西安建筑科技大學(xué)信控學(xué)院 焦 婷 李昌華

基于Modbus和MSP430單片機(jī)的樓宇熱能計(jì)量終端

西安建筑科技大學(xué)信控學(xué)院 焦 婷 李昌華

本文研究了基于Modbus和MSP430單片機(jī)的樓宇熱能計(jì)量終端，主要介紹了其工作原理及軟硬件部分的選擇與設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)供熱水管中流水溫度的檢測(cè)、流量的檢測(cè)，最終達(dá)到對(duì)熱能的計(jì)量，并具有按鍵設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示功能，以及通過Modbus進(jìn)行的人機(jī)交互功能。

Modbus；MSP430；熱能計(jì)量終端；人機(jī)交互

1.引言

我國(guó)地域廣闊，人口眾多。房屋建筑規(guī)模巨大，住宅建設(shè)量大而且面廣，至今仍呈上升趨勢(shì)，而且這個(gè)上升趨勢(shì)還將持續(xù)20～30年。在這種情況下，把"大鍋飯"式的采暖包費(fèi)制，改為按實(shí)際使用熱量向用戶收費(fèi)，無疑是緩解煤電能源緊缺矛盾的有效手段。

隨著我國(guó)熱計(jì)量事業(yè)的快速發(fā)展，建筑物的能量計(jì)量系統(tǒng)必須超越原有的傳統(tǒng)方式，對(duì)供熱收費(fèi)逐漸達(dá)到科學(xué)化及合理化，同時(shí)熱計(jì)量必須實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化才能適應(yīng)智能建筑發(fā)展的需要。

2.熱能計(jì)量終端的整體設(shè)計(jì)思路及工作原理

本設(shè)計(jì)基于Modbus和MSP430單片機(jī)，系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)，溫度、流量檢測(cè)模塊，按鍵與LCD顯示器，以及數(shù)據(jù)通訊模塊等組成。

2.1 熱能計(jì)量終端的整體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)供熱溫度的探測(cè)、流量的探測(cè)，并具有按鍵設(shè)置、遠(yuǎn)程通訊及狀態(tài)顯示功能；溫度探測(cè)采用的是DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度的測(cè)量；流量的檢測(cè)使用滑動(dòng)變阻器來模擬流量的產(chǎn)生；對(duì)于狀態(tài)功能的顯示，使用了常用的LCD1602，以此來顯示采集的溫度和流量值；此外，為了方便溫度值的調(diào)節(jié)，加入了設(shè)置按鍵進(jìn)行操作；對(duì)于單片機(jī)的通訊，使用最小系統(tǒng)版上PL2303，以此傳輸數(shù)據(jù)到上位機(jī)。溫度和流量的探測(cè)都是數(shù)字信號(hào)，可以直接連接單片機(jī)。

系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為方便檢測(cè)與監(jiān)控，使人員及用戶能夠直觀地觀察到供熱的溫度值和流量值，可將數(shù)值送到顯示屏中。

2.2 熱能計(jì)量終端的工作原理

系統(tǒng)的工作原理是：以MSP430F149為核心，用于完成所有的控制和計(jì)算功能。溫度測(cè)量分別用兩個(gè)DS18B20溫度傳感器完成，傳感器分別位于供熱管路的進(jìn)水口和出水口，將兩個(gè)溫度轉(zhuǎn)換為電壓后分別送至MSP430片內(nèi)集成的A/D轉(zhuǎn)換器，該A/D轉(zhuǎn)換精度達(dá)12位，完全滿足要求。流量計(jì)用于測(cè)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(jì)便輸出一個(gè)脈沖。將這個(gè)脈沖作為中斷輸入信號(hào)，CPU用該信號(hào)累計(jì)流過采暖設(shè)備的熱水的體積，以進(jìn)行熱量計(jì)算。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

3.樓宇熱能計(jì)量終端的硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)，或稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對(duì)于MSP430系列單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

3.2 溫度檢測(cè)電路

DS18B20是以單總線的方式與單片機(jī)相連接的，單總線技術(shù)是采用單條信號(hào)線，既可傳輸時(shí)鐘，又可傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，因而這種單總線技術(shù)具有線路簡(jiǎn)單，硬件開銷少，成本低廉，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，電路如圖2所示。

圖2 溫度檢測(cè)電路

3.3 流量檢測(cè)電路

流量檢測(cè)電路中的渦街流量計(jì)是用滑動(dòng)變阻器進(jìn)行模擬的，用滑動(dòng)變阻器的變化量代表模擬信號(hào)，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路來進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的輸出，在實(shí)物電路中P6.0口接流量傳感器，如圖3所示。

圖3 流量檢測(cè)電路

3.4 LCD顯示電路

LCD1602是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。LCD顯示電路接3.3V的電壓供電，DB0～DB7分別與單片機(jī)的P4.0～P4.7相連，如圖4所示：

圖4 LCD顯示電路

3.5 溫度值設(shè)定按鍵電路

獨(dú)立連接式鍵盤是指直接用I/O口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他I/O口線的工作狀態(tài)。共有三個(gè)按鍵，其一為菜單選擇鍵，按下之后可選取想要調(diào)節(jié)的值；剩下兩個(gè)為加減鍵，用來設(shè)定溫度值的大小。

4.熱量計(jì)量終端的軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序的設(shè)計(jì)

開始接上電源，程序進(jìn)行初始化，接下來調(diào)用溫度檢測(cè)子程序，流量檢測(cè)子程序，LCD顯示子程序，接著DS18B20對(duì)供熱溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，流量計(jì)對(duì)熱水的瞬時(shí)流量進(jìn)行采集，并通過單片機(jī)讀取溫度和流量。再調(diào)用LCD顯示子程序顯示實(shí)時(shí)溫度和流量值；最終通過串口傳至上位機(jī)。主程序流程圖如圖5所示。

4.2 DS18B20測(cè)溫子程序設(shè)計(jì)

通過DS18B20把所采集的溫度進(jìn)行讀取，最終將采集溫度信息顯示出來，溫度子程序如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 測(cè)溫子程序

圖7 流量檢測(cè)子程序

圖8 LCD顯示子程序

4.3 流量檢測(cè)子程序設(shè)計(jì)

通過渦街流量計(jì)采集流量值，最終通過LCD顯示，流量檢測(cè)子程序如圖7所示。

4.4 LCD顯示子程序設(shè)計(jì)

LCD顯示初始化后，向其輸入命令，顯示溫度和流量值，通過溫度傳感器，及流量計(jì)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)度變化后顯示到LCD上，是動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)（見圖8）。

5.系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

通過DS18B20檢測(cè)供水及出水溫度，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器即可等到不同的模擬流量值，將經(jīng)檢測(cè)到得數(shù)據(jù)全部顯示到LCD上，也可利用串口助手將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，完成人機(jī)交互。

圖9 測(cè)量結(jié)果

6.結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的基于modbus和MSP430單片機(jī)的樓宇熱能計(jì)量終端能夠很好的滿足現(xiàn)實(shí)需求，且具有體積小、成本低、易操作的優(yōu)點(diǎn)，為建筑智能化的發(fā)展提供了一種新的思路。

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焦婷（1993—），陜西銅川人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于西安建筑科技大學(xué)信控學(xué)院。

李昌華（1963—），寧夏銀川人，教授，碩博士生導(dǎo)師，主要研究方向：數(shù)字建筑，模式識(shí)別。