家用热量表系统设计绪论1.1 研究的目的及意义新中国成立以来,供热事业有了很大发展,对国家经济建设、提高人民生活水平和改善环境发挥了重要作用。

当前由于我国建筑物的保温隔热和气密性能很差,供暖系统热效率低,至2000年,全国城市建筑耗能将占能源生产总量的14%,单位住宅建筑面积采暖能耗为相同气候条件下发达国家的3倍[1]。

在社会生产力不断发展的今天，能源紧缺已经成为各个国家越来越突出的问题。

所以能源合理有效地使用已经成为我国相关部门管理的重要内容之一[2]。

随着社会主义市场经济体制的逐步前进，我国供热体制正在发生改变。

供热企业与用户之间的关系己逐渐变为供暖部门与业主之间的商品买卖关系[3]。

尤其随着“房改”和住房私有化后，现行的城市住宅供暖费用由企业全部承担的政策已不能适应当前形势的需要，住户对采暖方式有了自主选择的权利和自由。

这些都对传统的供暖计费方式提出挑战，这要求我们要设计以单片机为核心的新型智能热量表[4]。

2007年6月,国家发改委与国家建设部又联合制定了关于《城市供热价格管理暂行办法》。

办法中明确了用户、热力生产企业及传送企业之间按热量表收热费的要求。

这也就要求新建居民住宅要以户为单位分户做计量设计,分户施工并安装户用热量表,而之前所建的居民住宅要逐步实施改造,加装户用热量表。

同年10月,建设部又发布关于《热量表》城镇建设行业产品标准,规定此标准自2008年4月1日起正式实施[5]。

自从供热计量收费制度在全国开展以来,仅热量表每年的需要量就可达上百万套,中国热量计量仪表产业将是世界最大且最具潜力的产业。

所以,本课题的研究具有现实的经济意义和社会意义。

1.2 国内外背景及发展现状上世纪的70年代,针对热量表的发展,国外已经做了大量研究,迄今为止所积累的大量经验也表明,为了让人们得以自觉节能并形成习惯,行之有效的手段则是以户为单位,按户实际所耗热量来进行计费。

这种以按实际耗用热量向用户收费的制度,平均可以节能约20%一30%[6]。

此时的热量表的技术也得到了飞速的提高,电子热量表应时而生,取代了早期的机械式热量表。

随着科技的进步,电子热量表已从早起的模拟积分式,发展到后来的电子数字积分式。

并且随着微处理器的发展和在热量表中的广泛使用,电子热量表己经呈现向智能化发展的趋势。

选择合适单片机，利用传感器及相关电路设计实现智能控制[7]。

1988年,世界上第一个国际性的热量表的标准文件——《OIML-R75国际建议热量表》由国际法计量组织公布[8]。

欧盟在1993年发布93/76/EEC指令,要求各成员国减少二氧化碳的排放量,提髙资源利用率,贯彻实施按实际消费热量计费等计划。

并且在1997年4月,正式通过了统一的热量表标准,标准代号为EN1434[9]。

经过几十年的实践和发展,国外的热量表,尤其是欧洲热量表的发展己趋于完善。

发展到现在更是出现以计算机语言控制智能热量表[10]。

从标准的制定,到热量表的研制,到设备的标定,欧洲各国都有一套成熟的方案,涌现出一些国际知名的大公司,如德国的西门子公司、丹麦的丹佛斯公司,以及法国的斯伦贝谢公司等。

这些公司生产热量表技术精湛,质量可靠,占据了欧洲的大部分市场份额,并开始逐步走向中国市场[11]。

与欧洲相比,我国的热量表研制工作起步较晚,最早可追溯到20世纪90年代。

1992年,《OIML-R75国际建议热量表》在我国出版,这为我国的热量表的研制工作指明方向[12]。

1994年以后,一些中小型企业就开始自发地研制用户型热量表。

特别是在1997年,欧洲热量表标准EN1434发布之后,我国的热量表研制工作如火如荼的开展起来。

2001年2月5日,住建部发布了城镇建设行业标准《热量表》,即CJ128-2000,并于当年6月1日开始施行。

2001年12月4日,国家质检总局参照国际最新标准,发布了JJG225-2001《中华人民共和国国家计量检定规程-热量表》,并于2002年3月1日开始施行。

随着我国热量表技术的进一步发展,2007年10月15日,住建部又发布《热量表》标准CJ128-2007,并于次年4月1日始施行,同日废止《热量表》标准CJ128-2000。

《热量表》CJ128-2007在制定过程中参照了欧盟热量表标准的最新版本——EN1434-2007,主要技术内容与EN1434基本一致。

同时《热量表》CJ128-2007规定的内容还与热量表计量检定规程JJG-225相协调[13]。

这标志着我国热量表研制工作已经走上国际化的道路。

中国的热量表技术近几年发展显著,但是我们依然要看到我国在热量表的研制上与国外发达国家还有很大的差距。

国外热量表产品无论测量精度还是可靠性上都明显优于我国产品。

目前国内设计生产的热量表以实验和仿制为主,自主开发能力比较薄弱,没有对热量表性能从基础理论方面进行系统深入的应用研究,热量表的设计与生产缺乏理论依据和指导[14]。

中国现在生产、经营热量表的企业主要代理国外产品,其价格因素制约产品普及,为尽快实现能量计费制度改革,函需研发适合我国国情的热能表[15]。

在过去几年里,据不完全统计,开发生产、销售并应用的热量表累计超过5000套的国产热量表生产企业有:沈阳航发热计量技术有限公司,江苏环能工程有限公司,天津万华股份有限公司,延吉耐世康仪表有限公司等几家,远没达到市场要求规模。

