基于单片机和串行总线技术的热量表设计

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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测量。
　　我国居民取暖计量收费已是大势所趋，但也是一个热点、难点问题。计量准确与否直接关系到热量的合理收费和用户的切身利益，也关系到供热事业的生存和发展。热量表是用于测量热交换系统中载热流体释放热量多少的计量器具，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入口和出口的管道上；流量传感器安装于出口或入口管道上。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释放的热量，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载热液体释放的热量(KJ)，qm流经热量表载热液体的质量流量(Kg/s)，hi,h0热交换系统入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，所释放的热量也不相同。
　　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，准确度高，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测量误差可忽略不计。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。当热水流过并达到1升或10升时发出脉冲，该脉冲经过滤波处理送给微控制器，作为流量质量累计和热量计算的基本质量体积单位，即1升/每脉冲或10升/每脉冲。
　　监控电路
　　作为户用热量表，通常供电为电池，需要实时检测电池电压是否低于正常范围，不在正常范围，监控电路及时检测并给MCU发出信号，提示更换电池。与此同时，MCU立即保存有关数据。另外，对于磁干扰，监控电路及时检测给出指示。
　　微控制器
　　微控制器框图如图3。


　　图3 微控制器原理框图
　　微控制器以低功耗，电气连接最少，各功能模快之间相互干扰小的原则进行设计。众所周知，串行总线技术如I2C，从早期大量应用于视频、音像系 统，现在已应用于测控领域。其规范的完整性，结构的独立性和用户使用的“傻瓜”化等显著特点，促使具有串行总线接口功能的MCU及其外围器件不断出现。用 具有串行总线接口器件设计的电路，能够实现电气连接简单，低功耗，模块化。
　　为此，MCU选用Microchip 公司的PIC16F873，它具有I2C，SPI接口，2.7~5.5V的工作电压。片内FLASH、EEROM为程序和数据的保存提供方便，具有的休眠功能使其功耗更低。
　　A/D转换选用AD7705，它有两路差分输入，满足两路温度测量，差分输入经内部可编程放大及16位A/D转换器输出数字量。AD7705与单片机之间通过SPI串行总线进行控制字(放大倍数、转换通道、采样速率等设置)和数据(A/D转换结果)的传输。
　　时钟选用DS1337，为热量表提供工作时间数据，时钟与单片之间通过I2C串行总线进行时钟和日历数据的传输。按键设计为一键巡视，即单片机 根据按键次数通过串行3总线在LCD显示各测量参数。无按键时LCD处于关闭状态。当有按键按下或有流量脉冲信号时唤醒休眠中的单片机，使其进行相应的工 作，工作完成后自行进入休眠。这样可降低功耗。
　　软件设计
　　软件设计采用模块化设计，分为：主程序、中断服务程序和若干子程序。其流程示于图4。


　　图4 流程图
　　主程序完成单片机的初始化，以及通过串行总线完成A/D转换和时钟的初时化。完成这些工作后单片机进入休眠，等待中断。当有中断信号即刻进入中 断服务程序，通过对中断信号的判断决定下一步执行何种处理。若为流量则进行热量的计算，首先检测进出口温度并对其进行线性化处理，根据温度查表或插值计算 对应焓值，最后根据公式计算热交换系统所释放的热量，为一个流量脉冲所代表的质量，累计热量Q=SDQ。
　　若为按键，则根椐按键次数显示相应的参数。若为电池欠电压，则转向保存相关数据的处理程序，确保重要数据如累计热量、累计工作时间等不被丢失，并及时提示更换电池。若为磁干扰则作出相应的处理和给出指示。
　　结语
　　应用单片机技术和串行总线技术所设计的热量表，性能稳定功耗低，能够检测显示热载体流过热交换体的进出口温度,流体体积,并可显示释放的热量。 热量表具有传感器故障和磁干扰监控功能。该热量表经计量部门检定准确度等级优于3级。可应用于居住环境供暖的计量。为供热合理收费提供依据。