基于ARM的熱量計(jì)設(shè)計(jì)

1、基于ARM的熱量計(jì)設(shè)計(jì)摘 要民用住宅的暖氣計(jì)量一直是供暖技術(shù)中的一個(gè)重要問(wèn)題，現(xiàn)有的按使用面積收費(fèi)的方式存在著許多不合理的因素。為解決這一問(wèn)題，本文介紹了一種新型的熱量計(jì)，該熱量計(jì)是基于ARM，主要由流量傳感器、溫度傳感器、LPC2103三部分組成。本文詳細(xì)闡述了熱量計(jì)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，介紹了相應(yīng)的抗干擾措施，并對(duì)誤差來(lái)源作了簡(jiǎn)要的分析。熱量計(jì)是實(shí)施城市供熱體制改革，推行按熱量收費(fèi)的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)熱量消耗全部智能計(jì)算，以用戶(hù)實(shí)際耗用熱量為計(jì)量收費(fèi)依據(jù)。熱量計(jì)作為熱力公司向每一位住戶(hù)收費(fèi)的依據(jù)和手段，不僅已廣泛被用戶(hù)所接受，而且由于用熱量與費(fèi)用直接相關(guān)，也加強(qiáng)了住戶(hù)的節(jié)能意識(shí)。用熱量計(jì)進(jìn)行熱計(jì)量更

2、為科學(xué)、合理，既方便用戶(hù)，又便于管理。關(guān)鍵詞:熱量計(jì)，ARM，熱量，溫度傳感器，流量傳感器The Design of Calorimeter Based on ARM ABSTRACT The calculation of heat in civilian buildings has continuously been a difficult problem in the heating system. The traditional method of collecting fees by the space of rooms leaves much problem to be solved

3、. In order to solve this problem，a new type of calorimeter is introduced, which is based on ARM and mainly consists of flow sensor, temperature sensor and ARM. In this paper the design of hardware and software are expounded in detail, the inference-resistant measures are presented and the causes of

4、error are analysed. The calorimeter is a crucial equipment which implements the system reform ofurban heat supply and charges according to heat. It measures and charges on the basis of the users consumption of heat actually. The administration adopt calorimeter to measure heat that not only facilita

5、tes the users，but easy to manage.KEY WORDS : calorimeter, ARM，quantity of heat，temperature sensor , flowsensor目 錄摘要IABSTRACTII1 緒論11.1 選題背景11.2 熱量計(jì)概述21.3 熱量計(jì)類(lèi)型和發(fā)展21.4 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況31.5 本文研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)52 熱量計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)62.1 熱量計(jì)量系統(tǒng)原理框圖62.2 熱量計(jì)的硬件原理框圖62.3 外圍電路設(shè)計(jì)72.4 溫度測(cè)量電路82.4.1 溫度傳感器82.4.2 DS18B2082.4.3 溫度測(cè)量電路圖112.5 流

6、量測(cè)量電路112.5.1 流量測(cè)量原理112.5.2 霍爾流量傳感器142.5.3 測(cè)量電路與輸出特性142.6 顯示電路設(shè)計(jì)162.7 電源設(shè)計(jì)162.8 傳輸模塊設(shè)計(jì)182.9 本章小結(jié)193 熱量計(jì)軟件設(shè)計(jì)203.1 初始化主程序203.2 溫度測(cè)量子程序203.3 流量測(cè)量子程序213.4 熱量計(jì)量子程序233.5 顯示子程序233.6 本章小結(jié)244 系統(tǒng)通訊部分設(shè)計(jì)254.1 串行通信接口254.1.1 RS232接口254.1.2 RS422，RS485接口254.2 通訊方式選擇254.3 本章小結(jié)265 抗干擾設(shè)計(jì)275.1 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)275.2 硬件抗干擾275.3 誤

7、差分析275.3.1 誤差來(lái)源275.3.2 誤差影響（舉例）286 結(jié)論與展望29致 謝30參考文獻(xiàn)31附錄321 緒論1.1 選題背景我國(guó)是一個(gè)能源大國(guó)，每一天能源的消耗與轉(zhuǎn)換不計(jì)其數(shù)，故保證高效的能源利用率一直以來(lái)都是國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的重大課題，而熱量計(jì)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用更是首當(dāng)其沖。當(dāng)前，建筑節(jié)能在世界上蓬勃興起，成為大家關(guān)心的熱點(diǎn)。我國(guó)的建筑能耗很高，是發(fā)達(dá)國(guó)家的3倍多，而城市供暖又是建筑能耗的主要部分，發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用了能夠調(diào)節(jié)和控制的供熱系統(tǒng)，鍋爐和管網(wǎng)熱效率特別高。城市供熱正在邁出改革步伐，迫切需要高新計(jì)量設(shè)備進(jìn)入供熱領(lǐng)域，改變我國(guó)城市目前采暖技術(shù)的落后局面。 多年來(lái)，我國(guó)一直沿用舊

8、的居民供暖體制，以居民小區(qū)為單位，共用一個(gè)控制閥，以住宅面積為熱量的計(jì)量依據(jù)收取供暖費(fèi)用。隨著人民生活水平的提高，商品意識(shí)的不斷加強(qiáng)，這種舊體制已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)生活的發(fā)展，其弊端也是顯得越來(lái)越突出。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及個(gè)人需求的提高，對(duì)供暖質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，越來(lái)越多樣化，如有的人寧愿多花錢(qián)，來(lái)享受一個(gè)暖冬，而有的人依據(jù)自身?xiàng)l件喜歡經(jīng)濟(jì)一點(diǎn)，過(guò)得去就行。居民住房越來(lái)越大而人口越來(lái)越少，暫時(shí)無(wú)人住的房間希望不供暖或低溫就行，但不論何種需要有一點(diǎn)是共同的，就是希望供暖也能象商品一樣，花多少錢(qián)，享受多少熱量，明碼實(shí)價(jià)，錢(qián)花得其所。而現(xiàn)在所有的供暖方式，只要是同一個(gè)供暖單位供熱，就只能一個(gè)樣，根

9、本無(wú)法依住戶(hù)的需要自行調(diào)節(jié)。隨著改革深入發(fā)展，多種經(jīng)濟(jì)形式并存，非國(guó)有企業(yè)日漸增多，各單位經(jīng)濟(jì)效益及個(gè)人收入的差別也越來(lái)越大。拖欠取暖費(fèi)的情況越來(lái)越多，造成各地區(qū)收費(fèi)困難。有的地方收不上費(fèi)只好不供暖，而現(xiàn)有的供暖方式是全小區(qū)或一棟樓一個(gè)控制閥，無(wú)法區(qū)別對(duì)待繳費(fèi)與不繳費(fèi)的住戶(hù)，造成大范圍停止供暖。供熱由供熱單位單一方支配，隨意性強(qiáng)，缺少制約機(jī)制。在現(xiàn)有的供熱體制下，取暖費(fèi)交給供熱單位后，這一冬季居民室的冷暖全在供熱單位的控制下，無(wú)法建立有效的監(jiān)督機(jī)制，用戶(hù)處在被動(dòng)受暖地位，導(dǎo)致供熱質(zhì)量逐年下降，供熱單位與用戶(hù)的矛盾也日益加深，投訴電話逐年增加。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有的大鍋飯式供暖體制必須改革，讓供暖走向

