(jié)能效果 不容置疑，但在推廣的過程中卻有依然有很大的阻力。除去有關(guān)政策原因外，昂貴的價格也使我們對歐洲熱量表的接受能力受限。 上個世紀九十年代，我國開始研發(fā)相關(guān)的熱量表。根據(jù)相關(guān)文獻的記載，最早開始研發(fā)用于計算供熱量的儀器 是我國的一位普通老師 。 1989 年后隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國也開始仿照國外的管理模式，逐漸引用 通過 計量 表來 收 取供暖電 費，同時讓有關(guān)單位開始研究歐洲贈送給我國的熱表。 1990 年，將熱量表專用電路模塊列入國家“七五”科 技攻關(guān)計劃。 1992年，我國的對統(tǒng)計進行監(jiān)督管理的相關(guān)機構(gòu)我國的計量工作的相關(guān)部門的秘書翻譯處一起對 OIMLR75國際通用的建議 《熱能表》這一國際化的規(guī)定進行了編譯并且出版發(fā)行。但是到了 1994之后， 我國的一些具有一定科研實力的企業(yè)開始加大對熱量表的開發(fā)和生產(chǎn)投資，并收到一定的效益。 仿照國外的先進 管理體制之后，中國較低的生產(chǎn)成本消耗和廣闊的應(yīng)用市場勢必會產(chǎn)生良好的投資回報。 據(jù) 20xx 年 5 月不完全統(tǒng)計，中國現(xiàn)在生產(chǎn)、經(jīng)營熱量表的企業(yè)己超過了 106 家，其中有超過十家生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)熱量表 1 萬多套，全國己安裝的國產(chǎn)和進口熱量表有 20多萬套 [11][12]。 PIC單片機介紹 單片機簡介 單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理器、隨機存取存儲器 、只讀存儲器、多種 I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器 /計數(shù)器等功能集成到一塊硅片上，從而構(gòu)成一個雖然小但卻很完善的微型計算機系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。 INTEL 公司在 1971年成功研發(fā)生產(chǎn)出了第一塊 4004Intel? 單片機，這標志著電子應(yīng)用正式進入了智能化的新時代。在以后的發(fā)展中，單片機這一新技術(shù)以其體積小、重量輕、功能強、可靠性高、價格低廉等特點，使它漸漸的使用在了工程控制、電子智能儀器、計算機控制技術(shù)、智能家電、人工智能、電子通信等領(lǐng)域，在嵌入式微型控制領(lǐng)域內(nèi)占有主導(dǎo)地位，電腦經(jīng)歷了 28 6 , 38 6 , , Pe nti um PI I的系統(tǒng)一系列的變革，但是單片機卻一直保持著廣泛的應(yīng)用。比如，盡管例如， 51MCS? 系列的單片機已經(jīng)應(yīng)用了十多年，但是現(xiàn)在為止，它還是呈現(xiàn)出日漸廣泛的應(yīng)用趨勢，這就是對上述的最好證明 [13]。 PIC 設(shè)備 簡介 PIC 類型的單片機的研究和生產(chǎn)者是代表世界單片機先進 水平的制作商和半導(dǎo)體設(shè)備研發(fā)商 M icroc hi p T echnol ogy Inc（美國的微型芯片科學(xué)技術(shù)公司）， 是一種用來開發(fā)的去控制外圍設(shè)備的集成電路（ IC） 。 PIC 系列 8 位 CMOS 單片機的 CPU 采用 RISC（ 精簡指令集）結(jié)構(gòu)以及 Harvard 雙 總線結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品共有三個層次，基本級系列、中級系列和高級系列，適用于需求量大但價格敏感的產(chǎn)品：比如辦公室自動化設(shè)備、工業(yè)控制、消費電子產(chǎn)品等不同領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。 就目前而言， PIC 具有以下特點： (1) 產(chǎn)品上市無需等待：采用低成本 OTP 型 PIC 芯片 ，產(chǎn)品的上市和應(yīng)用程序開發(fā)的完成時同步的。 (2) 開發(fā)簡易、時間短： PIC 單片機的指令簡單，并且指令集合是非常少的，一些中等水平的 設(shè)備的命令代碼只有少有的那么幾條，并且學(xué)習(xí)操作很簡單，當然使用起來也是很簡單的，方便了人員。 (3) 效率高 ： PIC 單片機 的構(gòu)造不像其它設(shè)備，它是將數(shù)據(jù)傳輸線路和指令傳輸線路分不同的渠道來傳輸，這樣可以節(jié)省內(nèi)存，傳輸通道不會因為其它信息的傳輸而受到阻礙、出錯，其指令的傳輸也是單向的，不僅節(jié)省了時間，而且具有很高的準確度。 （ 4）功耗低： PIC 的設(shè)計結(jié)合了大量的省電功能，使其成為一個低功耗的產(chǎn)品。 