【正文】 60 溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果 60 結(jié)論與展望 62 致謝 63 參考文獻(xiàn) 64 附錄 66 第一章 緒論 研究的目的和意義 隨著經(jīng)濟(jì)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(hù)較為方便而且使用價(jià)格也比較便宜，我 國(guó)北方的城市 普遍采用 區(qū)域 性的 集中熱水采暖 。 首先，本文簡(jiǎn)單闡述探究熱量表的背景及意義，接著對(duì)熱量計(jì)的工作原理、設(shè)計(jì)中使用的 IC 卡以及關(guān)于熱量的焓值方面的基礎(chǔ)知識(shí)和研究意義進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，其中該新型的熱量計(jì)的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)要求和標(biāo)準(zhǔn)是主要介紹的重點(diǎn)。本文作者對(duì)我國(guó)在熱量計(jì)領(lǐng)域內(nèi)的研究和使用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合的研究，并且仔細(xì)的分析和研究了 IC 卡式適合在用戶中安裝使用的熱量表的工作原理，作者根據(jù)這些研究和分析提出了本課題的主要研究?jī)?nèi)容，研究開發(fā)除了一種適合我國(guó)用戶使用的新型的 IC 卡式熱量表， 該熱量表的主要微型控制器為單片機(jī) 16 74PIC C 。 關(guān)鍵詞 : IC 卡 熱量表 PIC 焓值 流量傳感器 溫度傳感器 ABSTRACT Since the 1990 s, the central heating with its energy efficiency, save energy and improve the environment health advantages has bee a modern city39。 供暖期前后無熱源，供暖收費(fèi)逐年升高。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(duì)最新建造的住房和建筑中的供暖系統(tǒng)要實(shí)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(jì)算建筑內(nèi)的總用熱數(shù)量，并根據(jù)用戶的實(shí)際用熱量來進(jìn)行收費(fèi) [5]。 從這方面看來，如果在全國(guó)范圍對(duì)供熱系統(tǒng)按照熱量使用量的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行收費(fèi)，那么就必然會(huì)用到熱量計(jì)，所以說供熱的計(jì)量?jī)x表在國(guó)內(nèi)是有著很大的市場(chǎng)的 [6]。 爆發(fā)能源危機(jī)之前，一些歐洲國(guó)家在冬季對(duì)用戶進(jìn)行供暖基本上是一種社會(huì)的福利工程，不會(huì)向用戶收取供暖費(fèi)用，但是由于能源危機(jī)的爆發(fā)使得燃料的價(jià)格上升巨大，所以冬季供暖的成本就相應(yīng)提高，國(guó)家無力承擔(dān)這一費(fèi)用，所以，供暖工程就變成了市場(chǎng)化和商品化，需要收取費(fèi)用 [7]。 由于不同的國(guó)家的基本實(shí)際情況是有所不同的，歐洲國(guó)家生產(chǎn)的熱量表儀器在中國(guó)市場(chǎng)上的銷售情況也是有局限性的： （ 1）由于歐洲國(guó)家生產(chǎn)的熱量表的測(cè)溫元件主要是 100Pt 和 500Pt 。 （ 3）歐洲熱量表價(jià)格不菲。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的記載，最早開始研發(fā)用于計(jì)算供熱量的儀器 是我國(guó)的一位普通老師 。但是到了 1994之后， 我國(guó)的一些具有一定科研實(shí)力的企業(yè)開始加大對(duì)熱量表的開發(fā)和生產(chǎn)投資，并收到一定的效益。 INTEL 公司在 1971年成功研發(fā)生產(chǎn)出了第一塊 4004Intel? 