【文章內容簡介】 C ρ θ )? ? ? ? （ 21） 式中 pf prc,c 為入口與出口的定壓比熱容。 vmq,q 為瞬時體積、質量流量。frρ,ρ 為入口與出口溫度下的載熱流體密度。 frθ,θ 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 Q 的計算公式如下： tVCQ ???? （ ttt回水進水 ???） （ 22） 其中： C 為水的比熱容 （ C = 67 kWh／ L ℃ ） ； V 為流過采暖設備的熱水體積； t進水 、 t回水 為流過采暖設備的兩個溫度 ； 按照設計要求， 屏幕 可以在 一段時間內顯示 耗熱量 及剩余熱量 。 剩余熱能Q 2=Q 1Q (Q 1為用戶所購買熱能和 )。 本科生畢業(yè)設計（論文） 11 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。 圖 整體設計框圖 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 5 PIC、 MSP430 等系列單片機。根據(jù)所學知識比較熟悉的是 AT89S5 S52 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 高流量檢測模塊 進水溫度檢測模塊 出水溫度檢測模塊 數(shù)據(jù)存儲模塊 時鐘模塊 微控制器 電源模塊 顯示接口模塊 鍵盤接口模塊 報警模塊 閥門控制模塊 IC 卡接口模塊 本科生畢業(yè)設計（論文） 12 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 ，鉑 電阻溫度系數(shù) 為 ／ ℃ ， 0℃ 時電阻值為 100Ω，電阻變化率為 ℃ 。采用 不銹鋼 外殼封裝，內部填充 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。 本科生畢業(yè)設計（論文） 13 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℃ ,測量分辨率為 ℃ 5）內含 64 位經(jīng)過 激光修正的只讀存儲器 ROM 6）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。 考慮到國內的特殊情況，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) 本科生畢業(yè)設計（論文） 14 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。 RS485 本科生畢業(yè)設計（論文） 15 RS485 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。 現(xiàn)場總線 CAN CAN 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)母呖煽啃裕m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€。 本科生畢業(yè)設計（論文） 16 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 C