低功耗高精度熱量計系統設計
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1 引言
多年來(lái),我國一直延續計劃經(jīng)濟時(shí)代的全福利式居民供暖體制,以居民小區為單位,共用一個(gè)控制閥,以住宅面積為熱量的計量依據,費用由居民所在單位按國家統一的標準一年一次性全額劃撥給供熱單位。隨著(zhù)改革開(kāi)放的不斷深入,人民生活水平的提高,商品意識的不斷加強,這種舊體制已遠遠不能適應當前經(jīng)濟生活的發(fā)展,其弊端也顯得越來(lái)越突出。本文針對熱量計的現狀及發(fā)展趨勢,成功設計、調試了一套用于計量熱量的智能低功耗熱量計系統。該系統充分體現了熱量計的智能化、低功耗、高精度的發(fā)展趨勢。重點(diǎn)在于溫度傳感器、流量傳感器的設計及智能化、低功耗的硬件電路設計上。
2 系統功能
最終熱量計能夠在水管進(jìn)出口有溫差,葉輪有轉動(dòng)的條件下按照設定的要求不斷的累計放熱量并通過(guò)LSD數碼管顯示出來(lái)。并能顯示各種供熱管路的給水溫度、回水溫度、給回水溫差、瞬時(shí)流量、累積流量、累積熱量、可通過(guò)鍵盤(pán)設定儀表系數及相關(guān)校準參數;通過(guò)采集器連接上位機,物業(yè)管理部門(mén)可以通過(guò)上位機監視各用戶(hù)的用熱情況。
3 熱量計的硬件電路設計
3. 1熱量計量系統原理框圖
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熱量計量系統的配置見(jiàn)圖1。該配置設計堅井內的管道為雙管式,戶(hù)內水平并聯(lián),入口設熱量計和鎖閉閥,散熱器設溫控閥。通過(guò)管路,熱水流至用戶(hù)端,經(jīng)熱傳導體(其中包括散熱器、熱量傳導體、地熱)的表面散熱冷卻后通過(guò)管道返回供暖處。熱量計的主要任務(wù)是通過(guò)計量流過(guò)熱量計的熱水的體積、進(jìn)水溫度、回水溫度,來(lái)計量該戶(hù)耗熱量。
該方案室內散熱器并聯(lián),通過(guò)溫控閥調節散熱器的流量,各散熱器之間沒(méi)有影響。在保證用戶(hù)舒適性的前提下,節能效果更加明顯,是最理想的布管方式。其缺點(diǎn)是管材部分要增加投資。本熱量計量系統的布管方式采用跨越式串聯(lián)方式?？缭绞酱?lián)方式豎井內的管道為雙管式,戶(hù)內水平跨越式串聯(lián),入口設熱量計,鎖閉閥,散熱器設溫控閥。
3.2 熱量計的硬件原理框圖
熱量計的硬件原理框圖如圖2所示,該熱量計主要由流量傳感器、配對溫度傳感器(Cu 100)、單片機及LCD組成。根據一定時(shí)間內所通過(guò)的水的流量(V)和供、回水的溫度差(4T),以及由4T所決定的熱交換算系數K,得到用戶(hù)所消耗的熱量值。
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3.3 單片機及其外圍電路設計
單片機MCS-51為主組成的基本模塊是該系統的核心部分,主要完成對系統采集到的信號進(jìn)行相關(guān)的處理,協(xié)調其他模塊,使整個(gè)系統步調一致的工作。本設計選用的是ATMR1公司生產(chǎn)的AT89C51單片機。ATMF1公司生產(chǎn)的AT89系列單片機是與8051兼容、且內部含有F上ash存儲器(閃速存儲器)的單片機,所以,AT89系列單片機也稱(chēng)Flash單片機,是目前主流的MCS-51單片機系列。單片機外圍電路主要包括復位電路、時(shí)鐘電路和串行RAM。如圖3所示:
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(1) 復位電路采用手動(dòng)復位,高電平有效。
(2) 時(shí)鐘電路使用外部獨立時(shí)鐘振蕩器所產(chǎn)生的時(shí)鐘信號,本設計采用12MHz晶振。
(3) 串行RAM用于存儲處理后數據。
3.4 溫度信號測量
溫度信號測量電路是熱量計的測溫部分,它由三端穩壓器(MC7812),溫度傳感器(Cu100)、差動(dòng)放大器(AD620)和A/D轉換器(AD1674)組成。
3.4.1溫度傳感器
本設計溫度傳感器采用銅電阻(Cul 00),利用電橋測溫法進(jìn)行溫度測量。銅熱電阻以金屬銅作為感溫元件,其特點(diǎn)是電阻溫度系數較人、精度高、價(jià)格便宜、重復性及穩定性高、使用溫度范圍是一50^-1500C,正好在家庭供暖熱水范圍內,并且在這個(gè)溫度范圍內線(xiàn)性度比較好。
3.4.2差動(dòng)放大器