PIC 單片機 在運轉(zhuǎn)時，不像其它的設(shè)備常處于開機狀態(tài)，而是處于休眠狀態(tài)，這樣在一定程度上節(jié)省了電量。比如說在執(zhí)行 SLEEP 命令時，如果要降低其內(nèi)部能量的消耗，就需要在轉(zhuǎn)化啟動和關(guān)閉按鈕式，做到及時正確，使不需要運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)板塊處于休眠狀態(tài)，待需要時將其置于開機狀態(tài)。另外就是要注意各個板塊的運行和休眠是在什么時候，需要對 I/O 接口進行怎么的裝換，選擇什么樣的運行模版等，一旦出錯，系統(tǒng)將停止工作。 （ 5） 價格便宜 ： 現(xiàn)有市場上， PIC 單片機有 很多種類的 芯片： EEPROM 型、 EPROM型和 OTP 型，這里面 OTP 的型芯片價格低廉，除此之外 PIC 還提供了程序保密位（ Security Fuse）和看門狗 (WDT)功能，這些優(yōu)勢使單片機市場份額逐年提高，發(fā)展迅速 [14]。 相關(guān)概念 熱量表 (Heat meter) 顧名思義，熱量表就是對熱量進行計算的儀表。它的工作原理主要是：在傳輸熱量的載體的上行端和下行段分別安裝唯獨傳感器，由于安裝的位置不同，所以這兩個溫度傳感器接受的溫度信號是不同的，溫度傳感器將接受的溫度信號傳遞給流量計，流量計通過預(yù)先設(shè)定的 計算模式對信號進行計算分析，從而計算出在這段范圍內(nèi)的熱量交換值 [15]。 IC 卡（ Integrated Circuit Card） 集成電路卡簡稱 IC 卡，外形是一個塑料卡片，上面鑲嵌著一個集成電路芯片，根據(jù)國際的標注制作它的外觀和尺寸大小。芯片的一般組成部分是：設(shè)備的存儲器（ , RO M EE PR OM）、安全模擬電路、有些還有帶有微型處理器的 CPU 。 IC 卡的端口電路以及讀寫模式和 EEPROM 芯片的讀寫模式是基本相同的。 現(xiàn)在市面上大多數(shù)的 IC 卡中的微型芯片主要可以分成以下三種：存儲器 IC 卡、邏輯加密 IC卡、 CPU 卡。 像存儲器 IC 卡等常常是使用自身的 存儲芯片作為 IC 卡芯，像一些具有 智能 功能的 IC卡 常常會選擇一些微型的存儲 芯片作為卡芯。 不同存儲類型的 IC 的功能是不一樣的 ，見表 11： 表 11 存儲器芯片種類及其特性 存儲器類型 功能 ROM 只 能 讀 取存儲器中的信息，一旦存儲進去是不可變化的，除非對其格式化。由于其操作簡單，價格便宜等特點， 在市場上很受歡迎。 RAM 只能在通電的情況下進行信息的 存取， 一旦斷電，信息就會消失，即使再次通電，信息也是無法恢復(fù)的。需要準備其它的存 儲設(shè)備，以備不時之需。 PROM 通過簡單的程序編寫， 就可以 實現(xiàn)多次存儲的功能， 而且 價格較便宜適用于較大量的應(yīng)用 EPROM 可在紫外線擦除后寫入信息，目前，在 IC 卡中已經(jīng)很少應(yīng)用。 EEPROM 電可擦除、寫入存儲器。目前， IC卡中應(yīng)用最多。 IC卡經(jīng)常使用的微控制器芯片種類及特性，見表 12： 表 12 微控制器芯片種類及特性 類型 功能 舉例 具有加密功能 的控制器 （ MPU+CAU） 管理功能；加密、解密等運算功能。 飛利浦公司的 83C852 不帶加密運算的微控制器 （ MPU） 邏輯控制、管理等功能 日立公司的 H8系列 其中，存儲卡屬于被動型卡，采用同步通信的方式，存儲方便、使用簡單、價格便宜，但是不具備保密功能，用來存放不需要保密的信息，比如餐飲業(yè)的客戶菜單卡；邏輯加密卡每次讀 /寫之前都需要進行密碼驗證，如果連續(xù)幾次驗證錯誤，卡片會自鎖，成為死卡。它的價錢相對便宜，適用于有一定保密要求的場合，如電話卡、公共事業(yè)收費卡； CPU 卡是這三類卡中最高級的 卡，有良好的處理能力和高度 加密功能，憑借其高加密性和良好的處理能力，其在市場上的價格相比其它兩類卡是比較昂貴的，所以說其使用范圍有限 。本課題采用邏輯加密卡。 焓值的定義 通常所說的“ 焓值 ”主要是指 空氣中 所具有的 總熱量， 在控制測量時，一般選取一定量的干空氣為對象 ， 來檢測其內(nèi)含有的能量，通常稱為“ 比焓 ” ， 不同的領(lǐng)域有著不同的含義，比如說 工程中 的“焓值”主要是指“水焓”，主要是通過單位質(zhì)量的干空氣與水蒸氣所具有的總能量。 關(guān)于熱量表，在熱量表的進口和出口的焓值是正比于時間的，所以國內(nèi)生產(chǎn)的熱 量表在計算熱量的時候一般采用焓差法地計算方法。 課題研究的內(nèi)容和主要解決的問題 IC卡式熱量表是一種組合形式儀器，主要包括流量計算的傳感器、相關(guān)的溫度傳感器、熱量計算器這幾部分。它與水表、電表、煤氣表這些建筑業(yè)中已經(jīng)普遍使用的戶用計量表相比 較 ， 具有更高的可控制性和調(diào)節(jié)性，同時影響其作用的因素也是不確定的，所以 它的設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)、校核、應(yīng)用和市場化等一系列的過程都需要很高的技術(shù)支持和資金運轉(zhuǎn)。 課題研究的內(nèi)容 本課題的主要目標是，為了更準確的計算用戶的實際用