【正文】 .........................22 附錄一：總圖 .............................................................................................................................22 附件二：程序清單 ....................................................................................................................23南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第一章 引言 選題背景 如今，節(jié)能成為大家越來越來關(guān)注的話題。我國的建筑能耗很高，是發(fā)達(dá)國家的 3倍多，而城市供暖是建筑能耗的主要部分，發(fā)達(dá)國家大多采用能調(diào)節(jié)和控制的供熱系統(tǒng)。城市供熱，特別是北方供熱正在邁出改革步伐，迫切需要高新計量設(shè)備進(jìn)入供熱領(lǐng)域，改變我國城 市目前采暖技術(shù)的落后局面。 多年來，我國一直采用計劃經(jīng)濟(jì)時代的全福利式居民取暖體制，以居民小區(qū)為單位，共用一個控制閥，以住宅面積為熱量的計量依據(jù)。隨著改革開放的不斷深入，人民生活水平的不斷提高，商品意識的不斷加強，舊體制已遠(yuǎn)不能適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)生活的發(fā)展。 隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和個人需求的提高，對取暖的質(zhì)量要求越來越高，越來越多樣化，有人寧愿多花一些錢來享受一個暖冬，有人根據(jù)自己經(jīng)濟(jì)條件喜歡經(jīng)濟(jì)一點，過得去就行。不論是哪種需求，都有一個共同點，就是希望取暖就像商品一樣，花多少錢享受多少熱量，明碼實價，錢花得其所。 而現(xiàn)在所有的供暖方式，只要是同一個供暖單位供熱，都只能是一樣，根本無法滿足用戶自己調(diào)節(jié)的要求。 供熱由供熱單位單一方支配，隨意性強，缺少制約機制。在現(xiàn)有的供熱體制下，取暖費交給供熱單位后，這一冬季的取暖全在供熱單位的控制下，無法建立有效監(jiān)督機制?，F(xiàn)有的大鍋式取暖方式必須改革，讓供暖走向市場，把熱量回歸為商品，讓人們對熱量的需求如同對普通商品一樣，多花錢多買，少花錢少買，建立公平的供求關(guān)系。只有按實際供熱量收費，才能調(diào)動用熱和供熱的雙方積極性，節(jié)能工作才能真正落實。 熱量表簡介 按熱量計費，必須有熱量 計量工具，而熱量表就是建立在用戶計量的基礎(chǔ)上，通過測量流經(jīng)熱交換系統(tǒng)的熱總量。熱量表能實現(xiàn)把熱量作為一種商品供應(yīng)千家萬戶。一戶一表，一戶一閥。 一個完整的熱量 表 由三個部分組成 :流量傳感器 ， 用以測量流經(jīng)熱交換系統(tǒng)的熱水流量 ； 配對溫度傳感器 ， 分別測量供暖進(jìn)水和同水溫度 ； 計算顯示器 ， 根據(jù)與其相連的流量傳感器和溫度傳感器提供的流量和溫度數(shù)據(jù) ， 通過熱量公式計算出從熱第一章 引言 2 交換系統(tǒng)獲得的熱量。 目前比較實用的有三種熱量表，霍爾式、電磁式和超聲波式熱量表。在這三種熱量表中，霍爾式熱量表是通過霍爾效應(yīng)測量水的流量?；魻柺綗崃勘砭哂?耗電少，抗干擾性好，安裝維護(hù)方便各價格低廉的優(yōu)點，其測量原理和結(jié)構(gòu)簡單，對工作要求不高，因此現(xiàn)在應(yīng)用比較多，在熱水管網(wǎng)的計量中占據(jù)主導(dǎo)地位。電磁式熱量表是按法拉第定律測量水的流量，其測量腔體內(nèi)部沒有任何可動部件，但對供熱介質(zhì)的電導(dǎo)率要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，功耗大，在用戶中使用較少。