單片機(jī)，這標(biāo)志著電子應(yīng)用正式進(jìn)入了智能化的新時(shí)代。 PIC 系列 8 位 CMOS 單片機(jī)的 CPU 采用 RISC（ 精簡(jiǎn)指令集）結(jié)構(gòu)以及 Harvard 雙 總線結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品共有三個(gè)層次，基本級(jí)系列、中級(jí)系列和高級(jí)系列，適用于需求量大但價(jià)格敏感的產(chǎn)品：比如辦公室自動(dòng)化設(shè)備、工業(yè)控制、消費(fèi)電子產(chǎn)品等不同領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。 （ 4）功耗低： PIC 的設(shè)計(jì)結(jié)合了大量的省電功能，使其成為一個(gè)低功耗的產(chǎn)品。 （ 5） 價(jià)格便宜 ： 現(xiàn)有市場(chǎng)上， PIC 單片機(jī)有 很多種類的 芯片： EEPROM 型、 EPROM型和 OTP 型，這里面 OTP 的型芯片價(jià)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(shì)使單片機(jī)市場(chǎng)份額逐年提高，發(fā)展迅速 [14]。芯片的一般組成部分是：設(shè)備的存儲(chǔ)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 。 不同存儲(chǔ)類型的 IC 的功能是不一樣的 ，見表 11： 表 11 存儲(chǔ)器芯片種類及其特性 存儲(chǔ)器類型 功能 ROM 只 能 讀 取存儲(chǔ)器中的信息，一旦存儲(chǔ)進(jìn)去是不可變化的，除非對(duì)其格式化。 PROM 通過簡(jiǎn)單的程序編寫， 就可以 實(shí)現(xiàn)多次存儲(chǔ)的功能， 而且 價(jià)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。 飛利浦公司的 83C852 不帶加密運(yùn)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(chǔ)卡屬于被動(dòng)型卡，采用同步通信的方式，存儲(chǔ)方便、使用簡(jiǎn)單、價(jià)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(jìn)行密碼驗(yàn)證，如果連續(xù)幾次驗(yàn)證錯(cuò)誤，卡片會(huì)自鎖，成為死卡。 關(guān)于熱量表，在熱量表的進(jìn)口和出口的焓值是正比于時(shí)間的，所以國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的熱 量表在計(jì)算熱量的時(shí)候一般采用焓差法地計(jì)算方法。它的流量傳感器通過葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，計(jì)算器通過記錄脈沖數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)流過的熱水水溫測(cè)量，通過配對(duì)的溫度傳感器對(duì)進(jìn)水、回水的進(jìn)行溫度檢測(cè)之后傳送給計(jì)算器。 (3) 主要軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：即設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需要的計(jì)算流程、流量計(jì)算和測(cè)量流程、可視化流程、 IC 的讀入和輸出流程等軟件方面，使軟件能夠更好的實(shí)現(xiàn)所需要的功能。如果流量計(jì)使用 AC 電源提供電能，當(dāng)有電的時(shí)候，流量計(jì)還是比較準(zhǔn)確的計(jì)算流量，但是一旦出現(xiàn)停電事故，那么流量計(jì)就一點(diǎn)作用都沒有了，所以本系統(tǒng)選用的供電電源是干電池。 (4) IC 卡預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：我國(guó)熱供應(yīng)系統(tǒng)一直都有“收費(fèi)難”問題，而采用卡式預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)不但可以很好地緩解這一難題，而且抄表 員也不需要去每家每戶的對(duì)流量表進(jìn)行抄表，避免了多麻煩，從而給用戶和供熱公司都提供了很大的便利。