基于PIC16C73單片機的智能熱量計量表設計

隨著人民生活居住條件的不斷改善，環(huán)保意識的增強，現今城鎮(zhèn)居民及企事業(yè)單位采暖大都采用集中供熱方式，供熱熱源生產規(guī)模逐年擴大。供熱熱源為各片用戶供熱的主供熱管道的進水口、回水口往往相距幾百米，熱源生產廠家熱切需要在此工況下能安全、可靠、準確、長期穩(wěn)定工作的熱量計量表。熱量計量表同時還能進行其它相關數據的記錄、儲存及遠程通訊傳輸。為繳費和運行管理提供可靠數據。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201610/308708.htm

1 計量原理

根據傳熱學知識可知，1.6 Mpa壓力下，在0～95℃溫度范圍內，水的密度

ρ=1 001.093 78-0.076 73t+0.003 57t2 (1)

式中，ρ為水的密度，單位kg/m3;t為溫度，單位℃。

水的焓值為

h=27.596 1+1.529 19t+0.041 24t2 (2)

式中，h為水的焓值，單位kJ/kg。

設熱源出水口溫度為t1，回水口溫度為t2。熱源出水口焓值h1和回水口焓值h2可以由式(2)求得。熱源出水口與回水口間的焓值差為

△h=h1-h2 (3)

熱源輸出的熱量為

Q=ρ1△hV (4)

式中，Q為熱源輸出的熱量，單位kJ;V為熱源出水口輸出體積，單位m3。

在熱能計量表的熱能計量時，熱源出水口輸出體積V通常取定值，則V被稱為熱源出水口體積流量。

通過單片機若能準確地測得熱源出水口溫度為t1和回水口溫度為t2，以及熱源出水口體積流量V，就能精確的完成熱能計量。單片機同時還完成各種數值運算、累加、儲存、顯示以及與上位機通訊等各項工作。

2 系統(tǒng)硬件設計

智能熱能計量表系統(tǒng)總體結構圖如圖1所示。

2.1 單片機

智能熱能計量表的核心是MICROCHIP公司出品的PIC16C73單片機。該芯片為8位單片機，雙列直插28腳封裝，192字節(jié)的RAM，4K字節(jié)EPROM，22個I/O口，3個定時/計數器，2個捕捉輸入/比較輸出/PWM輸出，2個串行口可設定為SPI或I2C總線方式，5通道高速8位A/D轉換器。自帶上電復位、上電定時器和振蕩器起振定時器，片內RC振蕩器的看門狗定時器，有程序代碼保護和省電的睡眠工作方式。由PIC16C7單片機構成的系統(tǒng)，能有效地減少外部元件，降低功耗、成本，增加系統(tǒng)可靠性。一旦程序跑飛，看門狗會自動使系統(tǒng)復位，程序從頭重新執(zhí)行。

2.2 數字測溫器件

常規(guī)模擬式溫度測量，需用一系列電路來完成信號調理、放大、采樣保持并進行A/D轉換，成本較高，需要調試和校正，占用較多的硬件資源，且測量距離較短。而所使用的DALLAS公司生產的一總線式數字溫度傳感器DS18B20，具有3引腳TO—92小體積封裝形式;溫度測量范圍為-55～+125℃，可編程為12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.062 5℃，精度為±0.5℃。被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出;其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生;與單片機連接簡單，提高了傳感器的可靠性。單片機與DS18B20間的測量距離與其連接電纜線間電容有關，通常的連接電纜由于線間電容較大，數字信號衰減嚴重，測溫距離一般在100 m以內。經過理論分析和實踐驗證，本裝置采用三類雙絞線作為傳輸線，其數據線的絞合結構能大大減小線間電容，有效延長傳輸距離，本裝置溫度傳感器有效測量距離可達400 m。

2.3 流量傳感器

熱源出水口體積流量采用自適應式磁體一干簧管傳感器，它又稱為“推挽雙穩(wěn)態(tài)”結構傳感器，其狀態(tài)只有兩個：斷開狀態(tài)和吸合狀態(tài)，而沒有溫和緩沖的自保持過渡狀態(tài)，可以大大減小如水錘現象那樣的外界干擾，避免誤動作輸入造成的計數誤差，工作更加穩(wěn)定，計量更精確。