超聲波式熱量表是通過超聲波射線直射或反射的方法測量水的流量，對介質(zhì)成分沒有要求。優(yōu)點是量程大、計量精度高。用戶型熱量表普遍采用的結(jié)構(gòu)形式是緊湊型，將進(jìn)水溫度探頭和流量表一體，回水溫度探頭與之分開，計算顯示器可與流量表裝在一體。 這種結(jié)構(gòu)靈活，不受安裝空間限制，缺點是安裝調(diào)試麻煩。而一體化熱量表把流量計，進(jìn)水溫度傳感器，回水溫度傳感器和計算顯示器安裝在一體，這種結(jié)構(gòu)安裝簡單，無需調(diào)試。只有采用高質(zhì)量的的熱量表，才能滿足用戶和供熱商的雙方利益。 熱計量技術(shù)起源于歐洲，早在 20 世紀(jì) 20 年代歐洲就開始進(jìn)行按戶計量采暖費用，尤其是經(jīng)歷了 70年代初期的能源危機后，如何在保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時節(jié)省有限的能源成了各國的研究課題，相應(yīng)的“熱表”經(jīng)歷了從機械式、電子模擬積分式、電子數(shù)字積分式，直到微處理器為基礎(chǔ)的智能式的發(fā)展過 程。在 80年代初期，采暖計費制度己經(jīng)在歐美國家普及了 ，實施供熱計量計 費方法也逐步得到完善，熱量計量技術(shù)也已經(jīng)基本成熟 。 我國熱量表的自行研制始于上世紀(jì)九十年代， 19972021 年歐洲標(biāo)準(zhǔn)《熱量表EN1434》逐漸被一些企事業(yè)單位所了解和重視，中國熱量表的研制開發(fā)走上了正軌 。 由于我國熱量表方面的研究處于初級階段，存在一定上的盲目性和探索性，研究中遇到了一些問題和爭議，考慮到國外的國情各國內(nèi)的又不一樣，只能靠自己摸索。目前，國內(nèi)不少單位根據(jù)建筑采暖必須計量收費的原則，已著手研究開發(fā)建筑節(jié)能技術(shù)各產(chǎn)品 ，引進(jìn)、消化、研制相關(guān)的控制手段和儀表。國內(nèi)實驗的計量方法及儀表基本是采用樓棟熱表和熱水流量表計量方法，國內(nèi)實驗工程中使用的有： 葉輪式熱量表、電磁式熱量表、超聲波式熱量表、蒸發(fā)式熱量表和電子式熱量表。世界各國越來越重視按戶計量收費，我國已經(jīng)在多個城市進(jìn)了按戶計量的試驗工程，一些城市已開始以各種手段促進(jìn)這一技術(shù)的發(fā)展。 南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 開發(fā)熱量表的意義和前景 如今，節(jié)能與環(huán)保成為我國的重要國策。據(jù)有關(guān)機構(gòu)對德國熱力系統(tǒng)調(diào)研，采用熱量表可以降低能源消耗 10~30%。同時還可緩和城市燃料運輸緊張的狀況，減少對大 氣的污染。 熱量表主要是用于集中供暖的居民住宅，商用辦公室所耗熱量的計量。戶用熱量表的使用市場主要有兩個方向 :一個是采暖地區(qū)新建的居民住宅 。另一個是現(xiàn)有的尚未實行供熱按計量收費的居民住宅。目前國家每年新建采暖居住建筑為 7 億平方米左右，按平均每戶 80平方米計，近 1000 萬戶，按建設(shè)部的要求從 2021 年開始新建住宅都應(yīng)安裝熱量計量設(shè)施，但由于各地情況不同、經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡，地方政策的差異等因素，不可能同時全部安裝。盡管如此，東北、西北和華北地區(qū)的大中城市從 19992021 采暖期也開始安裝，并有很多大中城市已明令從 2021 年起必須在商品住宅上安裝熱量計。目前各省正在積極制定有有關(guān)政策使供熱商品化，同時建設(shè)部節(jié)能規(guī)劃中也要求在 2021 年開始將“熱”過渡為商品，熱量表產(chǎn)品正處在市場需求的上升期，未來市場是巨大的。 