【正文】 方法主要用于城市采暖用熱的用戶，是目前各類城市中采用較多的一種方法?！?4) 按使用面積收費這種方法與第3種方法基本相同?！?5) 按安裝的供暖裝置數(shù)量收費這種方法在個別中小城市中采用，主要是為了制止、控制某些居民隨意在居住建筑中增設供暖裝置而采用的辦法。 系統(tǒng)的設計目標和要求本文所設計的熱量計量計費系統(tǒng)應能完成熱量按戶計量計費任務，并具有以下功能：用戶的耗熱量計量、存儲，斷電能長期保存數(shù)據(jù)；顯示模塊可顯示用戶供熱系統(tǒng)的進水溫度、出水溫度、熱水流量、耗熱量及剩余熱量、取暖費用等參數(shù)；預付費功能，即先交費后方可取暖；關斷功能，即當用戶暖氣表發(fā)生故障或用戶欠費時可關斷閥門停止供暖；預警功能，即提示用戶即將欠費關斷；遠傳控制功能，即用戶計量數(shù)據(jù)可遠傳，實現(xiàn)自動抄表，且管理系統(tǒng)可控制用戶供熱系統(tǒng)的開、關。 系統(tǒng)的設計要求為：所用方案應科學、工作可靠、經(jīng)濟適用、便于推廣應用；技術指標可計進水溫度3~100℃177。1℃；可計出水溫度 3~100℃177。1℃；可計流量0~177。；20s消耗熱量 0~177。第2章 系統(tǒng)方案設計 熱能計量方法目前，國產(chǎn)熱量表的熱量計量方法基本可以分為以下幾種。通過測定用戶的熱負荷來確定用戶的用熱量的溫差法。該方法是測定室內(nèi)、外溫度，并對取暖季節(jié)內(nèi)的室內(nèi)、外溫差累積求和，然后乘以房間常數(shù)(如體積熱指標等)來確定收費。儀表為測溫儀表，特點安裝容易，價格較低。但此種方法需要在室外安裝測溫設備，而并不直接測量供熱量值，不夠精確，容易受到多種環(huán)境因素干擾，另外，也不利于長時間累計計量，偏重對溫度差的測量。故此法舍去。其次是比較常用的焙差法。 （21）式中為入口與出口的定壓比熱容。為瞬時體積、質量流量。為入口與出口溫度下的載熱流體密度。為入口與出口的溫度。該公式計算簡單，只要根據(jù)實測溫度。查表得常數(shù)，代入公式即可。然而，溫度測量精度提高，需要測量計算的數(shù)據(jù)也就越多。而且，對于所測溫度，需要采用線性插值等近似計算技術，通過搜索與其距離最近的點計算相應的焙值，從而得出瞬時熱量。這一方法會帶來無法避免的誤差，造成收費不準確。故此法舍棄。 本設計中采用的熱量計量方法是常系數(shù)比熱容法，按熱量收費的方法。消耗熱能的計算公式如下： （） （22）其中：為水的比熱容（= 67 kWh／L℃）；為流過采暖設備的熱水體積；、為流過采暖設備的兩個溫度；按照設計要求，屏幕可以在一段時間內(nèi)顯示耗熱量及剩余熱量。剩余熱能2=1 (1為用戶所購買熱能和)。 總體設計框圖整個系統(tǒng)工作由溫度、流量傳感器檢測溫度和流量的變化，然后將溫度信號和流量信號傳輸給單片機控制系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)接收傳感器信號，通過軟件程序對外圍電路進行驅動工作，外圍電路主要包括，顯示及報警驅動電路、存儲電路、時鐘電路、鍵盤電路、IC卡預付費電路、通信電路及電動閥控制電路等。然后實現(xiàn)對熱量使用信息的顯示，數(shù)據(jù)的傳輸與保存，費用時間的提醒等。微控制器流量檢測模塊顯示接口模塊進水溫度檢測模塊鍵盤接口模塊出水溫度檢測模塊報警模塊數(shù)據(jù)存儲模塊閥門控制模塊時鐘模塊IC卡接口模塊電源模塊 控制器的選型單片機是整個系統(tǒng)的核心，所以對于單片機的選擇是非常重要的。選購單片機應從以下幾個方面考慮：其一是目標系統(tǒng)需要哪些資源；其二是根據(jù)成本的控制選擇價格最低的產(chǎn)品；其三是應盡量選擇自己熟悉的單片機品種，這可以縮短研制周期；其四是選擇具有現(xiàn)成開發(fā)工具的機種；其五是選擇集程度高、可靠度高的機種，是系統(tǒng)體積小、成本低?，F(xiàn)有市場上常見的有5PIC、MSP430等系列單片機。根據(jù)所學知識比較熟悉的是AT89S5S52單片機。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C51是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且廉價的方案。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flach存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。偏上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。綜上所述，鑒于本系統(tǒng)需要測量溫度、流量、等參數(shù)，同時還有鍵盤輸入、數(shù)碼管顯示、通信等，考慮到程序寫入空間、芯片性能等問題，所以選用AT89S52單片機作為系統(tǒng)CPU。 