PIC單片機(jī)的熱能表研制

摘要：隨著我國(guó)福利制度的改革和熱能計(jì)量的規(guī)范化，對(duì)熱能的準(zhǔn)確計(jì)量成為一個(gè)比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。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(jī)的熱能表設(shè)計(jì)方案，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)和使用中的一些問題進(jìn)行了討論并提出了解決辦法。
關(guān)鍵詞：熱能表 單片機(jī) 溫度傳感器 PIC16C64

隨著我國(guó)福利制度的改革，供暖制度也發(fā)生了相應(yīng)的變化。原來(lái)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(guó)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(guò)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(guò)采暖設(shè)備的熱水體積，單位為升（L）；t供水、t回水為流過(guò)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(guò)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(guò)選取精度較高的流量計(jì)來(lái)解決，計(jì)算精度可以采用合適的CPU和完善的算法來(lái)解決。對(duì)于溫度測(cè)量，國(guó)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(guò)取暖設(shè)備的熱水體積，每流過(guò)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(guò)采暖設(shè)備的熱水的體積來(lái)進(jìn)行熱能計(jì)算。在需要時(shí)，還可以通過(guò)LCD顯示器來(lái)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(guò)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。