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1、住宅暖氣熱量計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院: 班級(jí):測(cè)控技術(shù)與儀器 班學(xué)號(hào): 姓名: 摘要我國(guó)傳統(tǒng)的暖氣收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)公寓與面積進(jìn)行收費(fèi),這種方式存在許多不合理因素。為解決這一問(wèn)題,利用熱量計(jì)對(duì)公寓暖氣熱量進(jìn)行計(jì)量進(jìn)行收費(fèi),這一系統(tǒng)主要由51單片機(jī)、流量傳感器、溫度傳感器組成。該系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)了對(duì)暖氣熱量的測(cè)量,同時(shí)利用數(shù)碼管進(jìn)行顯示。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)熱量的消耗全部智能計(jì)算,以用戶實(shí)際耗用的熱量為計(jì)量收費(fèi)依據(jù)。熱量計(jì)作為熱力公司向每一位住戶收費(fèi)的依據(jù)和手段,不僅已廣泛被用戶所接受,而且由于用熱量與費(fèi)用直接相關(guān),也加強(qiáng)了住戶的節(jié)能意識(shí)。用熱量計(jì)進(jìn)行熱計(jì)量更為科學(xué)、

2、合理,既方便用戶,又便于管理。關(guān)鍵詞:熱量計(jì) 單片機(jī) 溫度傳感器 流量傳感器第一章 系統(tǒng)原理1.1熱量計(jì)算原理熱量計(jì)的主要任務(wù)是通過(guò)計(jì)量流過(guò)熱量計(jì)的熱水體積、流進(jìn)溫度、回水溫度,來(lái)計(jì)量該公寓消耗的熱量。在時(shí)間內(nèi),熱載體帶入系統(tǒng)的的熱量是比焓和質(zhì)量流量的函數(shù): (1-1)其中,是溫度為時(shí)的比焓值: (1-2)其中,是一定壓力下的比熱容系數(shù),它是溫度的函數(shù)。在時(shí)間內(nèi),熱載體釋放啊能量為: (1-3)系統(tǒng)的耗熱量是由輸入、輸出能量差軍定的,即: (1-4)式(2-4)就是由理論推導(dǎo)出的熱量計(jì)精確計(jì)熱原理的數(shù)學(xué)模型。在實(shí)際應(yīng)用中,無(wú)法象理論那樣進(jìn)行精確計(jì)算,只能用乘積代替積分、用溫度代替焓變來(lái)近似計(jì)算

3、熱載體帶走的熱量總數(shù)。通過(guò)的熱載體體積可以由流量計(jì)測(cè)得。流量計(jì)的脈沖數(shù)量與流經(jīng)熱水體積成正比,即: (1-5)其中為脈沖個(gè)數(shù), 為流量計(jì)的系數(shù)。因此可以通過(guò)下面的公式計(jì)算: (1-6)如果把和視為恒量,那么可以寫成如下形式: (1-7)由此可知,要計(jì)算公寓熱量,必須測(cè)量進(jìn)入和流出的水的溫度差。但還必須知道此過(guò)程有多少水放熱,因此必須測(cè)得此時(shí)可得熱水的瞬時(shí)流量,然后把他和溫度差相乘,就可得到這一時(shí)刻熱水釋放的熱量。再用自動(dòng)累加的方式隨時(shí)把用戶消耗的熱量加在一起,就可計(jì)量出消耗的熱量總數(shù)。當(dāng)熱水以一定溫度從進(jìn)水管流入一個(gè)熱交換器(散熱片、換熱器等),公寓在通過(guò)熱交換獲取熱量的同時(shí),熱水便以較低的溫

4、度從回水管流出。一段時(shí)間內(nèi)公寓所消耗的熱量為所供熱水的流量和回水的溫度差的乘積對(duì)時(shí)間的積分,熱量計(jì)就是留用這個(gè)原理工作的。其計(jì)算公式簡(jiǎn)化為: (1-8)式中:為吸收的熱量,為熱焓系數(shù),為進(jìn)回水溫差,為熱水體積瞬時(shí)流量。實(shí)際測(cè)量時(shí),當(dāng)測(cè)量的時(shí)間間隔很小時(shí),水溫變化很小,可以近似認(rèn)為恒定,從而積分式轉(zhuǎn)為求累加和1.2熱量計(jì)硬件原理框圖渦街流量計(jì)進(jìn)水溫度傳感器出水溫度傳感器差動(dòng)放大ad轉(zhuǎn)換器mcs-51數(shù)碼管顯示圖1-1 熱量計(jì)原理框圖熱量計(jì)硬件原理框圖如圖1-1所示,熱量計(jì)主要有流量傳感器、配對(duì)溫度傳感器、單片機(jī)、顯示部分組成。根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)所通過(guò)的水的流量和進(jìn)回水的溫度差,以及溫度所決定的熱交換

