一、概述

在集中供暖和中央空調(diào)使用收費(fèi)過(guò)程中，目前仍按建筑面積計(jì)算，該方式已不適應(yīng)市場(chǎng)化管理的要求，迫切需要對(duì)用戶(hù)消耗的熱（冷）量進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)量，以維護(hù)用戶(hù)和供暖（冷）雙方的利益，但目前未見(jiàn)該類(lèi)似儀表的廣泛使用。這是由于熱量計(jì)量存有困難，使該類(lèi)儀表和開(kāi)發(fā)受到限制。首先，因?yàn)闊崃繉儆谶^(guò)程量，在實(shí)驗(yàn)或工程測(cè)量中，傳統(tǒng)測(cè)量方法對(duì)過(guò)程量的計(jì)量本身存在較大的難度，而且存在測(cè)量誤差大，修正因素多等問(wèn)題。事實(shí)上，傳統(tǒng)測(cè)量方法無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)熱量的精確計(jì)量，但隨著計(jì)算機(jī)以及信號(hào)處理技術(shù)在熱工參數(shù)測(cè)量中的廣泛應(yīng)用，熱工測(cè)量?jī)x表向智能化、微型化發(fā)展，充分利用微型計(jì)算機(jī)軟、硬件相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)可實(shí)現(xiàn)熱量的精確計(jì)量。

利用傳統(tǒng)的測(cè)量方法完成上式的累計(jì)計(jì)量也是機(jī)極其困難的。

基于以上問(wèn)題，要實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量的精確計(jì)量，只有充分發(fā)揮微型計(jì)算機(jī)的軟、硬件結(jié)合優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小流量、小溫差的測(cè)量以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算、顯示等一系列功能。本文充分發(fā)揮單片微機(jī)系統(tǒng)具有易開(kāi)發(fā)、功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一套熱量計(jì)量?jī)x，實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、精度高、功能強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、易于維護(hù)保養(yǎng)等特點(diǎn)。

二、技術(shù)分析

在熱能工程及材料科學(xué)的研究和生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)熱量的測(cè)量一般采用間接法，該類(lèi)儀表大多僅是對(duì)熱流進(jìn)行測(cè)量，目前工業(yè)化的產(chǎn)品有輻射式熱流計(jì)、熱阻式熱流計(jì)等，該類(lèi)儀表均需實(shí)驗(yàn)標(biāo)定儀表常數(shù)，存在誤差大，測(cè)量滯后等缺點(diǎn)，本文以熱量理論計(jì)算式的離散化方程式為基礎(chǔ)，充分利用MCS51單片機(jī)系統(tǒng)具有易開(kāi)發(fā)，軟硬件結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了熱量的智能化計(jì)算，結(jié)合熱量測(cè)量的難點(diǎn)，使該智能化儀表很好的實(shí)現(xiàn)了以下功能；

（1）溫差的測(cè)量，該功能由兩級(jí)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、有關(guān)采集軟件完成。

（2）小流量的測(cè)量，主要靠磁電感應(yīng)元件將流量信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，由MCS51單片機(jī)及有關(guān)采集軟件，實(shí)現(xiàn)頻率信號(hào)的累計(jì)計(jì)量。

（3）熱量的累計(jì)計(jì)算以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，主要由軟件和相應(yīng)的寄存器來(lái)完成。

（4）斷電保護(hù)功能，系統(tǒng)由于外部斷電，重要數(shù)據(jù)將被寫(xiě)入有關(guān)存儲(chǔ)器并保存，系統(tǒng)自備電源將開(kāi)始工作，并開(kāi)始記錄斷電開(kāi)始時(shí)間以及來(lái)電時(shí)間，來(lái)電后將自動(dòng)將斷電時(shí)間累加后存入外置RAM內(nèi)存儲(chǔ)。

（5）顯示功能，無(wú)論用戶(hù)還是供暖公司均可通過(guò)儀表的顯示功能了解有關(guān)數(shù)據(jù)信息。

（6）清零功能，供暖周期結(jié)束時(shí)供暖公司可以對(duì)儀表進(jìn)行清零，以便于管理。

為實(shí)現(xiàn)儀表的以上功能，系統(tǒng)硬件主要由以下模塊組成：由單片機(jī)MCS51為主附加外部晶振電路以及復(fù)位電路組成的基本模塊、電源模塊、放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊、外置RAM及電壓監(jiān)控模塊、外置時(shí)鐘及流量測(cè)量模塊、鍵盤(pán)及顯示模塊等，其中各模塊的組成以及主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

單片機(jī)MCS51為主組成的基本模塊是該系統(tǒng)的核心部分，主要完成系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理，協(xié)調(diào)其他模塊的工作，使整個(gè)系統(tǒng)步調(diào)一致的工作，選用的芯片是8051型單片機(jī)，具有5個(gè)內(nèi)部中斷，4K的ROM程序存儲(chǔ)器，使用極為方便，外部晶振選用12HZ ，復(fù)位電路主要是為熱量計(jì)運(yùn)行管理方便而設(shè)計(jì)的，與鍵盤(pán)的功能復(fù)位鍵相連。