10、市場(chǎng)，把熱量回歸為商品，讓人們對(duì)熱量的需求如同對(duì)普通商品的需求一樣，多花錢(qián)多買(mǎi)，少花錢(qián)少買(mǎi)。民用住宅的暖氣計(jì)量一直是供暖技術(shù)中的一個(gè)重要問(wèn)題，現(xiàn)有的按使用面積收費(fèi)的方式存在著許多不合理的因素。熱量計(jì)是實(shí)施城市供熱體制改革，推行按熱量收費(fèi)的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)熱量消耗全部智能計(jì)算，以用戶(hù)實(shí)際耗用熱量為計(jì)量收費(fèi)依據(jù)。熱量計(jì)作為熱力公司向每一位住戶(hù)收費(fèi)的依據(jù)和手段，不僅已廣泛被用戶(hù)所接受，而且由于用熱量與費(fèi)用直接相關(guān)，也加強(qiáng)了住戶(hù)的節(jié)能意識(shí)。用熱量計(jì)進(jìn)行熱計(jì)量更為科學(xué)、合理，既方便用戶(hù)，又便于管理。1.2 熱量計(jì)概述按熱量計(jì)費(fèi)，必須具備適用的熱量計(jì)量工具，而熱量計(jì)就是建立在分戶(hù)計(jì)量的基礎(chǔ)上，通過(guò)測(cè)量流經(jīng)散熱

11、器的熱媒總量以及當(dāng)時(shí)的溫度計(jì)算熱量的損失，熱量計(jì)量器具實(shí)現(xiàn)把熱量作為一種商品供應(yīng)千家萬(wàn)戶(hù)。一戶(hù)一表，一戶(hù)一閥，利用數(shù)據(jù)傳送，采用戶(hù)內(nèi)計(jì)量，戶(hù)外統(tǒng)一抄表的方式。一個(gè)完整的熱量計(jì)由三個(gè)部分組成:流量傳感器，用以測(cè)量流經(jīng)熱交換系統(tǒng)的熱水流量;配對(duì)溫度傳感器，分別測(cè)量供暖進(jìn)水和回水溫度;計(jì)算顯示器，根據(jù)與其相連的流量傳感器和溫度傳感器提供的流量和溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)熱量公式計(jì)算出用戶(hù)從熱交換系統(tǒng)獲得的熱量。一般都顯示輸出總耗熱量、總耗水量、瞬時(shí)熱量、瞬時(shí)流量、供回水溫度、溫差、最高溫度、時(shí)間等參數(shù)。其技術(shù)參數(shù)還有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)性能、傳輸數(shù)據(jù)性能、壽命與可靠性、自備電源或電池等。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上廣泛使用的自動(dòng)熱量計(jì)

12、是以通用微機(jī)為操作平臺(tái)的微機(jī)熱量計(jì)。這種熱量計(jì)結(jié)合了傳感器、數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制多種技術(shù)，再配以運(yùn)行在PC機(jī)上的友好人機(jī)界面，給用戶(hù)提供了豐富的功能及簡(jiǎn)便的操作環(huán)境。這種微機(jī)熱量計(jì)普遍采用Intel或兼容的硬件及Windows操作系統(tǒng)(即Winiel架構(gòu))，具體實(shí)現(xiàn)上主要分為兩種形式:l)基于板卡的集中式微機(jī)熱量計(jì) 具體做法是將一塊采用ISA或PCI總線的板卡插入計(jì)算機(jī)中，儀器將所需的外部數(shù)據(jù)信號(hào)、控制信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線引至已插入計(jì)算機(jī)插槽內(nèi)板卡的擴(kuò)展端口上，通過(guò)定制的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)各種功能。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是成本較低、速度快;缺點(diǎn)也比較明顯:安裝復(fù)雜，板卡易受機(jī)箱內(nèi)電磁環(huán)境的干擾，同時(shí)受到插槽的數(shù)量

13、限制，擴(kuò)展性不強(qiáng)。2)基于串行通信的分布式微機(jī)熱量計(jì) 這種類(lèi)型的微機(jī)熱量計(jì)分為下位機(jī)儀器和上位機(jī)應(yīng)用程序兩大部分。下位機(jī)是以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，上位機(jī)應(yīng)用程序通過(guò)特定的通用總線(如RS232、RS485)和下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是易維護(hù)、可靠性高;缺點(diǎn)是速度低、受計(jì)算機(jī)串口數(shù)量限制，不能實(shí)現(xiàn)一機(jī)多控。1.3 熱量計(jì)類(lèi)型和發(fā)展按照熱量計(jì)計(jì)量原理(流量測(cè)量方式)的不同，戶(hù)用型熱量計(jì)可以分為葉輪式、渦輪式、壓差式、電磁式、超聲波式等種類(lèi)。這類(lèi)儀表可直接測(cè)得熱量，屬必須校正的儀表。因?yàn)樗膬r(jià)格較貴，不可能按房間來(lái)安裝，一般都是按戶(hù)來(lái)安裝，對(duì)居民用戶(hù)通常都是采用小型的，標(biāo)準(zhǔn)

14、流量為0.6立方米/小時(shí)的熱量計(jì)。葉輪式熱量計(jì)是通過(guò)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量水的流量，按流速的形式分為單流速式和多流速式兩種。單流速式主要優(yōu)點(diǎn)是體積小，質(zhì)量輕，外形美觀，但由于流量?jī)H從一個(gè)方向沖擊葉輪，對(duì)葉輪和軸的材質(zhì)要求較高，同時(shí)由于其腔體較小，對(duì)熱水的水質(zhì)要求較高。多流速式主要優(yōu)點(diǎn)是，由于流量從多個(gè)方向沖擊葉輪，對(duì)葉輪和軸的材質(zhì)要求相對(duì)較低，其腔體較大，內(nèi)置過(guò)濾網(wǎng)，極大提高了抗污水的能力。葉輪式熱量計(jì)具有耗電少、抗干擾性好、安裝維護(hù)方便和價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，其測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)工作條件的要求相對(duì)不高，因此現(xiàn)在應(yīng)用的比較多，在戶(hù)用表中普遍采用，在熱水管網(wǎng)的熱計(jì)量中占據(jù)主導(dǎo)地位。如法國(guó)和德國(guó)，葉輪式

15、熱量計(jì)的比例高達(dá)90%，但是葉輪式熱量計(jì)在水中雜質(zhì)較多時(shí)精度會(huì)受到較大的影響。超聲波式熱量計(jì)是通過(guò)超聲波射線直射或反射的方法測(cè)量熱水的流量，其測(cè)量腔體內(nèi)部沒(méi)有任何可動(dòng)部件，對(duì)介質(zhì)的成分沒(méi)有要求。超聲波式的優(yōu)點(diǎn)是量程大、計(jì)量精度較高、壓力損失較小，但是易受管壁銹蝕程度、水中泡沫或雜質(zhì)含量、管道震動(dòng)的影響，尤其是當(dāng)測(cè)量腔體內(nèi)存在結(jié)垢時(shí)將極大地降低測(cè)量精度，而且成本較高，功耗較大，在戶(hù)用表中用量較少。電磁式熱量計(jì)是按法拉第定律測(cè)量熱水的流量，其測(cè)量腔體內(nèi)部沒(méi)有任何可動(dòng)部件。戶(hù)用型熱量計(jì)普遍采用的結(jié)構(gòu)形式是緊湊型，即將進(jìn)水溫度探頭與流量計(jì)一體，回水溫度探頭與之分開(kāi)，計(jì)算顯示器可與流量計(jì)裝在一體，亦可拆