2.4 串行E2PROM

選用ATMEL公司出品的24C02作為存儲器。它為I2C總線串口E2PROM，內含2K的8位存儲單元，具有擦除/寫入周期10萬次和數據保留100年的高可靠性。用它來存儲累計流量、累計熱量、運行天數以及鍵盤設置參數等信息，數據掉電后不揮發(fā)。對存儲在芯片中的數據，可通過軟件利用加密算法進行加密處理，提高安全性，擴大器件的應用范圍。

2.5 LCD液晶顯示

采用LCM08TJY8位8字加段提示符液晶顯示模塊顯示必要的信息。它內置顯示RAM，可顯示任意字段筆劃，I2C總線串口方式傳輸數據。低功耗，寬電壓，視角對比度可調，顯示清晰，穩(wěn)定可靠，使用編程簡單。通過按鍵控制可循環(huán)顯示累計熱量、累計流量、進回水口水溫及溫差、運行天數等信息。自帶2 kHz和4 kHz蜂鳴器驅動，可在系統(tǒng)故障時發(fā)出聲音報警信號。

2.6 PCF8563時鐘芯片

該芯片是PHILIPS公司推出的一款帶I2C總線，具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片。具有4種報警功能和定時功能;內部時鐘電路、內部振蕩電路、內部低電壓檢測及兩線式I2C總線通信方式，不但簡化外圍電路，而且增加了芯片的可靠性。本系統(tǒng)利用天報警功能以記錄系統(tǒng)運行天數。稍加修改即可記錄運行小時數、顯示當前時間等，進一步增強系統(tǒng)功能。

2.7 MAX487通訊芯片時鐘芯片

MAX485接口芯片是Maxim公司的一種能夠實現RS-485通訊的芯片。用于RS-485與RS-422通信的低功耗收發(fā)器，它具有一個驅動器和一個接收器，并具有限擺率驅動器，可以有效減小EMI，降低由不恰當的終端匹配電纜引起的反射，實現最高250 kbps的無差錯數據傳輸。本設計利用該芯片可以將熱量表的實時數據上傳給管理部門的計算機。

2.8 系統(tǒng)電路圖

智能熱能計量表系統(tǒng)電路圖如圖2所示。其中的按鍵用于激活液晶顯示以及瀏覽更換希望顯示的內容。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件由主程序、中斷服務程序及各種子程序組成，其中中斷有體積流量中斷、與上位機串口通訊中斷、日期中斷和按鍵中斷。為便于程序分析使用，系統(tǒng)軟件采用結構化模塊程序設計方法，各模塊間采用子程序調用連接。針對單片機處理浮點數能力較弱的缺點，所有數據采用24Bit有符號數表示形式，其表示范圍絕對值可達0.5×10-127到1×101 28，精度可達2-16。體積流量則采用動態(tài)設置，其范圍可從0.1～99.9 m3，極大的擴展了熱表的計量范圍。為了提高系統(tǒng)的可靠性，做到在任何情況下不丟失數據，除了硬件預防措施外，采用看門狗和軟件陷阱捕獲由于電源電壓波動、電磁干擾等導致的程序“跑飛”，將程序引向錯誤處理程序，以恢復系統(tǒng)的正常運行。為了避免線路故障和元器件失效，系統(tǒng)每次讀取溫度傳感器和EEPROM都進行檢測，一旦有故障則自動發(fā)出蜂鳴報警和出錯顯示。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。體積流量中斷服務程序流程圖如圖4所示。

4 結論

智能熱能計量表采用一總線式數字溫度傳感器DS18B20同檢測出水、回水溫度，采用自適應式磁體一干簧管傳感器檢測出水口體積流量，再加上PIC16C73內帶看門狗功能，以及程序自檢功能，有力的提高了智能熱能計量表的可靠性、準確性和穩(wěn)定性，極具實用價值。