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基于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范化，對熱能的準確計量成為一個比較關鍵的環節。文中介紹了熱能表的組成和工作原理，給出了一種基于PIC16C64單片機的熱能表設計方案，同時對設計和使用中的一些問題進行了討論并提出了解決辦法。關鍵詞：熱能表單片機溫度傳感器PIC16C64
隨著我國福利制度的改革，供暖制度也發生了相應的變化。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，它能夠根據流量計提供的熱水體積流量和進水、回水溫度差等數據計算出消耗的熱能。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為流過采暖設備的熱水體積，單位為升（L）；t供水、t回水為流過采暖設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，只要測得采暖設備進水和回水的溫差以及流過采暖設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硬件電路構成及實現原理
2.1硬件組成
根據上面的分析，筆者設計了一種基于PIC16C74單片機的熱能表，其組成框圖如圖2所示。該系統主要由CPU、流量計、A/D轉換器、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轉換器組成溫度采集電路，可測量采暖設備進水和回水的溫度。為了保證測量精度，設計中選用了12位串行A/D轉換器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備的熱水體積，每流過一定體積的熱水，流量計內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信息等。EEPROM存儲器用于存儲系統信息和消耗的熱能。時鐘電路用于為整個系統提供系統時間。用鍵盤可實現各種操作，如：通過鍵盤可以查看水溫、消耗的熱能和系統信息等。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部分電路的電源，以降低系統功耗。系統設置是在每次加電時設備系統的年、月、日、小時和分等時間信息。另外，當系統出現故障時，它也可向CPU申請中斷，以使CPU將當時的時間、熱能值和故障信息寫入EEPROM以備查詢。
2.2系統工作過程
該系統的工作流程圖如圖3所示。每次加電時，一般先設備系統信息，然后CPU進入休眠狀態，并等待處理各種中斷。在CPU進入休眠狀態前，需關閉溫度傳感器、A/D轉換器和顯示器的電源以減小系統功耗。處理完中斷后，CPU再次進入休眠狀態以等待下一次中斷。水表中斷表示已經有一定體積的熱水流水采暖設備，需要計算一次熱耗。鍵盤中斷表示應處理各種顯示，而故障中斷則表示系統某個部分出現故障，此時CPU應將故障類型和此時的有關信息寫入EEPROM。
3注意事項
3.1溫度測量誤差和傳感器配對誤差
從熱耗計算公式可以看出，溫度測量誤差和傳感器配對誤差均會引起測量誤差。鑒于這種情況，設計時一方面必須選用性能良好的溫度傳感器；另一方面應使溫度傳感器的特性呈線性關系且兩只傳感器的溫度特性曲線應當一致。但是，常常溫度傳感器特性在0℃～100℃并非線性，每只傳感器的特生曲線又不盡相同。因此，除了采用性能比較好的鉑電阻作為溫度傳感器外，還必須對每只熱能表通過硬件或軟件校正。由于硬件校正會增加成本，因而多采用軟件校正。具體做法是將整個測溫范圍根據允許的測量誤差分為若干段，校正時測出各校正點的誤差并存儲到EEPROM。而實際工作時，先測出水溫，然后采用查表的辦法從誤差中查出修正值來對所測的溫度進行修正。如果測出的水溫不是正好在校正點上，則可采用插值估算的辦法予以修正。這樣處理不僅可以解決溫度測量誤差，同時也可以解決傳感器的配對誤差。
3.2功耗和抗電磁干擾
由于熱能表長期處于無人看守狀態，且只能使用電池供電，因此，設計時，要求系統功耗應非常低，且抗電磁干擾的性能要好。
正是為了降低系統功耗，設計時除顯示器外，所有的器件都采用3.3V的低功耗器件。比如，作控制核心，PIC16C64具有功耗低、運行速度快等特點，其工作電流只有1mA(3.3V@32kHz時)，進入休眠狀態后只有幾微安且可以用中斷將其從休眠狀態喚醒。溫度傳感器、A/D轉換器和顯示器是系統的主要耗能器件，因此在不使用時應將它們的電源切斷，以進一步降低功耗。另外，由于PIC16C64的數據總線和地址總線都埋在芯片內部，因此，具有良好的抗電磁干擾性能。
4結束語
本文設計的熱能表具有結構簡單，計量準確的特點，可用于住宅小區或單元住戶的采暖計量。檢測結果表明：溫度測量誤差不大于±+0.15℃，傳感器配對誤差不大于±0.09℃。
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