【正文】 66 第一章 緒論 研究的目的和意義 隨著經(jīng)濟建設的發(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 城市建設了 集中供熱設施，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量實行定價收費制度的權力?，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)安裝設定相關的儀器，調節(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于改善城鎮(zhèn)的供熱制度的方案 《關于城鎮(zhèn)供熱 體制改革試點工作的指導意見》，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，通過先進的技術手段對現(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 卡設計在一起，卡和表相對應，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，使供熱和用熱雙方進行公平的交易。 熱量表 在國際領域的 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水平和設備都是很先進的 [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)相關的熱量表。根據(jù)相關文獻的記載，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 技攻關計劃。 1992年，我國的對統(tǒng)計進行監(jiān)督管理的相關機構我國的計量工作的相關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，從而構成一個雖然小但卻很完善的微型計算機系統(tǒng)，廣泛應用于工業(yè)控制領域。 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、智能家電、人工智能、電子通信等領域，在嵌入式微型控制領域內(nèi)占有主導地位，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用。比如，盡管例如， 51MCS? 系列的單片機已經(jīng)應用了十多年，但是現(xiàn)在為止，它還是呈現(xiàn)出日漸廣泛的應用趨勢，這就是對上述的最好證明 [13]。 PIC 設備 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體設備研發(fā)商 M icroc hi p T echnol ogy Inc（美國的微型芯片科學技術公司）， 是一種用來開發(fā)的去控制外圍設備的集成電路（ IC） 。 PIC 系列 8 位 CMOS 單片機的 CPU 采用 RISC（ 精簡指令集）結構以及 Harvard 雙 總線結構，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備、工業(yè)控制、消費電子產(chǎn)品等不同領域都有廣泛應用。 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 設備的命令代碼只有少有的那么幾條，并且學習操作很簡單，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 的構造不像其它設備，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 的設計結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 在運轉時，不像其它的設備常處于開機狀態(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，就需要在轉化啟動和關閉按鈕式，做到及時正確，使不需要運轉的系統(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，流量計通過預先設定的 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，信息也是無法恢復的。需要準備其它的存 儲設備，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)很少應用。 EEPROM 電可擦除、寫入存儲器。目前， IC卡中應用最多。 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”，主要是通過單位質量的干空氣與水蒸氣所具有的總能量。 關于熱量表，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節(jié)性，同時影響其作用的因素也是不確定的，所以 它的設計、研發(fā)、生產(chǎn)、校核、應用和市場化等一系列的過程都需要很高的技術支持和資金運轉。 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