本章 首先介紹了熱量計(jì)的基本工作原理和相關(guān)的建模模型，再對(duì)熱量計(jì)的基本構(gòu)造進(jìn)行了專業(yè)介紹， 最后給出了具體的設(shè)計(jì)步驟和必須符合的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在我國(guó)，為了防止竊能現(xiàn)象，一般在供水管道上安裝流量傳感器。 這種方法計(jì)算簡(jiǎn)便，尤其是當(dāng) pc 為常數(shù)時(shí)，可以 消除了許多不利的影響因素，這樣就可以既簡(jiǎn)單又可以很準(zhǔn)確的計(jì)算熱量。 特別注意的一點(diǎn)是，處理熱焓時(shí)的修正系數(shù) k 和進(jìn)口、出口的溫度是相關(guān)的，隨著溫度的變化時(shí)變化的：當(dāng)進(jìn)水口或者出水口的溫度不相同時(shí)，即便進(jìn)出口的溫度差相同，流經(jīng)住戶相同的水量給用戶提供的總熱量也是不相同的。測(cè)流量的流量計(jì)和測(cè)溫度的溫度傳感器要嚴(yán)格按照規(guī)定 進(jìn)行安裝：熱量測(cè)量表是裝在回水的管道上的，但是這一安裝規(guī)定不能有效地預(yù)防用戶對(duì)熱量的偷盜行為，所以是不合適的。所 以就不考慮壓力的影響，統(tǒng)一取水壓為 aMP 條件下的水的熱焓值和比熱容為標(biāo)準(zhǔn)值。本課題在進(jìn)行熱流量進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，使用的計(jì)算方法是熱焓值法，這就有效地避免了歐洲常用的 K 系數(shù)計(jì)算法時(shí)出現(xiàn)的流量表必須要安裝在回水管道上的劣勢(shì)，使得計(jì)算的熱量值更準(zhǔn)確、更符合實(shí)際 [19]。 (3) 可支配 功能 :一般，當(dāng)用戶使用完熱量時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的做出反應(yīng)，比如說會(huì)自動(dòng) 關(guān)閉 供熱開關(guān) ， 直到用戶購買一定量的熱量后，才會(huì)在插入 IC 卡后有所反應(yīng)。 (5) 耗能低 :在系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置低耗模式，當(dāng)用戶不進(jìn)行操作時(shí)， PIC 自動(dòng)設(shè)置為低功耗模式。 (3) 系統(tǒng)的低功耗問題。最后介紹其它的輔助設(shè)備和傳輸線路等，繪出具體的流程圖 。 4) 溫度采集模塊：由 Pt1000 鉑電阻來完成供水溫度和回水溫度實(shí)時(shí)采集。 8) IC 卡電路： 操作 IC 卡的讀寫，完成 IC 卡與熱量表之間的數(shù)據(jù)傳輸。 12) 鍵盤電路：選擇和 提取數(shù)據(jù)，通過顯示器便于操作者直觀的觀察熱量表。要考慮是否有便捷的編譯工具、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的程序?qū)懭牍ぞ咭约靶枰獑纹瑱C(jī)廠商的技術(shù)服務(wù)等因素，以便日后做系列化的開發(fā)。當(dāng)單片機(jī)存在有較多外圍電路時(shí)，對(duì)其驅(qū)動(dòng)能力的要求就比較高。 （ 6）盡量選擇集成芯片，一方面可靠性較強(qiáng)，另一方面使用起來也很簡(jiǎn)單。 熱量表的核心器件說明 微控制器 (PIC16C74) 1. PIC16C74 芯片的主要特點(diǎn)如下 [20]： 【 1】 具有 RISC 特點(diǎn)的高性能 CPU 。 【 5】 4K ROM、 192 字節(jié) RAM。 【 9】 上電復(fù)位 (POR)。具有程序保密位，可防止未經(jīng)允許的拷貝。 【 16】 16位 PM/ W/捕 捉 比 較 模塊。 【 19】 串行通訊外設(shè) ? ?SCI/USART 。 RP1： RP0(STATUS6:5) =00Bank0 =01Bank1 =10Bank2 =11Bank3 每頁（ Bank ）的地址范圍是 00 7 F 12 8到 （ 個(gè) 字 節(jié) ），每頁的詳細(xì)地址分布見于本文最后附錄 1。 