家用热量表系统设计

基于单片机的家用热量计设计摘要本文针对家用热量计进行设计，采用单片机控制系统、传感器测量温度、流量等参数，通过计算得出热量消耗数据，以便用户准确了解家庭能源使用情况。

其中，本文阐述了热量计工作原理、系统设计、硬件电路及软件设计，详细介绍了各种传感器的选型、信号采集及处理方法，并对系统进行了试验验证，结果表明本系统具有良好的稳定性和准确度，可达到较为理想的计量效果。

关键词：家用热量计；单片机；传感器；能耗计量ABSTRACTThis article designs a household heat meter, which usesa single-chip microcomputer control system and sensors to measure temperature, flow rate and other parameters. Through calculation, the data of heat consumption can be obtained accurately for users to understand the usage of household energy. This paper expounds the working principle of heat meter, system design, hardware circuit and software design, introduces various types of sensors' selection, signal acquisition and processing methods in detail. The system has been tested and verified, and the result shows that thesystem has good stability and accuracy and can achieve ideal measurement effect.Key words: household heat meter; single-chip microcomputer; sensor; energy consumption measurement 导言在当今社会，新能源的发展已成为一个不可逆转的趋势。

摘要：用带有串行总线接口的MCU及器件设计热量表电路，达到电路简单和稳定可靠的热量丈量。

我国居民取热计量收费已是大势所趋，但也是一个热门、难点题目。

计量正确与否直接关系到热量的公道收费和用户的亲身利益，也关系到供热事业的生存和发展。

热量表是用于丈量热交换系统中载热流体开释热量多少的计量用具，用法定计量单位显示热量。

热量表热量计量框图如图1。

图1 热量计量框图将经过严格配对的温度传感器，分别安装于热交换回路的进口和出口的管道上；流量传感器安装于出口或进口管道上。

配对温度传感器检测热交换系统进口和出口流体的温度，流量传感器检测流经热交换系统的流量。

微控制器将采集到的温度、流量数据进行处理，计算出热交换系统所开释的热量，并进行存储或显示。

热量表主要由温度检测、流量检测和微控制器组成。

热量的计算公式为：式中Q载热液体开释的热量(KJ)，qm流经热量表载热液体的质量流量(Kg/s)，hi,h0热交换系统进口温度和出口温度对应的载热液体的焓值(KJ/Kg)，t时间(s)。