由于舊的供暖視住宅面積大小收費，在當(dāng)前形式下，這種技術(shù)的投產(chǎn)應(yīng)用必將帶動新一輪的市場增長點，并推動熱量表技術(shù)的不斷發(fā)展與完善?？傊疅崃勘淼膽?yīng)用是一個嶄新的，具有很強生命力的項目，前景深遠(yuǎn)。 研究內(nèi)容與目標(biāo) 本文針對熱量表的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，在閱讀了大量文獻(xiàn)和資料的基礎(chǔ)上，成功設(shè)計了一套用于計量熱量的熱量表系 統(tǒng)。該系統(tǒng)能體現(xiàn)了熱量表的智能化，能很好的解決上述中的問題。該熱量表重點在于溫度傳感器，流量傳感器，顯示模塊和按鍵模塊的設(shè)計。熱量表通過回水溫度、給回水溫度、瞬時流量、累計流量等參數(shù)計算在熱量表上顯示出總累計熱量值。通過采集器連接上位機，物業(yè)管理部門可以通過上位機監(jiān)視用戶的用熱情況。 第二章 熱量表硬件電路設(shè)計 4 第二章 熱量表硬件電路設(shè)計 電源電路的設(shè)計 由于中央處理系統(tǒng)是單片機，而通用的 220V的交流電源不能滿足需求，所以需要外圍處理之后的 +5V的直流電源給單片機以及一些芯片供電。具體的電路如圖 所示： 圖 在電源電路中，使用 TRAN— ZPZS 作為變壓器，電壓經(jīng)過整流器整流之后將交流變?yōu)橹绷麟娐?。由?biāo)準(zhǔn) 5V 正弦波電壓信號改變?yōu)槿珵檎碾妷盒盘?。再?7805 三端穩(wěn)壓器將電壓穩(wěn)定在 5V信號，途中的 C C2是穩(wěn)壓及濾波的作用。 主控部分的設(shè)計 單片機在使用前，應(yīng)該有一些外圍的輔助電路，其中包括復(fù)位電路，時鐘電路。時鐘電路用于產(chǎn)生 MCS— 51單片機工作時所需的始終控制信號。 MCS— 51 單片機的內(nèi)部電路在時鐘信號控制下，嚴(yán)格的按時序執(zhí)行指令進(jìn)行工作。而時序所研究的指令執(zhí)行中各個信號的時間上的關(guān)。 而在執(zhí)行指令是， CPU 首先要到程序存儲器中取出需要執(zhí)行的指令操作碼，然后譯碼，并在時序電路產(chǎn)生一系列控制訊號去完成指令所規(guī)定的操作。 CPU 發(fā)出的時序信號有兩類，一類用于片內(nèi)對各個功能部件的控制，這類信號很多。另一類用于對片外存儲器或 I/O 端口的控制，這部分時序?qū)τ诜治?、設(shè)計硬件接口電路至關(guān)重要。 晶體振蕩器的振蕩信號從 XTAL2 端送入內(nèi)部時鐘電路，它將該振蕩信號二分頻，產(chǎn)生一個兩相時鐘信號 P1 和 P2供單片機使用。時鐘信號的周期稱為狀態(tài)時間 S，它是振蕩周期的 2 倍， P1信號 在每個狀態(tài)的前半周期有效，在每個狀態(tài)的后半周期 P2信號有效。南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 CPU 就是以兩相時鐘 P1 和 P2 為基本節(jié)拍協(xié)調(diào)單片機各部分有效工作的。 復(fù)位電路是單片機的初始化操作，只需要給 MCS— 的復(fù)位引腳 RST 加上大于兩個機器周期（即 24 個始終震蕩周期）的高電平就可以使 MCS— 51 復(fù)位。復(fù)位時， PC 初始化為0000H，使 MCS— 51 單片機從 0000H 單元開始執(zhí)行程序。出了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為白兔死鎖狀態(tài)，也需按復(fù)位鍵使 RST 引腳為高電平使 MCS— 51 重新啟動。 溫度檢測電路的設(shè)計 在溫度傳感器部分使用 DS18B201。 溫度信號的采集采用溫度傳感器 ,由于該部分主要是采集兩個端口的溫度差 ,因此需要兩只溫度傳感器組成配對傳感器。配對溫度傳感器是指對同一個熱量表，分別用來測量供熱管路系統(tǒng)的入口和出口溫度的兩支溫度傳感器，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)的溫度并且發(fā)出溫度信號，兩支溫度傳感器在出廠前要經(jīng)過測試篩選，要求具有一致的特性，并配有標(biāo)記。