16、下。這種結(jié)構(gòu)靈活，不受安裝空間限制;缺點(diǎn)在于安裝調(diào)試較麻煩，其暴露的溫度探頭使熱能易于被盜。一體化熱量計(jì)把流量計(jì)，進(jìn)水溫度傳感器，回水溫度傳感器和計(jì)算顯示器做在了一體，這種結(jié)構(gòu)安裝簡(jiǎn)單，無(wú)需調(diào)試，而且成本低廉，其掩埋式的溫度探頭和新穎的積分溫度差算法，極大的降低了“竊能”的可能;缺點(diǎn)在于對(duì)安裝尺寸有較高的要求。從熱量計(jì)的組成可以看出，制造熱量計(jì)的技術(shù)比電表、水表、煤氣表等要復(fù)雜。只有采用高質(zhì)量的熱量計(jì)，并綜合考慮其經(jīng)濟(jì)性、耐用性、可維修性等性能指標(biāo)，才能達(dá)到供熱計(jì)量及按熱量收費(fèi)的目的。1.4 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況國(guó)外，熱量是以商品進(jìn)入市場(chǎng)的。歐洲早在20世紀(jì)二十年代就開(kāi)始進(jìn)行按戶(hù)計(jì)量，八十年代已全面

17、實(shí)行集中供暖按戶(hù)計(jì)量網(wǎng)。美國(guó)到八十年代末期應(yīng)用的熱量計(jì)量?jī)x表己達(dá)到250萬(wàn)臺(tái)。七十年代末出現(xiàn)的能源危機(jī)及能源消耗加大環(huán)境污染，使得節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境成了舉世矚目的大事，促進(jìn)了發(fā)達(dá)國(guó)家供熱計(jì)量技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展。德國(guó)規(guī)定每棟樓必須安裝熱量計(jì)，每組換熱器必須安裝溫控閥和熱計(jì)量裝置。在法國(guó)1980年公布的熱計(jì)量收費(fèi)法規(guī)中，也明確制定了每棟樓必須安裝熱計(jì)量表，不允許按面積收費(fèi)。收費(fèi)方法也作了明確規(guī)定:生活熱水按熱水表計(jì)量收費(fèi)，采暖熱費(fèi)則要分兩部分收取，其中30-40%為按建筑面積計(jì)算，60-70%按消耗的熱量計(jì)算。我國(guó)早在1986年開(kāi)始試行第一部建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。僅單位建筑面積采暖能耗為發(fā)達(dá)國(guó)家新建建筑的

18、3倍以上，而且空調(diào)系統(tǒng)的能耗也居高不下。事實(shí)上，造成大量能源浪費(fèi)的原因，除體制方面的原因外，還在于傳統(tǒng)的按面積繳納熱費(fèi)或冷氣費(fèi)的做法無(wú)形中縱容了“高能耗”的行為。“高能耗”造成了熱費(fèi)收繳困難等問(wèn)題。由于我國(guó)熱計(jì)量方面的研究處于起步階段，存在一定程度上的盲目性與試探性，研究中出現(xiàn)了一些問(wèn)題與爭(zhēng)議，比如國(guó)外的熱計(jì)量方式與推廣經(jīng)驗(yàn)是否適合中國(guó)國(guó)情？國(guó)外的熱計(jì)量產(chǎn)品能否在中國(guó)完全適用？什么樣的系統(tǒng)能夠應(yīng)用計(jì)量？面對(duì)我國(guó)如此大的市場(chǎng)需求，開(kāi)發(fā)什么產(chǎn)品、采用什么系統(tǒng)方式能夠經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、可靠，在達(dá)到節(jié)能目的的同時(shí)，滿(mǎn)足舒適需要？等等，這些都需要我們進(jìn)行更深入地研究和探討。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多部門(mén)做了大量有效的

19、工作，在居住建筑建立適合熱量計(jì)量的供熱系統(tǒng)以及熱量計(jì)量方法方面做了一些示范工程，進(jìn)行了有益的探索，取得了一定的成效。目前，國(guó)內(nèi)不少單位根據(jù)建筑采暖必須計(jì)量收費(fèi)的原則，已著手研究開(kāi)發(fā)建筑節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品，引進(jìn)、消化、研制相關(guān)的控制手段和儀表。天津、北京、哈爾濱等城市的供熱單位已經(jīng)以不同規(guī)模，不同供熱計(jì)量方式進(jìn)行了試驗(yàn)，并取得了可喜的成績(jī)。另外，熱計(jì)量產(chǎn)品方面，一方面，國(guó)外大公司如:何德魯美、Hnoeywell、西門(mén)子、斯倫貝謝等大舉進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，另一方面，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)全面進(jìn)入起步階段，熱計(jì)量產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)工作發(fā)展很快，己經(jīng)有數(shù)家企業(yè)開(kāi)發(fā)出類(lèi)似產(chǎn)品。目前國(guó)外在供熱工程中采用的熱計(jì)量方式可分為4種，每

20、種方式都有其自身的技術(shù)特點(diǎn)，成本效益各不相同。 方式A:樓棟熱表 整棟樓的熱耗由安裝在熱力入口的一塊熱量計(jì)計(jì)量，并以此計(jì)算整棟樓的熱費(fèi)，每戶(hù)按面積分?jǐn)偂１痉椒捎糜诟鞣N供熱系統(tǒng)。芬蘭等國(guó)采用此方法進(jìn)行供熱計(jì)量。 方式B:熱分配表戶(hù)內(nèi)每個(gè)散熱器的散熱量由蒸發(fā)式或電子式熱分配表計(jì)量，整棟樓安裝熱量計(jì)，每戶(hù)的耗熱量按照分配表的讀數(shù)進(jìn)行分?jǐn)?。由于熱分配表安裝在獨(dú)立的散熱器上，對(duì)供熱系統(tǒng)的管路形式?jīng)]有特殊的要求。為了保證熱分配表更好地工作，必須按照標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)廠家的要求確定其安裝位置。在德國(guó)、瑞士、丹麥、奧地利、波蘭等國(guó)家中，熱分配表得到了普遍的應(yīng)用。熱分配表分為蒸發(fā)式和電子式兩種。兩種熱分配表都是間接計(jì)

21、量散熱器的散熱量，蒸發(fā)式分配表主要是通過(guò)計(jì)量蒸發(fā)液來(lái)計(jì)算散熱器的散熱量;電子式分配表則主要是通過(guò)采集散熱器表面溫度，并利用散熱器散熱量計(jì)算公式來(lái)計(jì)量散熱量。電子式分配表有很多優(yōu)點(diǎn)，如計(jì)量準(zhǔn)確，不計(jì)量沒(méi)有使用的散熱器的熱量，數(shù)據(jù)可以遠(yuǎn)傳，消除了入戶(hù)查表的麻煩。 方式C:熱水流量表 整棟樓安裝熱量計(jì)，每個(gè)住戶(hù)的耗熱量根據(jù)安裝在住戶(hù)入口管道上的熱水表計(jì)量的熱水流量進(jìn)行分?jǐn)偂Ｍǔ崴戆惭b在按戶(hù)分環(huán)的雙管系統(tǒng)中。韓國(guó)是惟一一個(gè)法定用熱水表進(jìn)行熱計(jì)量的國(guó)家，由于該國(guó)國(guó)內(nèi)普遍采用大流量、小溫差的低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)，所以按熱水表計(jì)量的熱水流量進(jìn)行熱量分?jǐn)偩群芨摺?方式D:戶(hù)用熱量計(jì) 戶(hù)用熱量計(jì)安裝在