从上式可以看出，要计算热量，必须首先检测进出口温度，然后根据温度查表计算对应的热焓值。

热焓值在不同温度下其值不同，既是温差相同，但进出口温度不同，所开释的热量也不相同。

热量表电路设计温度检测电路温度传感器选铂电阻PT1000，铂电阻温度传感器化学性质稳定，正确度高，使用方便，不需冷端补偿。

热量表测温范围不大(0~95℃)，能够满足要求。

温度-电压转换采用桥路方式实现，电路如图2。

图2 温度检测电路桥路电源Vref由MAX6192-2.5V 基准电压源提供，温漂5ppm/℃。

桥臂电阻R1、R2、R4选用同温度系数的精密电阻，减少环境温度变化引起桥路输出的漂移。

另外，为减少铂电阻自热温升，R1、R2阻值选用49K，桥臂电流为0.05mA ,这样因自热温升而产生的丈量误差可忽略不计。

铂电阻的非线性通过软件的方式进行线性处理。

流量检测流量传感器选用远传热水流量计，工作温度0~95℃，传感器为磁敏感器件。

热量表及远传抄表系统方案基于热量表的远传抄表系统方案系统概述热量表的远程抄表管理系统，是针对居民供热分户计量应用而推出的远程抄表解决方案。

本系统由主站、通讯网络、热量表组成，实现数据采集、存储和远传，并对热量表运行工况准确实时监控、用量统计和分析，结算收费、催费。

具有管理和结算功能，可实现多级、多层次分权管理功能。

系统的上行通信信道可以选用DTU、RS485、CAN总线、PDA、TCP/IP；下行通信信道可以选用RS485总线、CAN总线和MBUS总线。

系统框图图一系统方案一框图方案一技术特点：（1）单层网络；（2）数据透明传输。

方案一接口形式：（1）数据上行接口形式：DTU、RS485（CAN、TCP/IP）；（2）数据下行接口形式：MBUS、RS485。

图二系统方案二框图方案二技术特点：（1）单层网络；（2）数据透明传输+数据本地存储；（3）可以PDA数据本地采集。

方案二接口形式：（1）数据上行接口形式：DTU、RS485、CAN、PDA、USB（TCP/IP）；（2）数据下行接口形式：MBUS、RS485、CAN。

三系统方案三框图方案三技术特点：（1）多层网络、多级中继；（2）数据透明传输。

方案三接口形式：（1）第一层采集器：1）数据上行接口形式：DTU、RS485、（CAN、TCP/IP）； 2）数据下行接口形式：MBUS、RS485。

（2）第二层采集器：1）数据上行接口形式：MBUS、RS485；2）数据下行接口形式：MBUS、RS485。

图四系统方案四框图方案四技术特点:（1）多层网络、多级中继；（2）数据透明传输+数据本地存储；（3）可以PDA数据本地采集。

方案四接口形式：（1）第一层集中器：1）数据上行接口形式：DTU、RS485、CAN、PDA、USB（TCP/IP）；2）数据下行接口形式：MBUS、RS485、CAN、（TCP/IP）。

（2）第二层采集器：1）数据上行接口形式：MBUS、RS485、（CAN、TCP/IP）；2）数据下行接口形式：MBUS、RS485。

采暖分户热计量设计一、热计量方式1、户用热量表方式：每户入户装置处设一表，每楼或几楼热力入口处设一总热表。

2、热分配表方式：户内每组散热器上设一热分配表，每楼或几楼热力入口处设总热表。

3、总热表方式：适用于公共建筑。

二、采暖系统形式1、户用热量表方式：共用立管的分户独立系统形式。

2、热分配表或总热表：垂直双管系统或垂直单管跨越式系统及共用立管的分户独立系统形式。

三、户内采暖管道布置方式1、下供下回水平双管式系统：户内供回水干管沿地面明装、或暗敷在本层地面下沟槽或垫层内、或镶嵌在踢脚板内。

地面上局部过门的管道暗敷于沟槽内。

2、上供上回水平双管式系统：户内供水干管沿本层天花板下水平布置。

3、水平单管跨越式系统：户内采暖干管沿地面明装、或暗敷在本层地面下沟槽或垫层内、或镶嵌在踢脚板内。

地面上局部过门的管道暗敷于沟槽内。

4、放射双管式系统或低温热水地板辐射采暖系统：户内管道暗敷在本层地面垫层内。

四、共用水平干管1、建筑物内各副共用立管压力损失相近时，各户共用的供回水水平干管宜同程式布置。

2、共用供回水干管，应设置于住宅的设备层、管沟、地下室或公共用房的适宜空间内，并应具备检修条件。

五、共用立管1、共用立管宜采用下供下回式，其顶端应设自动排气阀。

2、建筑物高度超过50m时，采暖系统及共用立管应根据水力平衡、散热设备承压能力以及化学管材的特性等因素进行竖向分区设置，并应考虑管道热补偿问题。

户内系统采用金属管道和散热器时，应保证各区采暖系统最低层最低点处散热器及化学管材的工作压力不大于0.8MPa。

3、除每层设分、集水器连接多户的系统外，一副共用立管每层连接的户数不宜大于3户。

4、共用立管宜设置于管道井内。

六、热力入口1、在保证各环路水力平衡和总体热计量的前提下，宜尽量减少建筑物热力入口的数量。

2、建筑物类型和围护结构相同、分户热计量装置一致且换热站或小区锅炉房的总热表作结算工具时，可几栋住宅设一总热量表，作为热费分摊的工具。

热量表抄表计费系统设计与计价策略目前国内北方地区的城镇住宅取暖方式主要为集中供暖,出于建筑节能降耗的目的,建设部要求新建住宅安装热量表以实现分户计量,热力公司按照用户实际用热量收费,但是,在实际的推进工作过程中,碰到了一系列的问题,如热量的计价策略和价格设定问题、热量表计量的准确性和可靠性问题、远程抄表系统的网络构建及标准问题。