溫度傳感器選擇在傳統(tǒng)的模擬信號遠距離溫度測量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補償問題、多點測量切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差問題等技術問題，才能夠達到較高的測量精度。另外一般監(jiān)控現(xiàn)場的電磁環(huán)境都非常惡劣，各種干擾信號較強，模擬溫度信號容易受到干擾而產(chǎn)生測量誤差，影響測量精度。因此，在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力強的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問題的最有效方案。PT100，又叫鉑電阻，熱電阻，是一種溫度傳感器，／℃，0℃時電阻值為100Ω，℃。采用不銹鋼外殼封裝，內(nèi)部填充導熱材料和密封材料灌封而成，適用于精密儀器、恒溫設備。 三線制PT100要求引出的三根導線截面積和長度均相同，測量鉑電阻的電路一般是不平衡電橋，鉑電阻作為電橋的一個橋臂電阻，將導線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，當橋路平衡時，導線電阻的變化對測量結果沒有任何影響，這樣就消除了導線線路電阻帶來的測量誤差，所以工業(yè)上一般都采用三線制接法。 LM35是一種得到廣泛使用的溫度傳感器。由于它采用內(nèi)部補償，所以輸出可以從0℃開始。0℃～100℃ 18B20溫度傳感器是DALLAS 半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡，為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念。綜上所述本設計選用了美國 DALLAS 公司最新推出的 DS18B20單線數(shù)字式溫度傳感器。DS18B20溫度傳感器與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，它可以把溫度信號直接轉換成數(shù)字信號。新型數(shù)字溫度傳感器DS18B20具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可組網(wǎng)等優(yōu)點，在實際應用中取得了良好的測溫效果。更符合設計要求。DS18B20的性能特點：1）采用單總線專用技術,即可通過串行口線,也可通過其他I/O口線與微機接口無須經(jīng)過其他變換電路,直接輸出被測溫度值 2）無需外圍元件3）由總線提供電源4）測溫范圍為55℃～125℃,℃5）內(nèi)含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲器ROM6）適配各種單片機或系統(tǒng)機 流量傳感器選擇市場上熱量表中選用的流量傳感器主要有三種類型：電磁式流量傳感器、超聲波流量傳感器、葉輪流量傳感器?？紤]到國內(nèi)的特殊情況，水源差雜質多的情況，在熱量表的工作過程中十分容易吸附金屬雜質。精度下降等問題因此無法避免。因此，就目前情況而言，在我國的客觀條件下，熱量表無磁化是一個必須的硬性條件。因此在設計當中，在選擇流量傳感器時，首先的要求就是其抗磁干擾能力。同時，綜合熱量表系統(tǒng)構建的實際條件及大批量的用戶使用要求其價格低、非工業(yè)級別的測量對精度的要求不是特別高；家庭用供熱需要小口徑的管道；根據(jù)各種流量傳感器的特點，設計低功耗、低成本的要求，本系統(tǒng)采用無磁式流量傳感器DN20來進行對供熱流量的計量。 IC卡選型IC卡它是將一個微電子芯片嵌入符合ISO 7816標準的卡基中，做成卡片形式。IC卡與讀寫器之間的通訊方式可以是接觸式，也可以是非接觸式。根據(jù)通訊接口把IC卡分成接觸式IC卡、非接觸式IC和雙界面卡（同時具備接觸式與非接觸式通訊接口）。接觸式IC卡該類卡是通過IC卡讀寫設備的觸點與IC卡的觸點接觸后進行數(shù)據(jù)的讀寫。國際標準ISO7816對此類卡的機械特性、電器特性等進行了嚴格的規(guī)定。非接觸式IC卡該類卡與IC卡設備無電路接觸，而是通過非接觸式的讀寫技術進行讀寫（例如光或無線技術）。其內(nèi)嵌芯片除了CPU、邏輯單元、存儲單元外，增加了射頻收發(fā)電路。國際標準ISO10536系列闡述了對非接觸式IC卡的規(guī)定。該類卡一般用在使用頻繁、信息量相對較少、可靠性要求較高的場合。接觸式IC卡，存儲量大，保密功能強，可實現(xiàn)一卡多用。但這類卡的讀寫速度慢，操作時必須把卡正確地插入到讀寫器的卡槽總才能完成數(shù)據(jù)交換，在一些需要頻繁讀寫卡的場合不方便，而且讀寫器的觸點和IC卡的觸腳在外面，造成損壞而接觸不良。非接觸式卡具有可靠性高、操作方便、防沖突、可以適合于多種應用、加密性能好等優(yōu)點。非接觸式IC卡與讀寫器之間無機械接觸，避免了由于接觸讀寫而產(chǎn)生的各種故障。 此外,非接觸式卡表面無裸露芯片，無須擔心芯片脫落，靜電擊穿，彎曲損壞等問題，既便于卡片印刷，又提高了卡片的使用可靠性。