22、按戶(hù)分環(huán)系統(tǒng)中。戶(hù)用熱量計(jì)既可以作為熱費(fèi)分?jǐn)偟挠?jì)算依據(jù)，又可以直接用于供熱單位與熱用戶(hù)結(jié)算熱費(fèi)。雖然上述4種方式都能用于計(jì)算用戶(hù)耗熱，但準(zhǔn)確性、易用性和經(jīng)濟(jì)性卻存在差異。國(guó)內(nèi)試驗(yàn)的計(jì)量方法及儀表基本是采用了國(guó)外的計(jì)量方式A和計(jì)量方式C。同時(shí)也試驗(yàn)了我國(guó)提出平均溫差法和變溫差法。國(guó)內(nèi)試驗(yàn)工程中使用的儀表有:葉輪式熱量計(jì)、超聲波式熱量計(jì)、磁感應(yīng)式熱量計(jì)、蒸發(fā)式和電子式熱量分配表。世界各國(guó)已經(jīng)越來(lái)越重視按戶(hù)計(jì)量收費(fèi)，我國(guó)己在多個(gè)城市進(jìn)行了按戶(hù)計(jì)量的試驗(yàn)工程，一些城市己開(kāi)始以各種手段促進(jìn)這一技術(shù)的發(fā)展。1.5 本文研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)本文針對(duì)熱量計(jì)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，在閱讀了大量文獻(xiàn)及資料的基礎(chǔ)上，成功設(shè)計(jì)、

23、調(diào)試了一套用于計(jì)量熱量的智能低功耗熱量計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分體現(xiàn)了熱量計(jì)的智能化、低功耗、高精度的發(fā)展趨勢(shì)，把智能化技術(shù)應(yīng)用于新型的超低功耗熱量計(jì)的設(shè)計(jì)中。其中，重點(diǎn)在于溫度傳感器、流量傳感器的設(shè)計(jì)及智能化上。除此以外，在軟件的設(shè)計(jì)上也盡量使系統(tǒng)的電流消耗達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)低功耗。最終熱量計(jì)能夠在水管進(jìn)出口有溫差，葉輪有轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下按照設(shè)定的要求不斷的累計(jì)放熱量并通過(guò)LED數(shù)碼管顯示出來(lái)。通過(guò)采集器連接上位機(jī)，物業(yè)管理部門(mén)可以通過(guò)上位機(jī)監(jiān)視各用戶(hù)的用熱情況。 2 熱量計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)2.1 熱量計(jì)量系統(tǒng)原理框圖該配置設(shè)計(jì)豎井內(nèi)的管道為雙管式，戶(hù)內(nèi)水平并聯(lián)，入口設(shè)熱量計(jì)和鎖閉閥，散熱器設(shè)溫控閥。通過(guò)管路

24、，熱水流至用戶(hù)端，經(jīng)熱傳導(dǎo)體(其中包括散熱器、熱量傳導(dǎo)體、地?zé)?的表面散熱冷卻后通過(guò)管道返回供暖處。熱量計(jì)的主要任務(wù)是通過(guò)計(jì)量流過(guò)熱量計(jì)的熱水的體積、進(jìn)水溫度、回水溫度，來(lái)計(jì)量該戶(hù)耗熱量。該方案室內(nèi)散熱器并聯(lián)，通過(guò)溫控閥調(diào)節(jié)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(jié)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。 圖2-1 水平并聯(lián)系統(tǒng)圖適合熱量計(jì)量系統(tǒng)的布管方式還有水平串聯(lián)方式和跨越式串聯(lián)方式。水平串聯(lián)方式設(shè)計(jì)豎井內(nèi)的管道為雙管式，戶(hù)內(nèi)水平串聯(lián)，入口設(shè)熱量計(jì)和鎖閉閥;跨越式串聯(lián)方式豎井內(nèi)的管道為雙管式，戶(hù)內(nèi)水平跨越式串聯(lián)，入口設(shè)熱量計(jì)，鎖閉閥，散熱器設(shè)溫

25、控閥。水平串聯(lián)方式與水平串聯(lián)跨越方式的不同之處是散熱器之間沒(méi)有跨越管，主干管的全部流量都流過(guò)散熱器，單個(gè)散熱器無(wú)法調(diào)節(jié)，因此房間的舒適度下降，且達(dá)不到節(jié)能效果。其特點(diǎn)是沒(méi)有溫控閥，減少了設(shè)備投資，將室內(nèi)供回水主管設(shè)在該層地面附近側(cè)墻的溝槽內(nèi)?？缭绞酱?lián)方式溫控閥可以對(duì)各散熱器熱量進(jìn)行調(diào)節(jié);鎖閉閥主要用于室內(nèi)散熱器檢修時(shí)關(guān)閉管道供熱。2.2 熱量計(jì)的硬件原理框圖熱量計(jì)的硬件原理框圖如圖2-2所示，該熱量計(jì)主要由流量傳感器、溫度傳感器、單片機(jī)及LED組成。根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)所通過(guò)的水的流量(V)和供、回水的溫度差(AT)，以及由AT所決定的熱交換系數(shù)K，得到用戶(hù)所消耗的熱量值。流量傳感器進(jìn)水溫度傳感器

26、出水溫度傳感器 A R M信息顯示實(shí)驗(yàn)控制 結(jié)果處理其他功能圖2-2 熱量計(jì)硬件原理框圖2.3 外圍電路設(shè)計(jì)單片機(jī)外圍電路主要包括復(fù)位電路，時(shí)鐘電路和晶振電路。圖2-3 外圍電路設(shè)計(jì)1)復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位，高電平有效。2)晶振采用11.0592MHz3)外部時(shí)鐘采用32.768kHz2.4 溫度測(cè)量電路2.4.1 溫度傳感器溫度傳感器一般分為接觸式和非接觸式兩大類(lèi)。所謂接觸式就是傳感器直接與被測(cè)物體接觸并進(jìn)行溫度測(cè)量，這是溫度測(cè)量的基本形式。這種方式的特點(diǎn)是由于通過(guò)接觸方式把被測(cè)物體的熱量傳遞給傳感器，從而降低被測(cè)物體的溫度，尤其是被測(cè)物體熱容量較小時(shí)，測(cè)量精度較低。因此采用這種方式要測(cè)得物

27、體的真實(shí)溫度，前提條件是被測(cè)物體的熱容量要足夠大于溫度傳感器的熱容量。 非接觸方式是測(cè)量物體熱輻射而發(fā)出的紅外線從而測(cè)量物體的溫度。適合于熱量計(jì)的溫度傳感器有熱電偶傳感器、熱電阻傳感器、PN結(jié)溫度傳感器、集成溫度傳感器等。 熱電偶是根據(jù)熱電效應(yīng)的原理制成的，其特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、測(cè)量范圍廣、準(zhǔn)確度高;缺點(diǎn)是要有溫度補(bǔ)償，長(zhǎng)期使用要定期檢查和更換。熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化來(lái)測(cè)量溫度的一種溫度敏感元件，特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，靈敏度高，測(cè)量范圍大，無(wú)需參考點(diǎn)。PN結(jié)溫度傳感器是利用晶體管基極一發(fā)射極的正向壓降隨溫度變化的特性而制成的溫度敏感元件，其特點(diǎn)是線性好、響應(yīng)快、體積小

