PIC單片機的熱能表研制

摘要：隨著我國福利制度的改革和熱能計量的規(guī)范化，對熱能的準確計量成為一個比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。文中介紹了熱能表的組成和工作原理，給出了一種基于PIC16C64單片機的熱能表設(shè)計方案，同時對設(shè)計和使用中的一些問題進行了討論并提出了解決辦法。
關(guān)鍵詞：熱能表 單片機 溫度傳感器 PIC16C64

隨著我國福利制度的改革，供暖制度也發(fā)生了相應(yīng)的變化。原來的供暖收費存在著對使用的熱能估算不準確、收費不合理等問題。為此，國家建設(shè)部在一些城市實施供暖制度改革試點，并對熱能實行計量收費，這就要求對使用的熱能進行準確的計量。本文給出了一種基于PIC16C64單片機的、針對熱水供暖的熱能表設(shè)計方案。

1 熱能表的組成原理

一般熱能表的原理框圖如圖1所示，它主要由積分儀、流量計和溫度傳感器三部分組成。流量計用于計量流過采暖設(shè)備的熱水的體積。兩只溫度傳感器分別用于測量進水溫度和回水溫度。積分儀是熱能表的核心，它能夠根據(jù)流量計提供的熱水體積流量和進水、回水溫度差等數(shù)據(jù)計算出消耗的熱能。其計算公式如下：

Q=CV(t供水-t回水)

其中，Q為消耗的熱能，單位為kWh；C為水的比熱容（C=0.001167kWh/L.℃）；V為流過采暖設(shè)備的熱水體積，單位為升（L）；t供水、t回水為流過采暖設(shè)備進水口和回水口的熱水溫度，單位為℃。

從熱能的消耗計算公式可以看出，只要測得采暖設(shè)備進水和回水的溫差以及流過采暖設(shè)備的熱水體積就可以計算出消耗的熱能，因此，引起計量誤差的因素有：

（1）流量計的精度；

（2）溫度測量的準確度；

（3）兩只溫度傳感器的配對誤差；

（4）積分儀的計算精度。

對于流量計引起的誤差，可以通過選取精度較高的流量計來解決，計算精度可以采用合適的CPU和完善的算法來解決。對于溫度測量，國家有相應(yīng)的標準，溫度測量誤差一般不大于±0.3℃,而兩只溫度傳感器的配對誤差應(yīng)不大于±0.1℃，所以需要重點解決。

另外，由于熱能表通常是安裝在室外且長期使用，所以，熱能表的功耗、抗電磁干擾、可靠性因素都需要加以考慮。

2 硬件電路構(gòu)成及實現(xiàn)原理

2.1 硬件組成

根據(jù)上面的分析，筆者設(shè)計了一種基于PIC16C74單片機的熱能表，其組成框圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要由CPU、流量計、A/D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、LCD顯示器、電路控制、EEPROM存儲器和時鐘電路等部分組成。其中CPU采用Microchip公司的微處理器PIC16C64，它是系統(tǒng)的核心，用于完成所有的控制和計算功能。溫度傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器組成溫度采集電路，可測量采暖設(shè)備進水和回水的溫度。為了保證測量精度，設(shè)計中選用了12位串行A/D轉(zhuǎn)換器ADS7844，理論上，ADS7844的溫度采集精度可達0.03℃。流量計用于測量流過取暖設(shè)備的熱水體積，每流過一定體積的熱水，流量計內(nèi)部的干簧管閉合一次。將這個信號接到CPU的外部中斷輸入端，干簧管每閉合一次就向CPU申請一次中斷，CPU用該信號累計流過采暖設(shè)備的熱水的體積來進行熱能計算。在需要時，還可以通過LCD顯示器來顯示水溫和消耗的熱能以及系統(tǒng)信息等。EEPROM存儲器用于存儲系統(tǒng)信息和消耗的熱能。時鐘電路用于為整個系統(tǒng)提供系統(tǒng)時間。用鍵盤可實現(xiàn)各種操作，如：通過鍵盤可以查看水溫、消耗的熱能和系統(tǒng)信息等。電源控制電路主要是在不需要顯示和溫度測量時切斷相應(yīng)部分電路的電源，以降低系統(tǒng)功耗。系統(tǒng)設(shè)置是在每次加電時設(shè)備系統(tǒng)的年、月、日、小時和分等時間信息。另外，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，它也可向CPU申請中斷，以使CPU將當(dāng)時的時間、熱能值和故障信息寫入EEPROM以備查詢。