低功耗高精度热量计系统设计

1 引言
多年来,我国一直延续计划经济时代的全福利式居民供暖体制,以居民小区为单位,共用一个控制阀,以住宅面积为热量的计量依据,费用由居民所在单位按国家统一的标准一年一次性全额划拨给供热单位。随着改革开放的不断深入,人民生活水平的提高,商品意识的不断加强,这种旧体制已远远不能适应当前经济生活的发展,其弊端也显得越来越突出。本文针对热量计的现状及发展趋势,成功设计、调试了一套用于计量热量的智能低功耗热量计系统。该系统充分体现了热量计的智能化、低功耗、高精度的发展趋势。重点在于温度传感器、流量传感器的设计及智能化、低功耗的硬件电路设计上。
2 系统功能
最终热量计能够在水管进出口有温差,叶轮有转动的条件下按照设定的要求不断的累计放热量并通过LSD数码管显示出来。并能显示各种供热管路的给水温度、回水温度、给回水温差、瞬时流量、累积流量、累积热量、可通过键盘设定仪表系数及相关校准参数;通过采集器连接上位机,物业管理部门可以通过上位机监视各用户的用热情况。
3 热量计的硬件电路设计
3. 1热量计量系统原理框图

热量计量系统的配置见图1。该配置设计坚井内的管道为双管式,户内水平并联,入口设热量计和锁闭阀,散热器设温控阀。通过管路,热水流至用户端,经热传导体(其中包括散热器、热量传导体、地热)的表面散热冷却后通过管道返回供暖处。热量计的主要任务是通过计量流过热量计的热水的体积、进水温度、回水温度,来计量该户耗热量。
该方案室内散热器并联,通过温控阀调节散热器的流量,各散热器之间没有影响。在保证用户舒适性的前提下,节能效果更加明显,是最理想的布管方式。其缺点是管材部分要增加投资。本热量计量系统的布管方式采用跨越式串联方式。跨越式串联方式竖井内的管道为双管式,户内水平跨越式串联,入口设热量计,锁闭阀,散热器设温控阀。
3.2 热量计的硬件原理框图
热量计的硬件原理框图如图2所示,该热量计主要由流量传感器、配对温度传感器(Cu 100)、单片机及LCD组成。根据一定时间内所通过的水的流量(V)和供、回水的温度差(4T),以及由4T所决定的热交换算系数K,得到用户所消耗的热量值。

3.3 单片机及其外围电路设计
单片机MCS-51为主组成的基本模块是该系统的核心部分,主要完成对系统采集到的信号进行相关的处理,协调其他模块,使整个系统步调一致的工作。本设计选用的是ATMR1公司生产的AT89C51单片机。ATMF1公司生产的AT89系列单片机是与8051兼容、且内部含有F上ash存储器(闪速存储器)的单片机,所以,AT89系列单片机也称Flash单片机,是目前主流的MCS-51单片机系列。单片机外围电路主要包括复位电路、时钟电路和串行RAM。如图3所示:

(1) 复位电路采用手动复位,高电平有效。
(2) 时钟电路使用外部独立时钟振荡器所产生的时钟信号,本设计采用12MHz晶振。
(3) 串行RAM用于存储处理后数据。
3.4 温度信号测量
温度信号测量电路是热量计的测温部分,它由三端稳压器(MC7812),温度传感器(Cu100)、差动放大器(AD620)和A/D转换器(AD1674)组成。
3.4.1温度传感器
本设计温度传感器采用铜电阻(Cul 00),利用电桥测温法进行温度测量。铜热电阻以金属铜作为感温元件,其特点是电阻温度系数较人、精度高、价格便宜、重复性及稳定性高、使用温度范围是一50^-1500C,正好在家庭供暖热水范围内,并且在这个温度范围内线性度比较好。
3.4.2差动放大器
AD620是低价格、高精密度仪器放大器。它只需一个外接电阻,就能方便地进行各种增益(1-1000)的调整。该芯片具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点,在电池供电的便携式设备、精密的数据采集系统、ECG和医疗仪器、传感器接口、工业过程控制、多路转换应用系统和微控制器应用系统中的前置放大器等领域中获得广泛应用。
3.4.3 A/D转换器
1.选用AD公司生产的逐次逼近式模/数转换芯片AD1674, AD1674是美国AD公司推出的一种完整的12位并行模/数转换单片集成电路。该芯片内部自带采样保持器(SHA)、10伏基准电压源、时钟源以及口丁和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器。与原有同系列的AD574A!674A相比,AD1674的内部结构更加紧凑,集成度更高,工作性能(尤其是高低温稳定性)也更好,而且可以使设计板面积人人减小,因而口J一降低成本并提高系统的可靠性。
3.4.5 温度测量电路
图4是温度测量电路,采用电桥测温法,MC7812提供稳压电源,CONS铜电阻插口,OD620差压放大器,!AD1674进行A/D转换,为避免放大器输出电压过大烧坏A/D转换芯片,设有过压保护环节。

3.4.6 流量测量的设计
经过综合考虑各种因素,本设计采用变磁阻式的霍尔传感器流量测量仪,叶轮的旋转引起霍尔元件磁阻的周期性变化,霍尔元件输出与流量有关的电脉冲信号,经前置放大器放大并整形送入单片机输入端计数,工作简单可靠。通过测量霍尔集成传感器的输出脉冲的个数即可得到流速的大小,进而可推知流量的大小,测量电路如图5