28、和使用方便。集成溫度傳感器是把溫敏元件、偏置電路、放大電路及線性化電路集成在同一芯片上的溫度傳感器，其特點(diǎn)是使用方便、外圍電路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠;2.4.2 DS18B20該產(chǎn)品采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。 1）技術(shù)性能描述 獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。 測(cè)溫范圍 55+125，固有測(cè)溫分辨率0.5。 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個(gè)

29、，如果數(shù)量過(guò)多，會(huì)使供電電源電壓過(guò)低，從而造成信號(hào)傳輸?shù)牟环€(wěn)定，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。工作電源: 35V/DC。 在使用中不需要任何外圍元件。 測(cè)量結(jié)果以912位數(shù)字量方式串行傳送。 不銹鋼保護(hù)管直徑6。適用于DN1525, DN40DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測(cè)溫 。標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋“M10X1, M12X1.5,G1/2”任選。 PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線,便于與其它電器設(shè)備連接。 2）應(yīng)用范圍 該產(chǎn)品適用于冷凍庫(kù)，糧倉(cāng)，儲(chǔ)罐，電訊機(jī)房，電力機(jī)房，電纜線槽等測(cè)溫和控域，軸瓦，缸體，紡機(jī)，空調(diào)，等狹小空間工業(yè)設(shè)備測(cè)溫和控制，汽車(chē)空調(diào)、冰箱、冷柜、以及中低溫干燥箱等。供熱/制冷管道

30、熱量計(jì)量，中央空調(diào)分戶(hù)熱能計(jì)量和工業(yè)領(lǐng)域測(cè)溫和控制 。3）接線說(shuō)明 獨(dú)特的一線接口，只需要一條口線實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信能力，簡(jiǎn)化了分布式溫度傳感應(yīng)用。無(wú)需外部元件 可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0 V5.5 V 無(wú)需備用電源。測(cè)量溫度范圍-55 C+125 。華氏相當(dāng)于是-67 F257華氏度。-10 C+85 C范圍內(nèi)精度為0.5 C。溫度傳感器可編程的分辨率為912位 溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式最大值為750毫秒，用戶(hù)可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置，應(yīng)用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費(fèi)電子產(chǎn)品溫度計(jì)，或任何熱敏感系統(tǒng)。DS18B20的數(shù)字溫度計(jì)提供912位。信息被發(fā)送到從DS18B20 通過(guò)1線接口

31、，所以中央微處理器與DS18B20只有一個(gè)一條口線連接。為讀寫(xiě)以及溫度轉(zhuǎn)換可以從據(jù)線本身獲得能量，不需要外接電源。因?yàn)槊恳粋€(gè)DS18B20的包含一個(gè)獨(dú)特的序號(hào)，多個(gè)DS18B20可以同時(shí)存在于一條總線。這使得溫度傳感器放置在許多不同的地方。它的用途很多，包括空調(diào)環(huán)境控制，感測(cè)建筑物內(nèi)溫設(shè)備或機(jī)器，并進(jìn)行過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制。 DS18B20在出廠時(shí)以配置為12位，讀取溫度時(shí)共讀取16位，所以把后11位的2進(jìn)制轉(zhuǎn)化為10進(jìn)制后在乘以0.0625便為所測(cè)的溫度，還需要判斷正負(fù)。前5個(gè)數(shù)字為符號(hào)位，當(dāng)前5位為1時(shí)，讀取的溫度為負(fù)數(shù)；當(dāng)前5位為0時(shí)，讀取的溫度為正數(shù)。16位數(shù)字?jǐn)[放是從低位到高位，溫度的關(guān)系

32、圖如圖所示。表2-1 DS18B20測(cè)溫范圍傳感器型號(hào)測(cè)量溫度范圍DS18B20-55C to +125CDS18B20+-55C to 125CDS18B20/T&R-55C to 125CDS18B20+T&R-55C to 125CDS18B20-SL/T&R-55C to 125CDS18B20-SL+T&R-55C to 125CDS18B20U-55C to 125CDS18B20U+-55C to 125CDS18B20U/T&R-55C to 125CDS18B20U+T&R-55C to 125CDS18B20Z-55C to 125CDS18B20Z+-55C to 125

33、CDS18B20Z/T&R-55C to 125CDS18B20Z+T&R-55C to 125C 表2-2 DS18B20輸出關(guān)系圖溫度值二進(jìn)制輸出數(shù)字輸出（HEX）+125C0000 0111 1101 000007D0h+85C0000 0101 0101 00000550h+25.0625C0000 0001 1001 00010191h+10.125C0000 0000 1010 001000A2h+0.5C0000 0000 0000 10000008h0C0000 0000 0000 00000000h-0.5C1111 1111 1111 1000FFF8h-10.125C11

34、11 1111 0101 1110FF5Eh-25.0625C1111 1110 0110 1111FE6Fh-55C1111 1100 1001 0000FC90hDS18B20優(yōu)點(diǎn)1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。2）獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。3）DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。4）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。5）溫范圍55+125

35、，在-10+85時(shí)精度為0.5。6）可編程的分辨率為912位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。7）在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。8）測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以一線總線串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。圖2-4 DS18B20外部電源供電方式2.4.3 溫度測(cè)量電路圖圖2-5 溫度測(cè)量電路圖2.5 流量測(cè)量電路2.5.1 流量測(cè)量原理流量測(cè)量的原理大致可分為兩類(lèi)，即直接測(cè)量流量的方式和先求流速再通過(guò)流速乘以橫截面積來(lái)求流

36、量等方式。適用于測(cè)量液體流量的流量計(jì)主要有差壓式、容積式、浮子式、渦輪式、渦街式、電磁式、流體震動(dòng)式、超聲波式、質(zhì)量式、插入式和其它流量計(jì)。1)差壓式流量計(jì)差壓式流量計(jì)是根據(jù)安裝在管道中的流量檢測(cè)元件所產(chǎn)生的差壓Ap來(lái)測(cè)量流量的儀表。它包括節(jié)流式流量計(jì)、均速管流量計(jì)、彎管流量計(jì)等，其中，節(jié)流式流量計(jì)是一類(lèi)已系列化和標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格種類(lèi)繁多、應(yīng)用極廣的流量?jī)x表。其檢測(cè)元件(節(jié)流裝置)種類(lèi)繁多，有的已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，如標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長(zhǎng)徑噴嘴、文丘里管等;有的尚未標(biāo)準(zhǔn)化，如錐形入口孔板、1/4圓孔板、偏心孔板、圓缺孔板等。在流量測(cè)量領(lǐng)域，差壓式流量計(jì)的使用量一直居流量?jī)x表的首位。2)容積式流量計(jì)容積式流