TIMER2 模式： 8 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，有前預(yù)分器和后預(yù)分器之分，作為 PWM 基本功能定時(shí)器模塊。正常工作期間， WDT 的溢出會(huì)導(dǎo)致元件復(fù)位；而在 SLEEP 期間 WDT 的溢出將會(huì)激活芯片以維持程序正常工作。 1. SLE4442 功能介紹 [19]: SLE4442 可分成三部分：用戶存儲(chǔ)器，保護(hù)存儲(chǔ)器和保密存儲(chǔ)器。 1~3 字節(jié)為密碼。圖 為數(shù)據(jù)輸出時(shí)序圖。具體命令見表 32 。 PDC 605 LCM型 的驅(qū)動(dòng)器來自臺(tái)灣和泰公司的 ? ?128 32X4段 HT1621 并內(nèi)置了存儲(chǔ)器，它的主要優(yōu)點(diǎn)在于可以驅(qū)動(dòng)多段 LCD 字符。瞬時(shí)流量的定義是在一定時(shí)間段內(nèi)經(jīng)由某一定橫截面的流量，用 l 表示；累積流量指的是一段時(shí)間內(nèi)通過某一估計(jì)截面的流量之和，用 L 表示。 因?yàn)橘|(zhì)量流量難以通過儀器測(cè)定，所以實(shí)際操作中先測(cè)量體積流量，公式 通常用作密度補(bǔ)償計(jì)入質(zhì)量流量當(dāng)中。 本設(shè)計(jì)中選用葉輪式傳熱流量計(jì)，其中流量計(jì)選用的渦輪流量計(jì)。渦輪因?yàn)槭艿竭@個(gè)力的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)。 k 單位體積流量的脈沖數(shù)，是渦輪流量計(jì)上一個(gè)常用系數(shù)。 硬件電路設(shè)計(jì) 流量計(jì)是本系統(tǒng)中的核心元件之一，除此之外電路設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。為了保證整個(gè)大系統(tǒng)的工作性能，必須搭建好無外接電路模塊的單片機(jī)系統(tǒng)，這是整個(gè)系統(tǒng)中最基本的單元。因?yàn)殡妷狠^低時(shí)相應(yīng)的晶體振動(dòng)頻率降低，起振過程時(shí)間邊長(zhǎng)或者無法起振。所以晶體選型時(shí)要滿足諧振頻點(diǎn)、負(fù)載電容等基本要求。電容的選擇要考慮兩方面的因素：第一，在允許的范圍內(nèi) C3 C的值越小越好，雖然電容 C 取 值偏大能容易使震蕩器穩(wěn)定，但是會(huì)增加起振需要的時(shí)間。 上文中提到的 R3電阻的作用是防止發(fā)生過分驅(qū)動(dòng)晶振，晶振過分驅(qū)動(dòng)能影響到晶振接觸電鍍，使其減少，導(dǎo)致頻率上升。 PIC16C74 的上電復(fù)位 R e s e t)O n P O R (P o w e r 是個(gè)與眾不同的電路。 PIC16C74 的電源是通過把電源電壓直接連接到 VDD 引腳 (【 11】腳和【 32】腳 )，且 VSS 引腳接地 (【 12】和【 31】腳 )來保證的。 (3) 省電模式：在看門狗打開時(shí)，電流不高于 A?50 ，看門狗關(guān)閉時(shí)電流不高于A?10 ；發(fā)生讀取操作時(shí)，電流小于 2mA。 (7) 編程時(shí)間短。若將芯片拉低，則器件處于選擇狀態(tài)。 【 SI 】：串行輸入。 【 VCC 】：接正電源。同時(shí)通過 R16， X25045的 WP 引腳獲得高電平， X25045 打開其所有的操作功能。這里需要指出的是 PIC 系列單片機(jī)的每一條 OI/ 管腳都能夠帶很強(qiáng)的負(fù)載，至少可以輸入或輸出 25mA 的電流。因此，在 RB6 供電時(shí)， X25045 的 RESET 引腳提的電阻保護(hù)作用由 R16提供。如表 35所 示： 表 35 X25045指令及其含義 指令名 指令格式 完成的操作 WREN 0110 0000 允許寫入 WRDI 0100 0000 禁止寫入 RSDR 0100 0000 讀狀態(tài)寄存器 WRSR 0001 0000 寫狀態(tài)寄存器、塊鎖定和看門狗 READ A8011 0000 從選定的開始地址單元中讀數(shù)據(jù) WRITE A8010 0000 向指定的物理單元