基于PIC16C73單片機的智能熱量計量表設計
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1 計量原理
根據傳熱學(xué)知識可知，1.6 Mpa壓力下，在0～95℃溫度范圍內，水的密度
ρ=1 001.093 78-0.076 73t+0.003 57t2 (1)
式中，ρ為水的密度，單位kg/m3;t為溫度，單位℃。
水的焓值為
h=27.596 1+1.529 19t+0.041 24t2 (2)
式中，h為水的焓值，單位kJ/kg。
設熱源出水口溫度為t1，回水口溫度為t2。熱源出水口焓值h1和回水口焓值h2可以由式(2)求得。熱源出水口與回水口間的焓值差為
△h=h1-h2 (3)
熱源輸出的熱量為
Q=ρ1△hV (4)
式中，Q為熱源輸出的熱量，單位kJ;V為熱源出水口輸出體積，單位m3。
在熱能計量表的熱能計量時(shí)，熱源出水口輸出體積V通常取定值，則V被稱(chēng)為熱源出水口體積流量。
通過(guò)單片機若能準確地測得熱源出水口溫度為t1和回水口溫度為t2，以及熱源出水口體積流量V，就能精確的完成熱能計量。單片機同時(shí)還完成各種數值運算、累加、儲存、顯示以及與上位機通訊等各項工作。
2 系統硬件設計
智能熱能計量表系統總體結構圖如圖1所示。
2.1 單片機
智能熱能計量表的核心是MICROCHIP公司出品的PIC16C73單片機。該芯片為8位單片機，雙列直插28腳封裝，192字節的RAM，4K字節EPROM，22個(gè)I/O口，3個(gè)定時(shí)/計數器，2個(gè)捕捉輸入/比較輸出/PWM輸出，2個(gè)串行口可設定為SPI或I2C總線(xiàn)方式，5通道高速8位A/D轉換器。自帶上電復位、上電定時(shí)器和振蕩器起振定時(shí)器，片內RC振蕩器的看門(mén)狗定時(shí)器，有程序代碼保護和省電的睡眠工作方式。由PIC16C7單片機構成的系統，能有效地減少外部元件，降低功耗、成本，增加系統可靠性。一旦程序跑飛，看門(mén)狗會(huì )自動(dòng)使系統復位，程序從頭重新執行。
2.2 數字測溫器件
常規模擬式溫度測量，需用一系列電路來(lái)完成信號調理、放大、采樣保持并進(jìn)行A/D轉換，成本較高，需要調試和校正，占用較多的硬件資源，且測量距離較短。而所使用的DALLAS公司生產(chǎn)的一總線(xiàn)式數字溫度傳感器DS18B20，具有3引腳TO—92小體積封裝形式;溫度測量范圍為-55～+125℃，可編程為12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.062 5℃，精度為±0.5℃。被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出;其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生;與單片機連接簡(jiǎn)單，提高了傳感器的可靠性。單片機與DS18B20間的測量距離與其連接電纜線(xiàn)間電容有關(guān)，通常的連接電纜由于線(xiàn)間電容較大，數字信號衰減嚴重，測溫距離一般在100 m以?xún)?。?jīng)過(guò)理論分析和實(shí)踐驗證，本裝置采用三類(lèi)雙絞線(xiàn)作為傳輸線(xiàn)，其數據線(xiàn)的絞合結構能大大減小線(xiàn)間電容，有效延長(cháng)傳輸距離，本裝置溫度傳感器有效測量距離可達400 m。
2.3 流量傳感器
熱源出水口體積流量采用自適應式磁體一干簧管傳感器，它又稱(chēng)為“推挽雙穩態(tài)”結構傳感器，其狀態(tài)只有兩個(gè)：斷開(kāi)狀態(tài)和吸合狀態(tài)，而沒(méi)有溫和緩沖的自保持過(guò)渡狀態(tài)，可以大大減小如水錘現象那樣的外界干擾，避免誤動(dòng)作輸入造成的計數誤差，工作更加穩定，計量更精確。