AD620是低價(jià)格、高精密度儀器放大器。它只需一個(gè)外接電阻,就能方便地進(jìn)行各種增益(1-1000)的調整。該芯片具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點(diǎn),在電池供電的便攜式設備、精密的數據采集系統、ECG和醫療儀器、傳感器接口、工業(yè)過(guò)程控制、多路轉換應用系統和微控制器應用系統中的前置放大器等領(lǐng)域中獲得廣泛應用。
3.4.3 A/D轉換器
1.選用AD公司生產(chǎn)的逐次逼近式模/數轉換芯片AD1674, AD1674是美國AD公司推出的一種完整的12位并行模/數轉換單片集成電路。該芯片內部自帶采樣保持器(SHA)、10伏基準電壓源、時(shí)鐘源以及口丁和微處理器總線(xiàn)直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器。與原有同系列的AD574A!674A相比,AD1674的內部結構更加緊湊,集成度更高,工作性能(尤其是高低溫穩定性)也更好,而且可以使設計板面積人人減小,因而口J一降低成本并提高系統的可靠性。
3.4.5 溫度測量電路
圖4是溫度測量電路,采用電橋測溫法,MC7812提供穩壓電源,CONS銅電阻插口,OD620差壓放大器,!AD1674進(jìn)行A/D轉換,為避免放大器輸出電壓過(guò)大燒壞A/D轉換芯片,設有過(guò)壓保護環(huán)節。
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3.4.6 流量測量的設計
經(jīng)過(guò)綜合考慮各種因素,本設計采用變磁阻式的霍爾傳感器流量測量?jì)x,葉輪的旋轉引起霍爾元件磁阻的周期性變化,霍爾元件輸出與流量有關(guān)的電脈沖信號,經(jīng)前置放大器放大并整形送入單片機輸入端計數,工作簡(jiǎn)單可靠。通過(guò)測量霍爾集成傳感器的輸出脈沖的個(gè)數即可得到流速的大小,進(jìn)而可推知流量的大小,測量電路如圖5
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3.5 顯示部分設計
本設計顯示部分選用LED顯示器,其由發(fā)光二極管組成,采用動(dòng)態(tài)顯示方法;74LS438實(shí)現位選,CD4534段選。
4 熱量計軟件設計
系統軟件采用模塊化編程方法由初始化主程序、中斷服務(wù)子程序、溫度測量子程序、流量測量子程序、熱量計量子程序、顯示子程序、按鍵子程序和軟件的低功耗設計組成。初始化程序對特殊狀態(tài)寄存器賦值、啟動(dòng)數碼顯示和A/D轉換等。初始化主程序主要用來(lái)對單片機的一些寄存器、工/0口等的初始狀態(tài)進(jìn)行設置,對一些兀芯片的電源進(jìn)行開(kāi)/關(guān)。如初始化堆棧指針,關(guān)中斷,停止看門(mén)狗,清除中斷標志等;對系統進(jìn)行校準,對一些重要參數校準存儲,如溫度電橋電阻,運算放大器放大倍數,零點(diǎn)漂移;接著(zhù)程序進(jìn)入主循環(huán),開(kāi)啟中斷,進(jìn)入低功耗模式,等待中斷喚醒。初始化主程序框圖如圖6
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5系統通訊部分設計
熱量計系統采用集散型控制系統的形式:智能化物業(yè)管理中心的PC機作為上位機一可以按照設定的抄存項目、起始時(shí)間和時(shí)間間隔,定時(shí)、自動(dòng)抄收存儲在采集器中的凍結數據或實(shí)時(shí)數據,可以打印成報表和計費發(fā)票,也可以生成數據文件提交給其它應用系統,進(jìn)行在線(xiàn)管理、平衡和分析;采集器接收上位機發(fā)來(lái)的命令,根據命令將各臺戶(hù)機的測量值及工作狀態(tài)報送上位機。采集器是聯(lián)系用戶(hù)家中的戶(hù)機和管理中心的PC機之間的紐帶。
6 小結與本文作者創(chuàng )新點(diǎn):
本文設計的熱量計是內嵌微處理器的智能化測量?jì)x表,與傳統的機械式儀表相比具有結構簡(jiǎn)單、安全可靠、實(shí)時(shí)性好、靈敏度高;功耗低,整個(gè)系統的動(dòng)態(tài)功耗只有50uA左右,靜態(tài)功耗僅luA左右,很好的保證了使用電池供電5年以上;操作簡(jiǎn)便,用戶(hù)通過(guò)一個(gè)按鍵就可以查詢(xún)所有數據和信息,并在LCD上顯示出來(lái),結果直觀(guān)。和傳統儀表相比成本大大降低,而且抗干擾性好、安裝維護方便、測量精度高,具有較高的性能/價(jià)格比。
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