無論采用何種形式的配對溫度傳感器，都需要根據(jù)最小測量溫差的要求，滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。溫度計一定要有溫度采集，可以 采集溫度的途徑很多，在眾多應(yīng)用于溫室環(huán)境監(jiān)測的溫敏元件中 ,盡管溫敏電阻成本低 ,但是后續(xù)電路太復(fù)雜 , 精度、重復(fù)性、可靠性都較差，而且還需要進(jìn)行溫度的標(biāo)定 。電流型集成溫度傳感器 AD590也因為它的輸出是模擬信號 ,而且輸出信號比較弱，故需要進(jìn)行后續(xù)放大和 A/D轉(zhuǎn)換電路 ,如果使用普通運放，那么精度難以保證 ,而測量放大器價格偏高 ,這樣，系統(tǒng)的成本就提高了。而達(dá)拉斯公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，作為 DS1820的改版可使溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供微處理器處理，而且外圍電路很簡單，實現(xiàn)方便。由于每 片 DS18B20 含有唯一的序列號，所以在一條總線上可掛多片 DS18B20 。微處理器可通過一根口線經(jīng)序列號匹配識別后對每一個DS18B20進(jìn)行讀寫操作，大大節(jié)省了硬件資源，一總線獨特而且經(jīng)濟(jì)的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。新一代的數(shù)字溫度傳感器DS18B20體積更小、更經(jīng)濟(jì)、更靈活。 DS18B20的測量溫度范圍為 55176。 C~+125176。 C，在10~+85176。 C范圍內(nèi)精度為177。 176。 C，分辨率 ?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，每一顆自帶地址，大大減少 了系統(tǒng)的電纜數(shù)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性，因此得到廣泛使用。所以溫度采集選用了 DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器。 第二章 熱量表硬件電路設(shè)計 6 圖 溫度傳感器部分 流量檢測電路的設(shè)計 流量計部分采用市場上常用的便攜式超 聲波流量計，由于已經(jīng)封裝好的在市場上銷售的流量計，與單片機的接口只能使用 RS232。 RS232 是異步通訊中最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線，適用于數(shù)據(jù)中端設(shè)備（ DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（ DCE）之間的接口。在微機通訊中，通常使用 的 RS232 接口信號是九根引腳。 圖 流量計部分 超聲波流量計工作原理如下： 逆流換能器 流量方向 ? 順流換能器 X 圖 時差法超聲波流量測量原理 用一對超聲波換能器相互交替 收發(fā)超聲波，通過測量超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流 L D ? 南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 傳播時間之差來間接測量流體的流速，再通過流速來計算流量的一種方法。 順流和逆流時間： Tu =?VCOSC L? （ 21） Td =?VCOSC L? （ 22） 式中 C為超聲波在介質(zhì)中的聲速， V 為流體介質(zhì)的流動速度。經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)得： V= XTC22? （ 23） 流量 Q= dtVD ?42?