在此背景下,本研究对热量表远程抄表计费系统进行了理论研究和工程设计,主要研究了热量的计价策略问题以及远程抄表网络的构建问题。

在热量表抄表计费系统中,计费系统是抄表计费系统的核心,它关系到热力公司与用户之间的利益分配,计费系统的公平与合理性是热计量改革的关键因素,而计费系统的基础则是与热计量相关的计价策略设计和单位热量价格的设定,计价策略的合理与否是供暖热计量改革能否顺利推广的关键;与计费系统相关的解决方案也就远程抄表计费系统则是抄表计费工作实施的载体,其解决方案的稳定性与可靠性是热计量改革实施的基本要求。

因此,本论文解决的问题主要包括供暖的计价策略和系统的工程实现两个方面:在计价策略方面,本文详细讨论了两部制收费方式下,基础热费比例以及可变热费部分的单位热量价格对于热力公司和用户收益的影响,认为合理的价格策略能够促进双方节能的积极性。

在此基础上,论文基于成本分析的方法提出了基础热费占总热费的比例的计算方法和单位热量价格的计算方法,并以济南地区的供热为例进行了计算。

在系统的工程实现方面,本论文比较了当前市场上已经存在的热量表抄表系统解决方案,并分析了该领域的研究现状。

在此基础上,提出了将系统划分为数据支持层、功能层、表现层三个层次的设计思想,并重点从数据层面构建了相对完善的数据库结构,为相关的工程设计研究提供有价值的参考。

最后,通过一个具体的工程项目对本论文提出的抄表计费系统进行了综合测试,验证了论文所提出的方案的可行性。

试论住宅暖气供热计量表系统的设计摘要: 住宅暖气供热计量表系统的设计是集网络计算机技术、电子科技技术以及单片机系统控制技术于一身的建筑小区供暖管理系统。

其出现规范了供暖计量管理，提高了管理效率。

文章针对目前老旧小区计量表设计和收费系统设计不合理的现象，分析了基于模、数转换模式以及分频技术下的单片机小区供暖热量表系统的设计。

分析了其设计原理和设计过程。

分别从硬件和软件两个方面进行了分析。

采取了系统初始化后的中断与查询手段实现室内温度的显示，并且能够对热量进行调节。

关键词: 供热计量表；单片机系统；住宅暖气；分频技术目前，我国大部分地区依然处于集中供热和收费状态下，尤其是对于北方大部分地区来说。

这样导致用户对供热存在一定的疑义，也使得收费不甚合理。

究其主要原因，供暖计量系统设置不合理是其重要原因之一。

在我国，很多的建筑施工单位也开始重视这一问题，室内装饰设计者致力于为客户考虑，设计专业的，减少能量的消耗并不断的改善不合理的供热方式，基于此住宅暖气供热计量表系统的设计。

一、我国老式住宅供热计量表系统设计存在的弊端不少老式小区采用的是上行下给的单管式供热方式，这种方式极易受到外界因素的影响。

因此基于暖气供热计量表系统的设计原理文章对其设计和改善过程以及存在的弊端进行了探讨如下:（一）收费方式改良首先：针对这一问题，应保持原有计量表设计方法不变的基础上，使用间接计量的方法，对用户进行热量使用情况记录和收费。

这种收费方式无需改动计量表系统，在不采用先进计量表系统的基础上实现合理收费。

另外，还可以以楼群为单位，建立文章所探讨的热量计量表，并配有独立的供热系统，一方面使热量供给透明化，一方面提高其供热效率。

但基于此目的的计量表系统设计和收费方式能源浪费较大，不符合目前建筑的新楼群。

目前，针对此种情况，具有独立系统的双管计量表和单管跨越式计量表系统设计应用较为广泛。

（二）老式小区计量表系统改良目前，计量表的设计一方面是为了改善小区内的供热方式，一方面是为了节能。

IC卡热量表的设计The Design and Implementation of IC Card Heat Meter(申请学士学位)专业：电气工程及其自动化本科生：指导教师：兰州交通大学二○一○年六月中文摘要在经济发达国家，户用热量表的应用已经相当广泛。

热量表作为供热公司与用暖用户之间收费的计量依据，不仅已被用户广泛接受，而且能明显地起到节能的作用。

对于改革开放的我国来说，依据国际惯例，供暖计量收费势在必行。

热量表的计量是手段，实现合理收费才是目的，采用预付费热量表是供暖体制改革的必然趋势。

目前市场上热量表产品种类繁多，但或多或少的存在各种问题。

本文研究了热量计量的科学方法，采用最新的元件和较为先进的电子技术，从软件和硬件不同方面系统的采取多种技术手段，精心设计，极大地降低了仪表的功耗，提高了仪表的测量精度，使仪表具有较高的可靠性，科学的计算用热量，为用暖用户与供热公司之间提供了准确的收费依据；具备预付费功能，从根本上解决供热公司供热收费难的问题。

