基于PIC16C64單片機(jī)的熱能表研制

隨著我國福利制度的改革，供暖制度也發(fā)生了相應(yīng)的變化。原來的供暖收費(fèi)存在著對(duì)使用的熱能估算不準(zhǔn)確、收費(fèi)不合理等問題。為此，國家建設(shè)部在一些城市實(shí)施供暖制度改革試點(diǎn)，并對(duì)熱能實(shí)行計(jì)量收費(fèi)，這就要求對(duì)使用的熱能進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)量。本文給出了一種基于PIC16C64單片機(jī)的、針對(duì)熱水供暖的熱能表設(shè)計(jì)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(jì)和溫度傳感器三部分組成。流量計(jì)用于計(jì)量流過采暖設(shè)備的熱水的體積。兩只溫度傳感器分別用于測(cè)量進(jìn)水溫度和回水溫度。積分儀是熱能表的核心，它能夠根據(jù)流量計(jì)提供的熱水體積流量和進(jìn)水、回水溫度差等數(shù)據(jù)計(jì)算出消耗的熱能。其計(jì)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(shè)備的熱水體積，單位為升（L）；t供水、t回水為流過采暖設(shè)備進(jìn)水口和回水口的熱水溫度，單位為℃。

從熱能的消耗計(jì)算公式可以看出，只要測(cè)得采暖設(shè)備進(jìn)水和回水的溫差以及流過采暖設(shè)備的熱水體積就可以計(jì)算出消耗的熱能，因此，引起計(jì)量誤差的因素有：

（1）流量計(jì)的精度；

（2）溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度；

（3）兩只溫度傳感器的配對(duì)誤差；

（4）積分儀的計(jì)算精度。

對(duì)于流量計(jì)引起的誤差，可以通過選取精度較高的流量計(jì)來解決，計(jì)算精度可以采用合適的CPU和完善的算法來解決。對(duì)于溫度測(cè)量，國家有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，溫度測(cè)量誤差一般不大于±0.3℃,而兩只溫度傳感器的配對(duì)誤差應(yīng)不大于±0.1℃，所以需要重點(diǎn)解決。

另外，由于熱能表通常是安裝在室外且長(zhǎng)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(gòu)成及實(shí)現(xiàn)原理

2.1 硬件組成

根據(jù)上面的分析，筆者設(shè)計(jì)了一種基于PIC16C74單片機(jī)的熱能表，其組成框圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要由CPU、流量計(jì)、A/D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、LCD顯示器、電路控制、EEPROM存儲(chǔ)器和時(shí)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(tǒng)的核心，用于完成所有的控制和計(jì)算功能。溫度傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器組成溫度采集電路，可測(cè)量采暖設(shè)備進(jìn)水和回水的溫度。為了保證測(cè)量精度，設(shè)計(jì)中選用了12位串行A/D轉(zhuǎn)換器ADS7844，理論上，ADS7844的溫度采集精度可達(dá)0.03℃。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)內(nèi)部的干簧管閉合一次。將這個(gè)信號(hào)接到CPU的外部中斷輸入端，干簧管每閉合一次就向CPU申請(qǐng)一次中斷，CPU用該信號(hào)累計(jì)流過采暖設(shè)備的熱水的體積來進(jìn)行熱能計(jì)算。在需要時(shí)，還可以通過LCD顯示器來顯示水溫和消耗的熱能以及系統(tǒng)信息等。EEPROM存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)系統(tǒng)信息和消耗的熱能。時(shí)鐘電路用于為整個(gè)系統(tǒng)提供系統(tǒng)時(shí)間。用鍵盤可實(shí)現(xiàn)各種操作，如：通過鍵盤可以查看水溫、消耗的熱能和系統(tǒng)信息等。電源控制電路主要是在不需要顯示和溫度測(cè)量時(shí)切斷相應(yīng)部分電路的電源，以降低系統(tǒng)功耗。系統(tǒng)設(shè)置是在每次加電時(shí)設(shè)備系統(tǒng)的年、月、日、小時(shí)和分等時(shí)間信息。另外，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，它也可向CPU申請(qǐng)中斷，以使CPU將當(dāng)時(shí)的時(shí)間、熱能值和故障信息寫入EEPROM以備查詢。

2.2 系統(tǒng)工作過程

該系統(tǒng)的工作流程圖如圖3所示。每次加電時(shí)，一般先設(shè)備系統(tǒng)信息，然后CPU進(jìn)入休眠狀態(tài)，并等待處理各種中斷。在CPU進(jìn)入休眠狀態(tài)前，需關(guān)閉溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和顯示器的電源以減小系統(tǒng)功耗。處理完中斷后，CPU再次進(jìn)入休眠狀態(tài)以等待下一次中斷。水表中斷表示已經(jīng)有一定體積的熱水流水采暖設(shè)備，需要計(jì)算一次熱耗。鍵盤中斷表示應(yīng)處理各種顯示，而故障中斷則表示系統(tǒng)某個(gè)部分出現(xiàn)故障，此時(shí)CPU應(yīng)將故障類型和此時(shí)的有關(guān)信息寫入EEPROM。

3 注意事項(xiàng)

3.1 溫度測(cè)量誤差和傳感器配對(duì)誤差

從熱耗計(jì)算公式可以看出，溫度測(cè)量誤差和傳感器配對(duì)誤差均會(huì)引起測(cè)量誤差。鑒于這種情況，設(shè)計(jì)時(shí)一方面必須選用性能良好的溫度傳感器；另一方面應(yīng)使溫度傳感器的特性呈線性關(guān)系且兩只傳感器的溫度特性曲線應(yīng)當(dāng)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(duì)每只熱能表通過硬件或軟件校正。由于硬件校正會(huì)增加成本，因而多采用軟件校正。具體做法是將整個(gè)測(cè)溫范圍根據(jù)允許的測(cè)量誤差分為若干段，校正時(shí)測(cè)出各校正點(diǎn)的誤差并存儲(chǔ)到EEPROM。而實(shí)際工作時(shí)，先測(cè)出水溫，然后采用查表的辦法從誤差中查出修正值來對(duì)所測(cè)的溫度進(jìn)行修正。如果測(cè)出的水溫不是正好在校正點(diǎn)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(cè)量誤差，同時(shí)也可以解決傳感器的配對(duì)誤差。

3.2 功耗和抗電磁干擾

由于熱能表長(zhǎng)期處于無人看守狀態(tài)，且只能使用電池供電，因此，設(shè)計(jì)時(shí)，要求系統(tǒng)功耗應(yīng)非常低，且抗電磁干擾的性能要好。

正是為了降低系統(tǒng)功耗，設(shè)計(jì)時(shí)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(yùn)行速度快等特點(diǎn)，其工作電流只有1mA(3.3V@32kHz時(shí))，進(jìn)入休眠狀態(tài)后只有幾微安且可以用中斷將其從休眠狀態(tài)喚醒。溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和顯示器是系統(tǒng)的主要耗能器件，因此在不使用時(shí)應(yīng)將它們的電源切斷，以進(jìn)一步降低功耗。另外，由于PIC16C64的數(shù)據(jù)總線和地址總線都埋在芯片內(nèi)部，因此，具有良好的抗電磁干擾性能。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的熱能表具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)量準(zhǔn)確的特點(diǎn)，可用于住宅小區(qū)或單元住戶的采暖計(jì)量。檢測(cè)結(jié)果表明：溫度測(cè)量誤差不大于±+0.15℃，傳感器配對(duì)誤差不大于±0.09℃。