5、算系數(shù),得到消耗的熱量值。第二章 硬件電路設(shè)計(jì)2.1溫度測(cè)量硬件設(shè)計(jì)溫度測(cè)量電路由溫度傳感器(wzp-01rl)、差動(dòng)放大器(ad620)和adc轉(zhuǎn)換器(ad1674)組成。2.1.1溫度傳感器wzp-01rl是pt100熱電阻,測(cè)量范圍在-50150。wzp-01rl 溫度傳感器是為供熱暖氣熱量積算儀配制的專用溫度傳感器。特別適用于室內(nèi)測(cè)量暖氣進(jìn)水,回水的溫度。 表2-1 pt100阻值溫度對(duì)照表溫度0102030405060708090100阻值100103.917.79111.7115.5119.4123.2127.1130.9134.7139.5pt100電阻與溫度的關(guān)系可見表1-1,

6、由此可看出pt100有很好的線性度,并得出圖2-1圖2-1 pt100熱電阻分度圖利用excel函數(shù)擬合功能可得出線性函數(shù): (2-1)其中為pt100的電阻值,為即時(shí)溫度。wzp-01rl接到電橋上,分別安裝在管路系統(tǒng)的入口和出口,采集系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的溫度并送出溫度信號(hào),測(cè)溫電橋如圖2-2。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí),wzp-01rl的阻值改變,從而使電橋的輸出電壓發(fā)生變化,值經(jīng)放大器放大adc轉(zhuǎn)換所得值代表了溫差的大小。圖2-2 測(cè)溫電橋若設(shè),容易得出 (2-2)通過(guò)式(2-1)容易得出 (2-3)將式(2-3)代入式(2-2)中很容易得出與間的關(guān)系,即: (2-4)與間呈線性關(guān)系。2.1.2差動(dòng)放大電

7、路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(11000)的調(diào)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(shè)備、精密的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、ecg和醫(yī)療儀器、傳感器接口、工業(yè)過(guò)程控制、多路轉(zhuǎn)換應(yīng)用系統(tǒng)、稱重和微控制器應(yīng)用系統(tǒng)中的前置放大器等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。差動(dòng)放大電路如圖2-3。圖2-3 差動(dòng)放大電路2.1.3adc轉(zhuǎn)換電路選用ad公司生產(chǎn)的逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片adl674,adl674是美國(guó)ad公司推出的一種完整的12位并行模/數(shù)轉(zhuǎn)換單片集成電路。該芯片內(nèi)部自帶采樣保持器(sha)、lo伏基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘源以及可

8、和微處理器總線直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器。與原有同系列ad574a/674a相比,adl674的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊,集成度更高,工作性能(尤其是高低溫穩(wěn)定性)也更好,而且可以使設(shè)計(jì)板面積大大減小,因而可降低成本并提高系統(tǒng)的可靠性。圖2-4、圖2-5分別是adl674在全控工作模式下的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)時(shí)序和讀操作時(shí)序。轉(zhuǎn)換啟動(dòng)時(shí),在ce和cs有效之前,r/c必須為低,如果r/c為高,則立即進(jìn)行讀操作,這樣會(huì)造成系統(tǒng)總線的沖突。一旦轉(zhuǎn)換開始,sts立即為高,系統(tǒng)將不再執(zhí)行轉(zhuǎn)換開始命令,直到這次轉(zhuǎn)換周期結(jié)束。而數(shù)據(jù)輸出緩沖器將比,sts提前0.6us變低,且在整個(gè)轉(zhuǎn)換期間內(nèi)不導(dǎo)通。圖2-4 轉(zhuǎn)換器時(shí)序圖2

9、-5 讀操作時(shí)序在系統(tǒng)中,采用ad1674的8為模式,參考電壓為10v,ad1674控制命令字如表2-2,adc轉(zhuǎn)換電路見圖2-6。 表2-2 ad1674控制命令字 cecsr/c12/8a0執(zhí)行操作0無(wú)操作1誤操作1000啟動(dòng)12位轉(zhuǎn)換1001啟動(dòng)8為轉(zhuǎn)換1011允許12位并行輸出10100允許高8位并行輸出10101允許低4位并行輸出圖2-6 adc轉(zhuǎn)換電路見2.1.4溫度測(cè)量電路圖2-7是溫度測(cè)量電路,采用電橋測(cè)溫法,ad620差壓放大器,adl674進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。圖2-7 溫度測(cè)量電路2.2流量測(cè)量電路2.2.1流量測(cè)量原理lugb型渦街流量計(jì)是根據(jù)卡門(karman)渦街原理測(cè)量