因而研发、制造能科学、准确、符合国家相关计量标准的热能计量产品己迫在眉睫,本项目的研发针对国际先进产品的性能目标,通过合作企业的市场推广,将为我国热能计费改革做出一定贡献。

现在热量计的设计方案普遍以单片机为核心，通过传感器的设计，利用单片机基础知识，通过C 语言编程实现控制,KeilC 与Proteus 的使用,最终实现热量表的设计[16]。

1.3 热量表的原理热量表其计量的原理可描述为：将热量表安装于一热交换系统中,在水流流经此系统的时侯,根据流量传感器测出对应流量,温度传感器测出对应的进出水温差,再结合水流所流过的时间,进行计算得出并显示此系统释放或吸收的热量。

热交换一般给出的基本公式如式（1-1）所示：Q =∫q m ∆ℎt1t0τ=∫ρq v t1t0∆ℎdτ (1-1)式中： Q 为热交换系统所释放或吸收的热量,单位为J 或K;q m 为热交换系统中流经的水的质量流量,单位为kg/h;q v 为热交换系统中流经的水的体积流量,单位为m 3/h;ρ 为热交换系统中流经的水的密度,单位为kg/m 3;∆ℎ为在入口和出口温度下的热交换系统中水的烩值差,单位J/kg; τ为时间，单位为h 。

到目前为止,热量表的热量计量的方法可大致分为如下三种：（1）直接焓差法（2）分段式k系数法（3）常系数焓差法而本次系统中采用的是常系数焓差法,公式如式（1-2）所示：Q=c p q m(θf−θr)=c pρq v(θf−θr)（1-2）式中c p为定压比热容, c p视为常数。

q m为流量, (θf−θr)则为温度差。

该方法计算简便,使得程序的计算量减小,计算速度大大加快。

1.4 本文的的主要研究内容①了解热量表及单片机系统相关原理②熟悉热量表的信号采集过程及整个热量表计量系统。

户用热量表系统主要包括温度传感器、流量传感器和控制及信息处理电路，以及其它附属功能电路。

而控制及信息处理电路是整个系统的核心部分。

热量表的工作过程是由控制电路控制完成对温度传感器和流量传感器的温度和流量信息的采集，然后送信息处理电路处理，最后送屏幕(LCD)显示及完成其它功能。

③本次设计的思路是先确定此次户用热量表设计的总体方案，再具体分析各模块的设计流程，画出系统原理图，在Keil C编译器中进行程序的编写与调试，在Proteus软件中进行软件仿真。

2家用热量表系统整体设计2.1 热量表设计内容家用热量表系统是集机电于一体的系统,热量表的设计要完成通过温度传感器获得温差信号,通过流量传感器获得流量数据,然后经过微处理器计算得出热量数据,并且通过微处理器的控制作用,来完成诸如传送LCD至显示、出错报警和向微机发送热量数据等功能。

本次设计以实现信号采集、信息处理、数据存储和数据显示为主要目的;以信号检测,信号处理、数据显示、数据存储与传输为主要设计内容。

解决方案如下：(1) 在信号检测方面运用高精度的温度传感器和流量计,对热交换系统中的进水口温度和出水口温度分别进行温度采集，水的流量信号进行采集;(2)在控制和信息处理及信息显示方面,选择P89V51RD2单片机和LCD，测得信号通过单片机来进行热量计算。

(3）利用液晶显示器LCD对系统释放或吸收的热量等数据进行显示，与PC机进行数据传输,实现远程抄表与计费。

(4)具体分析各模块的设计流程，画出系统原理图，在Keil C编译器中进行程序的编写与调试，在Proteus软件中进行软件仿真。

2.2 系统的总体结构系统总体结构设计如图2-1所示，包含微处理器，LCD显示控制，掉电记忆，温度传感器，流量传感器，PC远程抄表与计费等六个模块。

2.3 系统各部分设计方法（1）进水与回水温度检测由热量表的热量计量原理可知,计算热量首先必须得到一个热量差，分别检测进出水口温度，从而得出温差。

本次设计中,采用的是热电阻式传感器进行温度检测,它通过单片机按一定的时序将进水温度数据和出水温度数据分别读取出来,经过单片机处理后得到温差数据,为单片机计算热量数据做好准备。

（2）水的流量检测同样依据热量表的热量计量原理,得到热量数据的另一个前提是需要获得流量信号,即流进进水口,经过散热器从出水口流出的所耗液体的数量,该数量可以是体积也可以是质量。

本次设计采用机械式流量传感器。

（3）LCD液晶显示人机交互的最主要途径便是液晶显示。

我们用户通过液晶显示的温度以及热量数据,就可以很方便地了解已用热量以及进出口水温度等情况,同时显示也可以方便抄表人员人为抄表并计费。

通过液晶显示屏可以直观地观察热量表的工作情况,实现人机的交互功能,从而使热量表更加人性化。

（4）与pc机通信远程自动抄表方式实现的重要基础之一是如何建立智能计量表与中央控制计算机之间的通讯,M-BUS作为远程表读取而制定的接口标准,对于热量表自动抄表及楼宇自动化事业及相关应用有着极大的意义。

目前我国建设部正在推广三表合一。

而且在我国冷热计量迅速发展背景下,M-BUS具有远程供电及自由拓扑等优点,应大力推广。

本系统数据通讯采用的是基于M-BUS总线结构通讯方式。

2.4 本章小结本章详细介绍了基于单片机的智能热量表系统的总体结构设计,其中详细叙述了智能热量表系统、热量表中微处理器的特性及功能模块、流量的测量、温度的测量及远程抄表系统,同时阐述了本系统对计量方法的选择,、温度传感器、流量传感器等的选型,及远程抄表方式的选定。