系統(tǒng)電源模塊：主要完成向系統(tǒng)供5V標(biāo)準(zhǔn)直流工作電壓，包括系統(tǒng)中單片機(jī)、運(yùn)放、LCD顯示以及A/D轉(zhuǎn)換的工作電壓以及標(biāo)準(zhǔn)比較電壓等均由此電源提供，該電源的精密程度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響極大，主要由變壓器、整流電路、穩(wěn)壓管和比較電路組成，該電源輸出的電壓由6.5位的KEITHLEY2000多功能表測(cè)量得到其輸出范圍可穩(wěn)定在：4.9999-5.0001V，其精度是極高的，作為基準(zhǔn)電壓對(duì)系統(tǒng)造成的誤差可以忽略不計(jì)。

放大以及A/D轉(zhuǎn)換模塊：主要功能是完成對(duì)熱電偶的信號(hào)進(jìn)行放大并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入相應(yīng)的寄存器，進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算。該模塊的精度直接影響系統(tǒng)的測(cè)溫精度，是產(chǎn)生溫度測(cè)量誤差的主要來(lái)源，因此放大器件的選擇主要考慮其精密程度、抑制零漂能力、自校準(zhǔn)情況等性能，在系統(tǒng)中選用的芯片是TLC40502，該芯片在調(diào)試過(guò)程中放大5000倍時(shí)起零漂而造成的誤差不大于0.4℃。銅熱電偶在0～100℃范圍內(nèi)熱電勢(shì)36μV/℃，可以出由于零漂而造成的誤差不大于0.4℃。A/D轉(zhuǎn)換器選用TLC0831，該芯片工作溫度區(qū)間為0～70℃，屬于8位串行控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器，易于和微處理器接口連接，該器件的分辨率及量化誤差是影響溫度測(cè)量精度的重要原因，以銅-康銅熱電偶以及測(cè)量放大倍數(shù)可知由于分辨率及量化誤差而引起的最大誤差不大于0.2℃，因此由于放大以及A/D轉(zhuǎn)換而引起的溫度測(cè)量誤差合計(jì)不大于0.6℃，相對(duì)于一般供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫差20℃而言，由于上述原因而引起的最大誤差不大于3%，這一精度是比較高的。

外置RAM及電壓監(jiān)控模塊：外置RAM主要完成對(duì)重要數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，尤其在系統(tǒng)掉電的情況下對(duì)所采集的熱量值進(jìn)行存儲(chǔ)以及掉電時(shí)間進(jìn)行記憶，便于管理，其主要芯片是X24C45，該芯片具有非易失性，便于在線(xiàn)寫(xiě)入等特點(diǎn)。電壓監(jiān)控電路主要完成的功能是：在主電源失效時(shí)將備用電池自動(dòng)接入電路，當(dāng)主電源恢復(fù)時(shí)將備用電池?cái)嚅_(kāi)，以達(dá)到保存系統(tǒng)數(shù)據(jù)的目的，主要芯片是INP708，該芯片帶有看門(mén)狗定時(shí)器以及降壓檢測(cè)的μP監(jiān)控電路。

外置時(shí)鐘及流量測(cè)量模塊：主要完成對(duì)單片機(jī)的運(yùn)算提供時(shí)間記數(shù)以及斷電時(shí)使用電池電源繼續(xù)工作，為記錄斷電時(shí)間提供時(shí)鐘，主要芯片是DSI302，屬于點(diǎn)滴式充電記時(shí)芯片，流量測(cè)量電路主要完成流量信號(hào)的轉(zhuǎn)換及測(cè)量，流體流動(dòng)經(jīng)過(guò)磁電感應(yīng)器、光電耦合器等轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，送入單片機(jī)并記錄累加，完成流量的測(cè)量，該部分是熱量測(cè)量產(chǎn)生誤差的主要來(lái)源之一，關(guān)鍵是流量信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，頻率信號(hào)與流量的對(duì)應(yīng)常數(shù)的標(biāo)定，以及最小流量的影響。

三、結(jié) 論

針對(duì)熱量過(guò)程中存在的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)熱量計(jì)量系統(tǒng)，以滿(mǎn)足集中供暖和中央空調(diào)系統(tǒng)的熱量計(jì)量，具有廣闊的市場(chǎng)前景，該系統(tǒng)具有智能化程度高、性能穩(wěn)定、精度高、功能齊全、易于安裝等特點(diǎn)；經(jīng)實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)表明：

1、該系統(tǒng)具有啟動(dòng)流速小的特點(diǎn)，啟動(dòng)流速小于0.2629m/s，比水表啟動(dòng)的流速小；而在正常流速下，其總體誤差小于4%，這一精度滿(mǎn)足集中供暖和中央空調(diào)系統(tǒng)的熱（冷）量計(jì)量的精度要求。

2、該系統(tǒng)充分利用單片機(jī)具有易開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)，充分利用其強(qiáng)大的軟件處理及數(shù)據(jù)采集運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)了純機(jī)械系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，達(dá)到自動(dòng)記錄、處理、顯示數(shù)據(jù)等智能化要求，自動(dòng)修正測(cè)溫誤差等功能，降低了硬件成本，有利于市場(chǎng)化。

3、外置ROM、電源監(jiān)控以及外置時(shí)鐘、電源設(shè)置，使單片機(jī)系統(tǒng)具有內(nèi)外資源結(jié)合利用，在停電的情況下系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入計(jì)時(shí)，為集中供暖、中央空調(diào)的管理提供了極大的便利，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等功能得到了強(qiáng)化，完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。

4、該系統(tǒng)還具有運(yùn)行部件少、使用壽命長(zhǎng)、功耗低、易維護(hù)和改型，可以滿(mǎn)足不同的流量測(cè)量范圍，易形成系列化生產(chǎn)，同時(shí)具有運(yùn)行穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好等特點(diǎn)。