低功耗高精度熱量計系統(tǒng)設(shè)計
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1 引言
多年來,我國一直延續(xù)計劃經(jīng)濟(jì)時代的全福利式居民供暖體制,以居民小區(qū)為單位,共用一個控制閥,以住宅面積為熱量的計量依據(jù),費(fèi)用由居民所在單位按國家統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)一年一次性全額劃撥給供熱單位。隨著改革開放的不斷深入,人民生活水平的提高,商品意識的不斷加強(qiáng),這種舊體制已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)生活的發(fā)展,其弊端也顯得越來越突出。本文針對熱量計的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,成功設(shè)計、調(diào)試了一套用于計量熱量的智能低功耗熱量計系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分體現(xiàn)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(shè)計及智能化、低功耗的硬件電路設(shè)計上。
2 系統(tǒng)功能
最終熱量計能夠在水管進(jìn)出口有溫差,葉輪有轉(zhuǎn)動的條件下按照設(shè)定的要求不斷的累計放熱量并通過LSD數(shù)碼管顯示出來。并能顯示各種供熱管路的給水溫度、回水溫度、給回水溫差、瞬時流量、累積流量、累積熱量、可通過鍵盤設(shè)定儀表系數(shù)及相關(guān)校準(zhǔn)參數(shù);通過采集器連接上位機(jī),物業(yè)管理部門可以通過上位機(jī)監(jiān)視各用戶的用熱情況。
3 熱量計的硬件電路設(shè)計
3. 1熱量計量系統(tǒng)原理框圖
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熱量計量系統(tǒng)的配置見圖1。該配置設(shè)計堅井內(nèi)的管道為雙管式,戶內(nèi)水平并聯(lián),入口設(shè)熱量計和鎖閉閥,散熱器設(shè)溫控閥。通過管路,熱水流至用戶端,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管道返回供暖處。熱量計的主要任務(wù)是通過計量流過熱量計的熱水的體積、進(jìn)水溫度、回水溫度,來計量該戶耗熱量。
該方案室內(nèi)散熱器并聯(lián),通過溫控閥調(diào)節(jié)散熱器的流量,各散熱器之間沒有影響。在保證用戶舒適性的前提下,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。本熱量計量系統(tǒng)的布管方式采用跨越式串聯(lián)方式?？缭绞酱?lián)方式豎井內(nèi)的管道為雙管式,戶內(nèi)水平跨越式串聯(lián),入口設(shè)熱量計,鎖閉閥,散熱器設(shè)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(jī)及LCD組成。根據(jù)一定時間內(nèi)所通過的水的流量(V)和供、回水的溫度差(4T),以及由4T所決定的熱交換算系數(shù)K,得到用戶所消耗的熱量值。
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3.3 單片機(jī)及其外圍電路設(shè)計
單片機(jī)MCS-51為主組成的基本模塊是該系統(tǒng)的核心部分,主要完成對系統(tǒng)采集到的信號進(jìn)行相關(guān)的處理,協(xié)調(diào)其他模塊,使整個系統(tǒng)步調(diào)一致的工作。本設(shè)計選用的是ATMR1公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)。ATMF1公司生產(chǎn)的AT89系列單片機(jī)是與8051兼容、且內(nèi)部含有F上ash存儲器(閃速存儲器)的單片機(jī),所以,AT89系列單片機(jī)也稱Flash單片機(jī),是目前主流的MCS-51單片機(jī)系列。單片機(jī)外圍電路主要包括復(fù)位電路、時鐘電路和串行RAM。如圖3所示:
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(1) 復(fù)位電路采用手動復(fù)位,高電平有效。
(2) 時鐘電路使用外部獨(dú)立時鐘振蕩器所產(chǎn)生的時鐘信號,本設(shè)計采用12MHz晶振。
(3) 串行RAM用于存儲處理后數(shù)據(jù)。
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(wěn)壓器(MC7812),溫度傳感器(Cu100)、差動放大器(AD620)和A/D轉(zhuǎn)換器(AD1674)組成。
3.4.1溫度傳感器
本設(shè)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(shù)較人、精度高、價格便宜、重復(fù)性及穩(wěn)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(nèi),并且在這個溫度范圍內(nèi)線性度比較好。
3.4.2差動放大器
AD620是低價格、高精密度儀器放大器。它只需一個外接電阻,就能方便地進(jìn)行各種增益(1-1000)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)過程控制、多路轉(zhuǎn)換應(yīng)用系統(tǒng)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。
3.4.3 A/D轉(zhuǎn)換器
1.選用AD公司生產(chǎn)的逐次逼近式模/數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換單片集成電路。該芯片內(nèi)部自帶采樣保持器(SHA)、10伏基準(zhǔn)電壓源、時鐘源以及口丁和微處理器總線直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器。與原有同系列的AD574A!674A相比,AD1674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)計板面積人人減小,因而口J一降低成本并提高系統(tǒng)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(wěn)壓電源,CONS銅電阻插口,OD620差壓放大器,!AD1674進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,為避免放大器輸出電壓過大燒壞A/D轉(zhuǎn)換芯片,設(shè)有過壓保護(hù)環(huán)節(jié)。
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3.4.6 流量測量的設(shè)計
經(jīng)過綜合考慮各種因素,本設(shè)計采用變磁阻式的霍爾傳感器流量測量儀,葉輪的旋轉(zhuǎn)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(jī)輸入端計數(shù),工作簡單可靠。通過測量霍爾集成傳感器的輸出脈沖的個數(shù)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(shè)計
本設(shè)計顯示部分選用LED顯示器,其由發(fā)光二極管組成,采用動態(tài)顯示方法;74LS438實現(xiàn)位選,CD4534段選。
4 熱量計軟件設(shè)計
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(shè)計組成。初始化程序?qū)μ厥鉅顟B(tài)寄存器賦值、啟動數(shù)碼顯示和A/D轉(zhuǎn)換等。初始化主程序主要用來對單片機(jī)的一些寄存器、工/0口等的初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置,對一些兀芯片的電源進(jìn)行開/關(guān)。如初始化堆棧指針,關(guān)中斷,停止看門狗,清除中斷標(biāo)志等;對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn),對一些重要參數(shù)校準(zhǔn)存儲,如溫度電橋電阻,運(yùn)算放大器放大倍數(shù),零點(diǎn)漂移;接著程序進(jìn)入主循環(huán),開啟中斷,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(tǒng)通訊部分設(shè)計
熱量計系統(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)一可以按照設(shè)定的抄存項目、起始時間和時間間隔,定時、自動抄收存儲在采集器中的凍結(jié)數(shù)據(jù)或?qū)崟r數(shù)據(jù),可以打印成報表和計費(fèi)發(fā)票,也可以生成數(shù)據(jù)文件提交給其它應(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)來的命令,根據(jù)命令將各臺戶機(jī)的測量值及工作狀態(tài)報送上位機(jī)。采集器是聯(lián)系用戶家中的戶機(jī)和管理中心的PC機(jī)之間的紐帶。
6 小結(jié)與本文作者創(chuàng)新點(diǎn):
本文設(shè)計的熱量計是內(nèi)嵌微處理器的智能化測量儀表,與傳統(tǒng)的機(jī)械式儀表相比具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、實時性好、靈敏度高;功耗低,整個系統(tǒng)的動態(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;操作簡便,用戶通過一個按鍵就可以查詢所有數(shù)據(jù)和信息,并在LCD上顯示出來,結(jié)果直觀。和傳統(tǒng)儀表相比成本大大降低,而且抗干擾性好、安裝維護(hù)方便、測量精度高,具有較高的性能/價格比。
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