非接觸式卡使用時沒有方向性，卡片可以在任意方向掠過讀寫器表面，既可完成操作，提高了每次使用的速度。非接觸式卡中有快速防沖突機制,能防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，因此，讀寫器可以“同時”處理多張非接觸式IC卡。這提高了應用的并行性，無形中提高系統(tǒng)工作速度。非接觸式卡的序列號是唯一的，制造廠家在產(chǎn)品出廠前已將此序列號固化,不可再更改。非接觸式卡與讀寫器之間采用雙向驗證機制，即讀寫器驗證IC卡的合法性，同時IC卡也驗證讀寫器的合法性。非接觸式卡在處理前要與讀寫器之間進行三次相互認證，而且在通訊過程中所有的數(shù)據(jù)都加密。此外，卡中各個扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問條件。接觸式卡的存儲器結構特點使它一卡多用，能運用于不同系統(tǒng)，用戶可根據(jù)不同的應用設定不同的密碼和訪問條件。通過以上分析，本系統(tǒng)采用非接觸式卡MIFIR1，讀寫模塊選用MFRC522。MFRC522是應用于 非接觸式通信中高集成度讀寫卡系列芯片中的一員。是 NXP 公司針對“三表”應用推出的一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片，是智能儀表和便攜式手持設備研發(fā)的較好選擇。 通訊方式選擇通信方式分為遠程通信和近距離通信，同時分為有線通信和無線通信。目前我國普遍采用工作人員上門抄表，這樣的方法既浪費人力又浪費時間。本設計要實現(xiàn)遠傳控制功能，即用戶計量數(shù)據(jù)可遠傳，實現(xiàn)自動抄表。所以選擇遠程通信。RS485RS485是一種平衡傳輸方式的串行接口標準,允許在電路中有多個發(fā)送器，允許一個發(fā)送器驅動多個負載設備，負載設備可以驅動發(fā)送器、接收器或收發(fā)器組合單元。RS 485標準的共線電路結構是在一對平衡傳輸線的兩端部配置終端電阻，其發(fā)送器、接收器或組合收發(fā)器可掛結在平衡傳輸線上的任何位置，實現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸中多個驅動器和接收器共用同一傳輸線的多點應用?，F(xiàn)場總線CANCAN屬于總線式通訊網(wǎng)絡。CAN能夠使用差分電壓傳送。CAN總線網(wǎng)絡上的任意一個節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主/從，通訊靈活。在通訊速率為5Kb/s時，通訊距離最遠可達10km。在通訊距離為40m時，最高通訊速率可達1Mb/s，而且傳輸時間短，受干擾的概率低。CAN總線采用非破壞性仲裁技術，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡上傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突；采用短幀結構，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短；每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適于在高干擾環(huán)境下使用；節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響；可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)。具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點；采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作。具有實時性強、可靠性高、通信速率快、結構簡單、互操作性好、總線協(xié)議具有完善的錯誤處理機制、靈活性高和價格低廉等特點。據(jù)以上的分析和硬件成本方面的考慮，決定采用CAN作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€。第3章 系統(tǒng)硬件設計 單片最小系統(tǒng)設計系統(tǒng)的微控制器選用AT89S52。它是一種低功耗，高性能的CMOS 8位微控制器，具有8K的可編程存儲器。與工業(yè)80C51引腳完全兼容。因為在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU,使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)所使用。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 所謂最小系統(tǒng)，即指使單片機能正常工作的所需的最少的電路，即應包含CPU及輔助電路、ROM、RAM及I/O端口等電路。在