10、氣體、蒸汽或液體的體積流量、標(biāo)況的體積流量或質(zhì)量流量的體積流量計(jì),并可作為流量變送器應(yīng)用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。該儀表采用先進(jìn)的差動(dòng)技術(shù),配合隔離、屏蔽、濾波等措施,克服了同類產(chǎn)品抗震性差、小信號(hào)數(shù)據(jù)紊亂等問(wèn)題,并采用了獨(dú)特的傳感器封裝技術(shù)和防護(hù)措施,保證了產(chǎn)品的可靠性。產(chǎn)品有基本型和復(fù)合型兩種型式,基本型測(cè)量單一流量信號(hào);復(fù)合型可同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、流量的測(cè)量。每種型式都有整體、分體結(jié)構(gòu),以適應(yīng)不同的安裝環(huán)境。渦街流量計(jì)是由旋渦發(fā)生體、檢測(cè)探頭及相應(yīng)的電子線路等組成。當(dāng)流體流經(jīng)旋渦發(fā)生體時(shí),它的兩側(cè)就形成了交替變化的兩排旋渦,這種旋渦被稱為卡門渦街??ㄩT渦街的頻率與流體的流速成正比。 式中: f

11、 渦街發(fā)生頻率 (hz)v 旋渦發(fā)生體兩側(cè)的平均流速(m/s)st 斯特羅哈爾系數(shù)(常數(shù))圖2-8 渦街流量計(jì)工作原理示意圖這些交替變化的旋渦就形成了一系列交替變化的負(fù)壓力,該壓力作用在檢測(cè)探頭上,便產(chǎn)生一系列交變電信號(hào),經(jīng)過(guò)前置放大器轉(zhuǎn)換、整形、放大處理后,輸出與旋渦同步成正比的脈沖頻率信號(hào)(或標(biāo)準(zhǔn)信號(hào))。2.2.2流量計(jì)電路脈沖輸出型渦街流量傳感器(lugb-n系列)儀表接線如圖2-9圖2-9 lugb-n系接線圖渦街流量傳感器出廠前已進(jìn)行了調(diào)整與標(biāo)定,但由于所測(cè)介質(zhì)與指定介質(zhì)的不同,現(xiàn)場(chǎng)有較強(qiáng)振動(dòng)等情況,需要對(duì)檢測(cè)放大器進(jìn)行調(diào)整。所有調(diào)試操作均通過(guò)撥碼開關(guān)方式完成。2.3顯示部分電路顯示

12、部分選用ch451芯片,這款芯片為串行傳輸,節(jié)省了i/o口,具體電路如圖2-10。圖2-10 顯示部分電路第三章 熱量計(jì)軟件設(shè)計(jì)3.1主程序設(shè)計(jì)利用定時(shí)/計(jì)數(shù)器t1對(duì)流量計(jì)的脈沖進(jìn)行測(cè)量,由p1.0控制閘門,在測(cè)流量的同時(shí)對(duì)溫度差進(jìn)行反復(fù)測(cè)量,最后取平均值,在得到流量結(jié)果后,計(jì)算熱量,并進(jìn)行累加。程序流程圖如圖3-1。開始初始化流量結(jié)束?n溫差測(cè)量y計(jì)算熱量顯示圖3-1 主程序流程圖主程序清單如下void main()uint cnum,t; float aver_dt,q; init_ch451(); init_ad(); init_t(); while(1) cnum=0; p10=1;

13、tr1=1; while(flag_t) cnum+; dtcnum-1=ad(); aver_dt=u_t(cnum)/cnum; t=get_tmp(); q=f*tab_kt+1*aver_dt/kf; q=q+q; f_qdata(); ch451_display(); flag_t=1;3.2溫度測(cè)量子程序因?yàn)闇囟炔畹拇嬖?,兩個(gè)pt100的阻值不同,使其產(chǎn)生電壓差,利用差分放大器對(duì)電壓差放大,利用ad1674將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),存入指定存儲(chǔ)空間。程序流程圖如圖3-2。開始ad數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)結(jié)束圖3-2 溫度測(cè)量子程序3.3流量測(cè)量子程序渦街流量計(jì)將流量信號(hào)轉(zhuǎn)換成了頻率