37、量計(jì)是利用機(jī)械測(cè)量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個(gè)已知體積，并進(jìn)行重復(fù)不斷地充滿(mǎn)和排放該體積部分的流體而累加計(jì)量出流體總量的流量?jī)x表。它可用來(lái)測(cè)量液體和氣體的流量，是目前流量?jī)x表中測(cè)量精度最高的一類(lèi)儀表之一。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，容積式流量計(jì)可分為轉(zhuǎn)子型，如橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)、雙轉(zhuǎn)子(螺桿)流量計(jì);刮板型，如凸輪式刮板流量計(jì)、凹線式刮板流量計(jì)、彈性刮板流量計(jì)等;活塞型，如往復(fù)活塞流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)等;其他型，如圓盤(pán)式流量計(jì)、濕式流量計(jì)、模式流量計(jì)等。常被用于昂貴介質(zhì)(如油品、天然氣、化工產(chǎn)品等)的總量測(cè)量。3)浮子流量計(jì)浮子流量計(jì)又稱(chēng)為轉(zhuǎn)子流量計(jì)、面積流量計(jì)，它是一種變面積流量計(jì)。它的結(jié)構(gòu)極

38、為簡(jiǎn)單，由一根向上擴(kuò)大的垂直錐管和一圓形截面的浮子組成。按錐管材料，浮子流量計(jì)可分為玻璃浮子流量計(jì)和金屬管浮子流量計(jì)兩大類(lèi)。金屬管浮子流量計(jì)又可分為就地指示型和遠(yuǎn)傳型兩類(lèi)，遠(yuǎn)傳型又可分為電遠(yuǎn)傳和氣遠(yuǎn)傳兩類(lèi)。浮子流量計(jì)是用量?jī)H次于差壓式流量計(jì)的一類(lèi)應(yīng)用廣泛的流量?jī)x表，尤其在微小流量測(cè)量方面具有舉足輕重的作用。浮子流量計(jì)與差壓式流量計(jì)、容積式流量計(jì)并列為三類(lèi)使用量最大的流量?jī)x表。4)渦輪式流量計(jì)渦輪式流量計(jì)是速度式流量計(jì)中應(yīng)用最廣的流量?jī)x表。它是利用管道內(nèi)一多葉片轉(zhuǎn)子(渦輪)在流體動(dòng)能作用下旋轉(zhuǎn)的角速度與管內(nèi)平行流速成正比這一特性而制成的流量計(jì)。渦輪的轉(zhuǎn)速可用機(jī)械、磁感應(yīng)、光學(xué)方式、電子方式等手段

39、檢測(cè)得到，目前一般是通過(guò)磁感應(yīng)方式來(lái)測(cè)量渦輪轉(zhuǎn)速的。在結(jié)構(gòu)上，渦輪流量計(jì)一般由傳感器和顯示儀表兩部分組成，也可做成一體式渦輪流量計(jì)。其測(cè)量精度很高，可與容積式流量計(jì)并列，可以說(shuō)是目前流量計(jì)中測(cè)量精度較高的流量計(jì)。5)電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的流量計(jì)。其測(cè)量元件在管外結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不受介質(zhì)溫度、勃度、密度的影響，靈敏度高;可用在測(cè)量臟污流、腐蝕流、含纖維流體以及漿液等方面有一系列優(yōu)良的特性，又無(wú)流動(dòng)壓損，是一類(lèi)可應(yīng)用于特殊場(chǎng)合又節(jié)能的流量?jī)x表。但由于測(cè)量管內(nèi)襯材料和電氣絕緣材料的限制，不能用于測(cè)量高溫介質(zhì)，并且易受外界電磁干擾的影響。隨著技術(shù)上的突破，電磁流

40、量計(jì)的測(cè)量精度已不斷提高，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。目前電磁流量計(jì)的測(cè)量精度已可與渦輪流量計(jì)并列。是既適合于高精度流量測(cè)量，又適合于高精度總量測(cè)量的流量?jī)x表。6)流體震動(dòng)式流量計(jì)流體震動(dòng)式流量計(jì)是利用流體流過(guò)流量計(jì)時(shí)某些物理量產(chǎn)生周期變化的頻率與管內(nèi)平均流速成正比的原理制成的流量?jī)x表。即在特定流動(dòng)條件下，流體一部分動(dòng)能產(chǎn)生流體振動(dòng)，振動(dòng)頻率與流體的流速有一定的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量頻率便可推出流速。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，可分成渦街流量計(jì)，旋進(jìn)旋渦流量計(jì)和射流流量計(jì)三類(lèi)，其中渦街流量計(jì)應(yīng)用最廣。渦街流量計(jì)與差壓、浮子流量計(jì)相比測(cè)量精度高，壓力損失小，測(cè)量范圍大，但由于是速度式流量計(jì)要求較長(zhǎng)的直管段，與同口徑的渦輪流量

41、計(jì)相比，儀表系數(shù)較低，且隨口徑增大而降低，分辨率也降低。7)超聲流量計(jì)超聲流量計(jì)是利用流體對(duì)超聲波的影響(可以影響超聲波的傳播速度、頻率、或位移等)來(lái)測(cè)量流量的儀表。根據(jù)流體對(duì)超聲波的影響作用，超聲流量計(jì)可以分為傳播速度差法、多普勒法和射束位移法等幾類(lèi)，其中傳播速度差法又可分成時(shí)分法、相差法和頻差法等幾種測(cè)量方法，是超聲流量計(jì)中應(yīng)用最廣的一類(lèi)流量計(jì)。超聲波流量計(jì)沒(méi)有壓力損失，但由于時(shí)間差的數(shù)量級(jí)很小，因此，為保證測(cè)量精度，對(duì)電子線路的要求較高，從而儀表的成本相應(yīng)增加。8)質(zhì)量流量計(jì)質(zhì)量流量計(jì)可分成直接式質(zhì)量流量計(jì)和間接式質(zhì)量流量計(jì)兩大類(lèi)。直接式質(zhì)量流量計(jì)是輸出信號(hào)直接與通過(guò)測(cè)量管的質(zhì)量流量成正

42、比的流量?jī)x表。近幾年發(fā)展較快的有科里奧利質(zhì)量流量計(jì)、熱式質(zhì)量流量計(jì)等。科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是通過(guò)測(cè)量流體流過(guò)以一定頻率振動(dòng)的檢測(cè)管時(shí)所受科里奧力的變化來(lái)反映質(zhì)量流量的儀表;熱式質(zhì)量流量計(jì)是利用測(cè)量加熱流體或加熱物體被流體冷卻的速度與速度之間的關(guān)系，或測(cè)量加熱物體時(shí)溫度上升一定值所需的能量與流速之間的關(guān)系來(lái)測(cè)量流量的儀表。9)插入式流量計(jì)插入式流量計(jì)是一類(lèi)利用測(cè)量管道內(nèi)某一點(diǎn)的流速來(lái)推知通過(guò)整個(gè)管道的流量的流量?jī)x表，主要適用于大型管道的流量測(cè)量。根據(jù)測(cè)量頭的原理，可分為插入渦淪、插入渦街、插入電磁、畢托管等點(diǎn)流速型的流量計(jì)，還有均速管流量計(jì)、插入型熱式流量計(jì)等也可以歸入插入式流量計(jì)。 由于流量測(cè)量

43、儀表比溫度，壓力儀表受介質(zhì)特性的影響要突出的多，比如各流體的粘度、腐蝕性、導(dǎo)電性的不同都對(duì)流量測(cè)量?jī)x表有不同的要求，因此，要根據(jù)科研和生產(chǎn)的具休目的，合理選用原理和儀器。2.5.2 霍爾流量傳感器1）霍爾效應(yīng) 如圖所示，在一塊通電的半導(dǎo)體薄片上，加上和片子表面垂直的磁場(chǎng)B，在薄片的橫向兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓，如圖中的VH，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，是由科學(xué)家愛(ài)德文霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。VH稱(chēng)為霍爾電壓。 圖2-6 霍爾效應(yīng)和霍爾元件這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因?yàn)橥姲雽?dǎo)體片中的載流子在磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛侖茲力的作用下，分別向片子橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚，因而形成一個(gè)電場(chǎng)，稱(chēng)作霍爾電場(chǎng)?；魻栯妶?chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力和洛侖茲力相反