同时针对市场上的众多预付费热量表的数据安全性不够理想的情况，从IC 卡密码安全、卡上数据加密、数据校验等几个方面进行深入工作，提出了一个新的“一卡一密、数据加密、双向鉴别”的综合数据安全方案，该方案简单实用、安全可靠，能有效防止系统数据遭受攻击，为IC卡预付费仪表提供了一个新的思路。

关键词：IC卡;热量表;低功耗;数据安全性;加密;鉴别;ABSTRACTIn economy-developed countries,residential heat meters have gained quit wide application.Heat meter,as the metering basis for collecting fees between heat supply companies and heat users,not only has been widely accepted by users,but also has performed a distinct function in economizing energy.As far as our reforming and opening country is concerned,according to international convention,heat-supplying charging by meter is imperative.Metering by heat meters is only a method,while realizing reasonable charging is our purpose.Fu-rthermore,the use of prepayment heat meters is the certain trend for heat system reform.Despite many kinds of heat meters available in current market,thereare different problems,more or less,in them.After making researches on the scientific methods of heat metering,we first usethe latest components and the comparatively advanced electronic technology,and then synthetically use many technique methods from different aspects of software and hardware,and finally make an elaborate design,which extremely reduces the efficiency cost of the meter,promotes the measuring precision of the meter,and makes it have more reliability.On the other hand,the scientific nature of metering the heat used provides an accurate basis for collecting fees between heating users and heat supply companies;possessing the prepayment function essentially solves the difficult problem that heat supply companies collect heating fees.In the meanwhile,in view of the situation that the majority of the heat meters on the market haven’t solved the data security problem perfectly,we make a deep investigation from the password security of the IC card,encrypting and checking the data on the IC card,and several other topics.We then provide a novel comprehensive data security design scheme that characterized by“one password per card,data encrypting,and two-way recognizin g”.This scheme,simple and practical,safe and reliable,is able to effectively avoid the attacks on system data,and provide a new idea for the IC card prepayment meters.Key words:IC card heat meter;low efficiency costdata securities ; encrypting ;recognizing.目录第一章绪言••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1 1.1课题背景、内容和意义•11.2本论文的主要研究工作和创新之处•11.3本文结构••1第二章IC卡热量表总体结构••••••••••••••••••••••••••••••••••••••3 2.1原理••32.1.1热量计算原理•••32.1.2 IC卡热量表工作原理•••32.2 IC卡热量表总体结构•42.2.1流量传感器•••42.2.2温度传感器•••52.2.3电动阀•••52.2.4 CPU及其他元器件•••62.2.5 IC卡•••62.2.6供电方式…•••6第三章硬件部分•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••8 3.1 CPU•83.1.1低功耗的实现：快速起动和省电模式••103.1.2强大的处理能力•••133.1.3片内12 bit ADC•143.1.4 Flash存储器••153.1.5输入输出端口及中断••173.2温度测量电路•183.2.1温度测量电路原理••193.2.2线性校正•• (19)3.3流量传感器• (20)3.3.1技术参数••213.3.2工作原理••213.3.3防窃热功能••213.4 LCD液晶显示•223.5供电系统和节电方式• (22)3.5.1采用LI/SOCL2高能电池供电••23 3.5.2运放电路的电源控制•• (24)3.6电动阀驱动•253.7 IC卡及接口电路•263.7.1 SLE4442卡••263.7.2 IC卡接口电路••27第四章软件部分••••••••••••••••••••••••••••••••••••••29 4.1系统概述•304.2睡眠及唤醒•314.3 A/D转换子程序• (33)4.4 FLASH信息存储器的改写•354.5 LCD液晶显示子程序•384.6按键处理子程序•41第五章结束语••••••••••••••••••••••••••••••••••••••43 参考文献••••••••••••••••••••••••••••••••••••••44致谢••••••••••••••••••••••••••••••••••••••45第一章绪言1.1课题背景、内容和意义在经济发达国家，户用热量表的应用已经相当广泛。