14、數(shù)字信號(hào),測(cè)得渦街流量計(jì)的輸出頻率即可得到流量。硬件電路連接如圖3-3。圖3-3 頻率測(cè)量硬件連接圖定時(shí)器t0的gate為1,即當(dāng)int0為1時(shí)開始計(jì)時(shí),令p1.0與int0相連,即可使用p1.0控制閘門的開閉,流量計(jì)的脈沖輸出端與t1相連,對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)的個(gè)數(shù)即為流量計(jì)的輸出頻率。定時(shí)中斷程序流程圖如圖3-4。開始讀頻率值賦初值結(jié)束圖3-4 定時(shí)中斷程序流程圖3.4熱量計(jì)算子程序利用上一章的方法對(duì)熱量進(jìn)行計(jì)算,讀出流量值及溫度差,利用ds18b20測(cè)出當(dāng)前溫度,根據(jù)溫度查表的方式得出熱焓系數(shù),程序流程如圖3-5.開始讀取溫度差讀取流量值測(cè)量當(dāng)前溫度查熱焓表結(jié)束圖3-5 熱量計(jì)算子程序流

15、程圖第四章 結(jié)論近年來(lái),按熱量收費(fèi)己經(jīng)越來(lái)越被重視,而熱量計(jì)是熱量計(jì)量的基礎(chǔ),用熱量計(jì)進(jìn)行熱計(jì)量更為科學(xué)、更為合理。熱量計(jì)作為熱力公司向每一位住戶收費(fèi)的依據(jù)和手段,不僅已廣泛被用戶所接受,而且由于用熱量與費(fèi)用直接相關(guān),也加強(qiáng)了用戶的節(jié)能意識(shí)。本熱量計(jì)是內(nèi)嵌微處理器的智能化測(cè)量?jī)x表,與傳統(tǒng)的機(jī)械式儀表相比具有結(jié)構(gòu)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(tǒng)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j年以上;操作簡(jiǎn)便,用戶通過(guò)一個(gè)按鍵就可以查詢所有數(shù)據(jù)和信息,并在led上顯示出來(lái),結(jié)果直觀。和傳統(tǒng)儀表相比成本大大降低,而且抗干擾附錄1 程序清單#includ

16、e #include #defineucharunsigned char#defineuintunsigned int#defineulongunsigned long#define kf 10.56 /渦街流量計(jì)儀表系數(shù)sbit p10=p10;sbit dq=p22;sbit ch451_dclk=p14;sbit ch451_dout=p15;sbit ch451_load=p16;sbit ch451_din=p17;sbit cs=p27;sbit a0=p26;sbit rc=p25;sbit ce=p24;sbit sts=p23;uchar flag_t;uint f;uint

17、 temp;uchar data=0;float q=0;uchar qdata8;float xdata dt350;uint code tab_k100=0;/熱焓表const uchar dsycode10=0xbe,0x24,0xea,0xe6,0x74,0xd6,0xde,0xa4,0xfe,0xf6;/數(shù)碼管const uint digcode8=0x0a00,0x0900,0x0b00,0x0800,0x0c00,0x0d00,0x0e00,0x0f00;/數(shù)碼管位void init_t()tmod=0x59; th0=0xfc; tl0=0x18; tr0=1; ea=1; f

18、lag_t=1;/*ch451*/void ch451_writecommand(uint command) uchar i; ch451_load=0; for(i=0;i=1; ch451_dclk=1; ch451_load=1;/顯示一位數(shù),低位向高位移動(dòng),左移void ch451_display() uchar k; for(k=7;k=0;k-) data=qdatak; if(k=1) ch451_writecommand(digcodek|dsycodedata|0x01);else ch451_writecommand(digcodek|dsycodedata); void

19、init_ch451() ch451_din=0; ch451_din=1; ch451_load=1; ch451_dclk=1; ch451_dout=1; ch451_writecommand(0x0403);/*精確延時(shí)函數(shù)*/void delay(unsigned char i) while(-i); /*ad1674*/void init_ad()ce=0; cs=1; rc=1; a0=1; sts=1; p2=0xff;float ad()float d; cs=0; rc=0; a0=1; ce=1; while(sts); rc=1; a0=0; d=p2; init_ad

20、(); return d; /*ds18b20*/void init_ds18b20(void) /ds18b20初始化sdq = 1; delay(1); dq = 0; delay(250); dq = 1; delay(100); /確保能讓ds18b20發(fā)出存在脈沖。uchar read_one_byte() uchar i = 0;uchar dat = 0;for(i=8;i0;i-) dq = 0; _nop_(); dat = 1; dq = 1; delay(1); if(dq) dat |= 0x80; delay(10); return (dat);void write_

21、one_byte(uchar dat)uchar i = 0;for(i=8;i0;i-) dq = 0; _nop_(); dq = dat&0x01; delay(10); dq = 1; dat = 1; delay(1);/獲取溫度uint get_tmp() float tt;uchar a,b;init_ds18b20(); write_one_byte(0xcc); write_one_byte(0x44); init_ds18b20(); write_one_byte(0xcc); write_one_byte(0xbe); a = read_one_byte(); b = read_one

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