44、，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍爾電場(chǎng)力和洛侖茲力相等。這時(shí)，片子兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電壓，這就是霍爾電壓。2）霍爾流量傳感器霍爾傳感器是利用霍爾元件的霍爾效應(yīng)原理來(lái)直接或間接檢測(cè)磁性物理量，當(dāng)他被置于磁場(chǎng)中，且給霍爾元件正極串入負(fù)載電阻，同時(shí)通入控制電壓DC5V，使電流方向與磁場(chǎng)方向正交。這樣，當(dāng)液體通過(guò)渦輪開(kāi)關(guān)殼時(shí)，推動(dòng)磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生不同磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，切割磁感線，產(chǎn)生高低脈沖。由于霍爾元件的輸出脈沖信號(hào)與磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速又與水流量大小成正比關(guān)系，因此通過(guò)記錄脈沖的頻率即可得出水流的速度。 圖2-7 霍爾葉輪流量計(jì)2.5.3 測(cè)量電路與輸出特性本設(shè)計(jì)中需要測(cè)量的是管內(nèi)

45、液體通過(guò)的總量即體積。流量傳感器選用測(cè)量精度高的渦輪式流量計(jì)，它是利用管道內(nèi)一多葉片轉(zhuǎn)子在流體動(dòng)能作用下旋轉(zhuǎn)的角速度與管內(nèi)平行流速成正比這一特性而制成的流量計(jì)。通過(guò)對(duì)葉片轉(zhuǎn)速的測(cè)量可以計(jì)算出瞬時(shí)流量的速度。渦輪轉(zhuǎn)速一般通過(guò)機(jī)械，磁感應(yīng)等手段。 圖2-8 流量測(cè)量本設(shè)計(jì)采用變磁阻式的霍爾流量傳感器，葉輪的旋轉(zhuǎn)引起霍爾元件的周期性變化，輸出動(dòng)態(tài)周期的脈沖信號(hào)，此信號(hào)與液體流速成正比，可以利用計(jì)數(shù)器得到它的累計(jì)值，從而通過(guò)計(jì)算將流量速度值量化為液體的體積。V T圖2-9 霍爾流量傳感器輸出信號(hào)脈沖（HZ） 流量（L/min）圖2-10 霍爾流量傳感器流量與輸出脈沖關(guān)系霍爾集成傳感器是將霍爾元件與放大

46、器集成于單片上所構(gòu)成的傳感器，有線型與開(kāi)關(guān)型兩種。本課題選用開(kāi)關(guān)型霍爾元件傳感器，霍爾脈沖頻率和流量成正比，測(cè)量流量運(yùn)用測(cè)量霍爾脈沖頻率的方法。用單片機(jī)測(cè)量信號(hào)頻率有多種方法，基本方法是在一定時(shí)間內(nèi)，控制計(jì)數(shù)與門(mén)啟閉，用計(jì)數(shù)器對(duì)被測(cè)信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，再把計(jì)數(shù)值根據(jù)啟閉與門(mén)的定時(shí)時(shí)間轉(zhuǎn)換成頻率顯示、測(cè)量頻率要解決如下三個(gè)基本問(wèn)題:1)控制計(jì)數(shù)與門(mén)啟閉的定時(shí);2)對(duì)被測(cè)信號(hào)脈沖計(jì)數(shù);3)定時(shí)器與計(jì)數(shù)器工作的同步。2.6 顯示電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)顯示部分選用LED數(shù)碼管，采用動(dòng)態(tài)顯示方法。兩片74HC595分別實(shí)現(xiàn)位選和段選功能。圖2-11 顯示電路2.7 電源設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中各個(gè)元器件需要1.8V,3.3V,

47、5V不等電壓供給，需要一個(gè)多電壓輸出的電源。電源包括變壓，整流，濾波以及穩(wěn)壓電路。其中，在濾波電路有分別接多個(gè)穩(wěn)壓電路以達(dá)到不同電壓輸出的目的。圖2-12 變壓，整流，濾波圖2-13 LM317穩(wěn)壓電路LM2576系列的穩(wěn)壓器是單片機(jī)集成電路，能驅(qū)動(dòng)3A的負(fù)載，有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力，這些器件固定輸出電壓有3.3V，5V，12V,15V。還有可調(diào)整輸出的型號(hào)。這些穩(wěn)壓器內(nèi)部含有頻率補(bǔ)償器和一個(gè)固定頻率振蕩器，將外部元件的數(shù)目減到最少，使用簡(jiǎn)便。LM2576的效率比流行的三段線性穩(wěn)壓器要高很多，是理想的代替。圖2-14 LM2576穩(wěn)壓電路2.8 傳輸模塊設(shè)計(jì) 通訊部分芯片采用MAX485，

48、此元件集成度高，使用時(shí)不需要外接任何器件即可單獨(dú)完成傳輸功能。 圖2-15 MAX485串口傳輸電路由于串行通信所占用的傳輸線少，導(dǎo)線相互之間產(chǎn)生電磁干擾的機(jī)會(huì)比并行通信大大減少，因而適用于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳送。在實(shí)時(shí)控制和管理系統(tǒng)中，各處理器之間的通信一般都采用串行方式。RS485是以差動(dòng)方式發(fā)送和接受，不需要數(shù)字地線。差動(dòng)工作是同速率條件下傳輸距離遠(yuǎn)的根本原因，這正是與RS232的根本區(qū)別，因?yàn)镽S232是單端輸入輸出，雙工工作時(shí)至少需要數(shù)字地線 、發(fā)送線和接受線三條線（異步傳輸），還可以加其它控制線完成同步等功能。RS485只能半雙工工作，發(fā)收不能同時(shí)進(jìn)行，但它只需要一對(duì)雙絞線。在中短程串口通

49、訊時(shí)，普遍采用MAX485通訊，RS-485標(biāo)準(zhǔn)采用平衡發(fā)送和差分接收，具有將強(qiáng)的共?？垢蓴_能力。其總線靈敏度高，還具有聯(lián)網(wǎng)多點(diǎn)通訊的能力。2.9 本章小結(jié)硬件設(shè)計(jì)是產(chǎn)品的核心內(nèi)容，明確邏輯電路的連接方式才能設(shè)計(jì)、調(diào)整軟件的功能，本章闡述了各個(gè)器件的功能和使用方法，通過(guò)比較器件原理、連接方式、測(cè)量方法、產(chǎn)品功耗的優(yōu)缺點(diǎn)確定了物理電路的設(shè)計(jì)。3 熱量計(jì)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)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(cè)量子程序，流量測(cè)量子程序，熱量測(cè)量子程序，顯示子程序等組成。3.1 初始化主程序初始化主程序主要用來(lái)對(duì)單片機(jī)的一些寄存器，I/O口等的初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)一些IC芯片的電源進(jìn)行

