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(1.云南電網(wǎng)公司電力科學研究院，云南 昆明 650217；2. 云南電網(wǎng)公司博士后科研工作站，云南 昆明 650217)

STC微控制器的能量集中分戶計量單元研究

曹敏1，王洪亮1,2，陳先富1，畢志周1，張少泉1

(1.云南電網(wǎng)公司電力科學研究院，云南 昆明 650217；2. 云南電網(wǎng)公司博士后科研工作站，云南 昆明 650217)

現(xiàn)行分戶熱計量收費形式大多采用按面積收費和按熱量收費相結合的方法，這種熱量收費制度存在其不合理性。目前，國家積極推行的分戶熱計量收費方式，把每戶用熱量單獨計量并按實際用熱量計費。為此，設計研究了一種基于STC 微控制器的能量集中分戶計量單元，并根據(jù)住戶的溫差為依據(jù)計算得出住戶用熱量，這樣既滿足了用戶的舒適性需求，又可以節(jié)省熱費，具有實用性。

STC;能量計量;集中分戶

0 引言

我國既有居住建筑開展供暖分戶熱計量改造和節(jié)能改造[1]，現(xiàn)行分戶熱計量收費形式大多采用按面積收費和按熱量收費相結合的方法，按面積收費就是按照住戶的住宅面積收取基本熱費，而按熱量收費就是根據(jù)用戶熱量儀表測得的熱量收費。分戶熱計量實施之后，供暖節(jié)能成為人們冬季取暖時的一種自覺行為。用戶可以根據(jù)自己對室溫的需要去調(diào)整溫控閥，既滿足了用戶的舒適性需求又節(jié)約了能源，而用戶又可以節(jié)省熱費。研究的能量計量裝置，是對各用戶使用供暖設備時所消耗的能量進行計量，同時顯示消耗能量的多少的系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結構設計

系統(tǒng)結構設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構

2 系統(tǒng)硬件設計

2．1主控制器

主控制器是整個熱量表的核心，它根據(jù)流量計與配對溫度傳感器提供的流量和溫度信號計算溫度與流量，并且計算供暖系統(tǒng)消耗的熱量和其他統(tǒng)計參數(shù)，顯示記錄輸出[2]。設Δt時間內(nèi)流過熱交換器的流量為Q，這段時間內(nèi)進出流體的溫差為ΔT。根據(jù)熱力學定理，在Δt時間內(nèi)系統(tǒng)消耗的能量為：

E=ΔT×Δt

(1)

由積分原理可知用戶所消耗的熱量公式為：

(2)

E為熱交換系統(tǒng)輸出熱量;K為熱焓值修正系數(shù);ΔT為進水和回水溫差;Q為瞬時熱水流;T為流量積累時間。

設計采用帶A/D轉(zhuǎn)化的單片機STC12C5410AD，省去了在外部電路加A/D轉(zhuǎn)換器的麻煩。在熱量表系統(tǒng)設計中采用了價格低廉、編程方便和內(nèi)部集成資源豐富的STC12C5410AD單片機，由于此STC單片機具有內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器、EEPROM和高速計數(shù)器等優(yōu)點，所以無須外加A/D轉(zhuǎn)換芯片、EEPROM芯片電路，一片解決控制芯片、A/D轉(zhuǎn)換芯片、EEPROM等，即一片主控芯片就可以完成控制系統(tǒng)的全部任務。同時該芯片較普通單片機抗干擾能力更強，所以能夠滿足控制系統(tǒng)的穩(wěn)定要求[3]。

2.2溫度采集與測量電路

溫度測量電路用來測量進出熱交換器水的溫度差,如圖2所示。圖中T1、T2分別為測量進出熱交換器水溫的半導體溫度傳感器即AD590。當不同水溫的水經(jīng)過溫度傳感器時，在AD590上發(fā)生電流的變化。溫度每變化1℃時，T1、T2變化1 μA。T1、T2分別接上電阻后形成變化的電壓U1,U2，然后輸入減法器U1A中，形成一個電壓差，從U1A的1端輸出。其電壓差反應了進出熱交換器的溫度差。由于U1A輸出的電壓差較小，不能直接進行A/D轉(zhuǎn)換，因此電路中加入運算放大U1D為主的50倍放大器電路進行放大。放大信號從U1D的14腳輸出。為了便于校正和調(diào)整，在電路中又加了由U1C和一些電阻組成的調(diào)整電路,以便消除溫度傳感器參數(shù)的分散性產(chǎn)生的誤差。經(jīng)過調(diào)整后電壓差由U1C的8腳輸出，送到單片機的A/D端口進行轉(zhuǎn)換[4]。