热量表设计方案1 引言把热表计量技术中的关键要素——温度和流量引入到热计量技术中；利用热介质的温差及供热系统中流量相对稳定的概念，将每个计算单元的温差及流量作为热能计量的依据，实现热量计量。

2 核心技术介绍 2.1热量计算原理在供热用户中安装热量表，当热水流经供热用户时，根据流量传感器给出的流量和配对温度传感器给出的供回水温度，以及热水流经的时间，可计算并显示供热用户所吸收的热量。

其基本公式为：11r r mvr r Q qhdt qhdt ρ=∆=∆⎰⎰ （1）式中：Q —供热用户所吸收的热量，J 或W .hm q —流经热量表的水的质量流量，kg/h v q —流经热量表的水的体积流量，m 3/hρ—流经热量表的水的密度，kg/m 3Δh —供热用户的入口和出口温度下的焓值差，J/kg τ—时间，h2.2 红外无线通信技术红外线是指波长在750nm~1mm 之间的电磁波，它的频率介于微波和可见光之间，是一种人眼看不到的光线。

红外通信利用波长在850nm~900nm 之间的近红外线作为信息的载体来进行通信，将二进制数调制成脉冲序列并以此驱动红外线发射管向外发射红外光；而接收端则先将接收到的光脉冲信号转换为电信号，再进行放大、滤波、解调处理后还原为二进制信号。

2.3超声波流速测量原理图1 超声波测量流量原理超声波流量测量是应用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法，如图1 所示。

3 总体设计方案及说明本方案以MPS430为主控芯片、结合超声波测量技术利用高精度时间测量芯片TDC-GP2测量暖气管道进水流速、进回水温度，以此作为热量计算的依据。

3.1系统原理框图通过一对超声波换能器测量供暖管道的水流速度，进而通过流速计算流量，实现流量的测量；通过温度传感器PT1000测量供暖管道进水温度和回水温度，计算其温度差，由流量和进回水温度差计算出用户所用的热量，作为计费的依据。

户用热量表的自动流量校验装置设计近年来，供热系统分户计量系统逐渐发展起来。

为保证分户计量表的精准度，需要对户用热量表进行检测。

文章设计了一种自动流量校验装置，该装置可以快速对户用热量表进行检测。

标签：流量；称重法；检测1 国内外研究现状对户用热量表的检测与标定可以分为对温度测量部分的检测与标定和对流量测量部分的检测与标定两部分。

由于測量进水温度和出水温度使用的是不同的PT1000热电阻，所以要求两个热电阻的一致性要好，就要进行热电阻的配对。

目前国内外普遍采用同时检定多个热电阻在多个温度点的电阻方法，找到两个一致性好的热电阻的方法进行配对。

2 系统功能分析文章设计的户用热量表自动检测系统是一个闭合的流量系统，水在系统中被循环使用。

根据集中供热系统的需求，该系统的流量范围为0.005m3/h-5m3/h，流体介质的温度范围为5-90℃，被检表的口径为DN15或DN20。

该系统由一个自动恒温装置来控制水的温度，使水温恒定在55℃，以模拟集中供热管网中水的温度。

系统中采用变频器来调节水泵的工作状态使系统中的水压在0.6MPa-1MPa。

为了方便被检表的拆装，被检表与上位机的通讯采用光学接口，故而要求被检表有光学通讯接口。

由于超声流量计检定规程中明确规定，对流量计要在多个流量状态下进行检定，故而系统在末端设计了四个不同口径的管道，通过这四个管道的开关组合可以模拟多种水流速度。

3 系统工作流程系统启动后，检测水箱中的水位是否正常，如果在正常范围内则启动加热装置加热，通过PID调节将水温控制在55℃。

水温正常后，PLC控制器关闭所有阀门，上位机通过变频器控制水泵将水抽入压力容器并将压力控制在0.6MPa-1MPa。

打开安全防护罩，安装被检表，按住夹紧按钮，气动夹紧装置气动，夹紧全部被检表，用扫码枪依次扫描被检表的条码，确认无误后关闭安全防护罩，通过操作面板选择自动检测或者手动检测，如果为自动检测直接按开始检测按钮，如果为手动检测则需要手动放气后再按开始检测按钮。