50、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(biāo)志等；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)一些重要參數(shù)校準(zhǔn)存儲(chǔ)。接著程序進(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。圖3-1初始化程序框圖3.2 溫度測(cè)量子程序由于DS18B20輸出信號(hào)是串行的12位輸出，所以可以直接送入單片機(jī)而不需要放大和轉(zhuǎn)換。 圖3-2 溫度測(cè)量框圖3.3 流量測(cè)量子程序因霍爾脈沖頻率和流量成正比，測(cè)量流量運(yùn)用測(cè)量霍爾脈沖頻率的方法。用單片機(jī)測(cè)量信號(hào)頻率有多種方法，基本方法是在一定時(shí)間內(nèi)，控制計(jì)數(shù)與門(mén)啟閉，用計(jì)數(shù)器對(duì)被測(cè)量的信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，再把計(jì)數(shù)值根據(jù)啟閉與門(mén)的定時(shí)時(shí)間轉(zhuǎn)換成頻率顯示。測(cè)量頻率要解決如下三個(gè)基本問(wèn)題：1）控

51、制計(jì)數(shù)與門(mén)啟閉的定時(shí)；2）對(duì)被測(cè)信號(hào)脈沖計(jì)數(shù)；3）定時(shí)器與計(jì)數(shù)器工作的同步。對(duì)脈沖計(jì)數(shù)可通過(guò)查詢(xún)法或外部中斷方法實(shí)現(xiàn)軟件計(jì)數(shù)，也可以利用片內(nèi)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，還可以外加集成計(jì)數(shù)器完成計(jì)數(shù)。本設(shè)計(jì)采用查詢(xún)法進(jìn)行軟件計(jì)數(shù)，用T0做定時(shí)器，結(jié)合軟件定時(shí)計(jì)數(shù)1秒。TO用P0.12作外觸發(fā)啟動(dòng)。被測(cè)信號(hào)接P0.11，用查詢(xún)法進(jìn)行軟件計(jì)數(shù)。P0.11對(duì)被測(cè)信號(hào)脈沖檢測(cè)到從低到高變化時(shí)，從P0.12輸出一正脈沖，啟動(dòng)T0計(jì)數(shù)工作，在定時(shí)時(shí)間內(nèi)，通過(guò)不斷查詢(xún)P0.11上信號(hào)電平的變化，進(jìn)行軟件計(jì)數(shù)。直至定時(shí)時(shí)間到，關(guān)T0定時(shí)器，讀入軟件計(jì)數(shù)器的值即可得到被測(cè)信號(hào)頻率值。 為減小量化誤差的影響，可以加長(zhǎng)定時(shí)時(shí)間。

52、進(jìn)一步可通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果的判斷，動(dòng)態(tài)的確定定時(shí)時(shí)間，根據(jù)被測(cè)頻率的高低調(diào)整定時(shí)器初值或擴(kuò)展計(jì)數(shù)器初值。為保證測(cè)量準(zhǔn)確度，定時(shí)時(shí)間要精確計(jì)算，要考慮程序執(zhí)行等其他時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。該方法的特點(diǎn)是硬件最簡(jiǎn)。圖3-3 流量測(cè)量 圖3-4 流量測(cè)量框圖3.4 熱量計(jì)量子程序首先調(diào)用溫度測(cè)量子程序，讀取進(jìn)回水溫度差，根據(jù)進(jìn)回水溫度差K系數(shù)，再調(diào)用流量測(cè)量子程序，計(jì)算出熱量，當(dāng)熱量累計(jì)到1KWH，存儲(chǔ)到EEPROM，并清除轉(zhuǎn)數(shù)標(biāo)志位，子程序返回。圖3-5 熱量測(cè)量子程序流程圖3.5 顯示子程序顯示子程序采用動(dòng)態(tài)顯示的方法不斷將熱量累計(jì)值通過(guò)位選和段選用LED顯示出來(lái)。動(dòng)態(tài)掃描顯示是ARM應(yīng)用中最常見(jiàn)的顯示方法之一。

53、它是把所有顯示器的八個(gè)筆畫(huà)段a-h的各同名段互相并聯(lián)在一起，并把它們接到字段輸出接口上。為了防止各個(gè)顯示器同時(shí)顯示相同的數(shù)字，各個(gè)顯示器的公共端COM還要受控制信號(hào)控制，即把它接到位輸出接口上。這樣，對(duì)于一組LED顯示器需要有兩組信號(hào)來(lái)控制，一組是字段輸出口的字形輸出代碼，用來(lái)控制顯示的字形，稱(chēng)為段碼。另一組是位輸出接口輸出的控制信號(hào)，用來(lái)選擇第幾位顯示器工作，稱(chēng)為位碼。在這兩組信號(hào)的控制下，可以一位一位地輪流點(diǎn)亮各個(gè)顯示器顯示各自的數(shù)碼，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示的功能。 圖3-6 顯示子程序流程圖3.6 本章小結(jié) 本章是熱量計(jì)軟件部分，是硬件協(xié)調(diào)工作的紐帶，在前章硬件電路的基礎(chǔ)上，共分為六個(gè)模塊，消息

54、描述了各個(gè)子程序的工作過(guò)程。另外，論文還對(duì)基于虛擬儀器技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表管理系統(tǒng)做了簡(jiǎn)單稱(chēng)述。4 系統(tǒng)通訊部分設(shè)計(jì)熱量計(jì)系統(tǒng)采用集散型控制系統(tǒng)的形式：智能化物業(yè)管理中心的PC機(jī)作為上位機(jī)可以按照設(shè)定的抄存項(xiàng)目，起始時(shí)間和時(shí)間間隔，定時(shí)，自動(dòng)抄收存儲(chǔ)在采集器中的凍結(jié)數(shù)據(jù)或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)，可以打印成報(bào)表和計(jì)費(fèi)發(fā)票，也可以生成數(shù)據(jù)文件提交給其他應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)行在線管理，平衡和分析；采集器接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令，根據(jù)命令將各臺(tái)戶(hù)機(jī)德測(cè)量值及工作狀態(tài)報(bào)送上位機(jī)。4.1 串行通信接口現(xiàn)有的串行通通信接口包括Rs-232、Rs-422A、Rs-485、ZomA電流環(huán)、ZC總線等幾種。4.1.1 RS232接口RS-232

55、一共有3個(gè)版本:RS-232A、RS-232B、RS-232C。RS-232C是目前最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在常用的工BM-PC上的串口COM1、COM2都是采用的RS-232C接口。RS-232所能直接連接的最大物理距離為1.5m，最大傳輸速率19.2kbps。驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載電容應(yīng)小于2500pF。4.1.2 RS422，RS485接口RS422總線與RS485電路原理基本相同，都是以差動(dòng)方式發(fā)送和接受，不需要數(shù)字地線。差動(dòng)工作是同速率條件下傳輸距離遠(yuǎn)的根本原因，這正是二者與RS232的根本區(qū)別，因?yàn)镽S232是單端輸入輸出，雙工工作時(shí)至少需要數(shù)字地線 、發(fā)送線和接受線三條線（異步傳輸），還可以加其它控制線完成同步等功能。RS422通過(guò)兩對(duì)雙絞線可以全雙工工作收發(fā)互不影響，而RS485只能半雙工工作，發(fā)收不能同時(shí)進(jìn)行，但它只需要一對(duì)雙絞線。4.2 通訊方式選擇由于串行通信所占用的傳輸線少，導(dǎo)線相互之間產(chǎn)生電磁干擾的機(jī)會(huì)比并行通信大大減少，因而適用于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳送。在實(shí)時(shí)控制和管理系統(tǒng)中，各處理器之間