圖2 溫差測量電路

2.3流量測量電路

RQ6、T3組成了流量測量電路,如圖3所示。T3為旋轉(zhuǎn)式流量傳感器的接口，在流量傳感器下端裝有一塊葉片，與水接觸。在上端裝有一個小圓盤，圓盤上固定有一塊永久性磁鋼。在圓盤的旁邊連接有磁敏感元件UGN3120。當水流通過流量傳感器時，將推動葉片旋轉(zhuǎn)，葉片旋轉(zhuǎn)帶動小圓盤旋轉(zhuǎn)，小圓盤每旋轉(zhuǎn)一圈，磁鋼接近磁敏感元件一次，磁敏感元件就發(fā)出一個低電平脈沖。當水量小時，葉片旋轉(zhuǎn)慢，單位時間內(nèi)磁鋼發(fā)出的脈沖少，當水量大時，葉片旋轉(zhuǎn)快，單位時間內(nèi)磁鋼發(fā)出的脈沖多。此外，水的流量還與供熱水管的直徑有關，經(jīng)過反復測試校準，磁敏感元件發(fā)出2個低脈沖之間流水量為10L。故確定為流量傳感器的定標值。脈沖經(jīng)過T3的2端進入到單片機的外部中端口進行脈沖計數(shù)[4]。

圖3 流量測量電路

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1主程序設計

主程序設計流程圖如圖4所示。

圖4 主程序設計流程

3.2流量測量模塊

在設計中，單片機的外部中斷口INT1，接收外部流量脈沖信號，采用下降沿觸發(fā)方式，來一個脈沖，脈沖計數(shù)存儲器里的數(shù)加1。流量脈沖數(shù)就對應供暖設備中水的流量,到1 min后，單片機讀取脈沖數(shù)，進行熱量值計數(shù)。此時，流量計數(shù)存儲器清零，接著進行下1 min的流量計數(shù)。程序框圖如圖5所示。

圖5 流量測量程序框圖

4 結束語

能量集中分戶計量單元顯示的是用戶所用熱量的累計值，用戶根據(jù)熱量的累計值對所用熱量進行付費，基本實現(xiàn)用戶按實際使用熱量進行付費的目的。此外，還可以通過該電路與PC機進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，通過聯(lián)網(wǎng)形成遠程抄表，避免了傳統(tǒng)就地人工抄表的麻煩。因此,研究為其他類型的熱量表、水表等設計提供新的思路和參考，具有一定的推廣性。

[1] 潘琢金,施國君.C8051Fxxx高速SOC單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[2] 王洪亮,董浩斌,王軍民,等.井中過金屬套管瞬變電磁脈沖采集單元研究[J].石油地球物理勘探,2013(5):804-808.

[3] 曾剛,賀蓉,徐成,等.DTMF遠程通信的軟硬件實現(xiàn)技術[J].電子技術應用,2000(05):44-46.

[4] 王洪亮,董浩斌,蔣國盛,等.基于相關自適應器EM-MWD信號檢測系統(tǒng)設計[J].儀器儀表學報,2012,33(5):1013-1018.

Study of Energy Centralized Household Energy Metering Unit of STC Microcontroller

CAOMin1,WANGHongliang1,2,CHENXianfu1,BIZhizhou1,ZHANGShaoquan1

(1.Yunnan Power Grid Electric Research Institute ,Kunming 650217，China;2.Postdoctoral Research Workstation of Yunnan Power grid Corporation,Kunming 650217,China)

Existing household heat metering charges mostly used in the form of fees by area and methods charge on heat combining its existence unreasonable this heat charging system. Currently household heat metering mode state actively pursued,the household with the heat measured separately according to the actual use of heat billing.For this reason this paper,a design based on STC microcontroller energy concentrated household metering unit and is calculated based on households with heat,so that both meets the needs of users comfortable temperature difference according to the household, and can save heating costs,it has a strong practical significance.

STC;energy metering;centralized household

2014-04-29

中國博士后科學基金特別資助項目(2014T70891)

TP368

A

1001-2257(2014)11-0006-03

曹敏(1961-)，男，云南昆明人，教授級高級工程師，云南電網(wǎng)公司首席技術專家，研究方向為計量測試技術;王洪亮(1984-)，男，山東棗莊人，博士，博士后,研究方向為物聯(lián)網(wǎng)及計量測試技術。