2.4 串行E2PROM
選用ATMEL公司出品的24C02作為存儲器。它為I2C總線(xiàn)串口E2PROM，內含2K的8位存儲單元，具有擦除/寫(xiě)入周期10萬(wàn)次和數據保留100年的高可靠性。用它來(lái)存儲累計流量、累計熱量、運行天數以及鍵盤(pán)設置參數等信息，數據掉電后不揮發(fā)。對存儲在芯片中的數據，可通過(guò)軟件利用加密算法進(jìn)行加密處理，提高安全性，擴大器件的應用范圍。
2.5 LCD液晶顯示
采用LCM08TJY8位8字加段提示符液晶顯示模塊顯示必要的信息。它內置顯示RAM，可顯示任意字段筆劃，I2C總線(xiàn)串口方式傳輸數據。低功耗，寬電壓，視角對比度可調，顯示清晰，穩定可靠，使用編程簡(jiǎn)單。通過(guò)按鍵控制可循環(huán)顯示累計熱量、累計流量、進(jìn)回水口水溫及溫差、運行天數等信息。自帶2 kHz和4 kHz蜂鳴器驅動(dòng)，可在系統故障時(shí)發(fā)出聲音報警信號。
2.6 PCF8563時(shí)鐘芯片
該芯片是PHILIPS公司推出的一款帶I2C總線(xiàn)，具有極低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片。具有4種報警功能和定時(shí)功能;內部時(shí)鐘電路、內部振蕩電路、內部低電壓檢測及兩線(xiàn)式I2C總線(xiàn)通信方式，不但簡(jiǎn)化外圍電路，而且增加了芯片的可靠性。本系統利用天報警功能以記錄系統運行天數。稍加修改即可記錄運行小時(shí)數、顯示當前時(shí)間等，進(jìn)一步增強系統功能。
2.7 MAX487通訊芯片時(shí)鐘芯片
MAX485接口芯片是Maxim公司的一種能夠實(shí)現RS-485通訊的芯片。用于RS-485與RS-422通信的低功耗收發(fā)器，它具有一個(gè)驅動(dòng)器和一個(gè)接收器，并具有限擺率驅動(dòng)器，可以有效減小EMI，降低由不恰當的終端匹配電纜引起的反射，實(shí)現最高250 kbps的無(wú)差錯數據傳輸。本設計利用該芯片可以將熱量表的實(shí)時(shí)數據上傳給管理部門(mén)的計算機。
2.8 系統電路圖
智能熱能計量表系統電路圖如圖2所示。其中的按鍵用于激活液晶顯示以及瀏覽更換希望顯示的內容。
3 系統軟件設計
軟件由主程序、中斷服務(wù)程序及各種子程序組成，其中中斷有體積流量中斷、與上位機串口通訊中斷、日期中斷和按鍵中斷。為便于程序分析使用，系統軟件采用結構化模塊程序設計方法，各模塊間采用子程序調用連接。針對單片機處理浮點(diǎn)數能力較弱的缺點(diǎn)，所有數據采用24Bit有符號數表示形式，其表示范圍絕對值可達0.5×10-127到1×101 28，精度可達2-16。體積流量則采用動(dòng)態(tài)設置，其范圍可從0.1～99.9 m3，極大的擴展了熱表的計量范圍。為了提高系統的可靠性，做到在任何情況下不丟失數據，除了硬件預防措施外，采用看門(mén)狗和軟件陷阱捕獲由于電源電壓波動(dòng)、電磁干擾等導致的程序“跑飛”，將程序引向錯誤處理程序，以恢復系統的正常運行。為了避免線(xiàn)路故障和元器件失效，系統每次讀取溫度傳感器和EEPROM都進(jìn)行檢測，一旦有故障則自動(dòng)發(fā)出蜂鳴報警和出錯顯示。系統主程序流程圖如圖3所示。體積流量中斷服務(wù)程序流程圖如圖4所示。
4 結論
智能熱能計量表采用一總線(xiàn)式數字溫度傳感器DS18B20同檢測出水、回水溫度，采用自適應式磁體一干簧管傳感器檢測出水口體積流量，再加上PIC16C73內帶看門(mén)狗功能，以及程序自檢功能，有力的提高了智能熱能計量表的可靠性、準確性和穩定性，極具實(shí)用價(jià)值。
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