基于PIC16C73单片机的智能热量计量表设计

随着人民生活居住条件的不断改善，环保意识的增强，现今城镇居民及企事业单位采暖大都采用集中供热方式，供热热源生产规模逐年扩大。供热热源为各片用户供热的主供热管道的进水口、回水口往往相距几百米，热源生产厂家热切需要在此工况下能安全、可靠、准确、长期稳定工作的热量计量表。热量计量表同时还能进行其它相关数据的记录、储存及远程通讯传输。为缴费和运行管理提供可靠数据。

1 计量原理

根据传热学知识可知，1.6 Mpa压力下，在0～95℃温度范围内，水的密度

ρ=1 001.093 78-0.076 73t+0.003 57t2 (1)

式中，ρ为水的密度，单位kg/m3;t为温度，单位℃。

水的焓值为

h=27.596 1+1.529 19t+0.041 24t2 (2)

式中，h为水的焓值，单位kJ/kg。

设热源出水口温度为t1，回水口温度为t2。热源出水口焓值h1和回水口焓值h2可以由式(2)求得。热源出水口与回水口间的焓值差为

△h=h1-h2 (3)

热源输出的热量为

Q=ρ1△hV (4)

式中，Q为热源输出的热量，单位kJ;V为热源出水口输出体积，单位m3。

在热能计量表的热能计量时，热源出水口输出体积V通常取定值，则V被称为热源出水口体积流量。

通过单片机若能准确地测得热源出水口温度为t1和回水口温度为t2，以及热源出水口体积流量V，就能精确的完成热能计量。单片机同时还完成各种数值运算、累加、储存、显示以及与上位机通讯等各项工作。

2 系统硬件设计

智能热能计量表系统总体结构图如图1所示。

2.1 单片机

智能热能计量表的核心是MICROCHIP公司出品的PIC16C73单片机。该芯片为8位单片机，双列直插28脚封装，192字节的RAM，4K字节EPROM，22个I/O口，3个定时/计数器，2个捕捉输入/比较输出/PWM输出，2个串行口可设定为SPI或I2C总线方式，5通道高速8位A/D转换器。自带上电复位、上电定时器和振荡器起振定时器，片内RC振荡器的看门狗定时器，有程序代码保护和省电的睡眠工作方式。由PIC16C7单片机构成的系统，能有效地减少外部元件，降低功耗、成本，增加系统可靠性。一旦程序跑飞，看门狗会自动使系统复位，程序从头重新执行。

2.2 数字测温器件

常规模拟式温度测量，需用一系列电路来完成信号调理、放大、采样保持并进行A/D转换，成本较高，需要调试和校正，占用较多的硬件资源，且测量距离较短。而所使用的DALLAS公司生产的一总线式数字温度传感器DS18B20，具有3引脚TO—92小体积封装形式;温度测量范围为-55～+125℃，可编程为12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.062 5℃，精度为±0.5℃。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生;与单片机连接简单，提高了传感器的可靠性。单片机与DS18B20间的测量距离与其连接电缆线间电容有关，通常的连接电缆由于线间电容较大，数字信号衰减严重，测温距离一般在100 m以内。经过理论分析和实践验证，本装置采用三类双绞线作为传输线，其数据线的绞合结构能大大减小线间电容，有效延长传输距离，本装置温度传感器有效测量距离可达400 m。

2.3 流量传感器

热源出水口体积流量采用自适应式磁体一干簧管传感器，它又称为“推挽双稳态”结构传感器，其状态只有两个：断开状态和吸合状态，而没有温和缓冲的自保持过渡状态，可以大大减小如水锤现象那样的外界干扰，避免误动作输入造成的计数误差，工作更加稳定，计量更精确。

2.4 串行E2PROM

选用ATMEL公司出品的24C02作为存储器。它为I2C总线串口E2PROM，内含2K的8位存储单元，具有擦除/写入周期10万次和数据保留100年的高可靠性。用它来存储累计流量、累计热量、运行天数以及键盘设置参数等信息，数据掉电后不挥发。对存储在芯片中的数据，可通过软件利用加密算法进行加密处理，提高安全性，扩大器件的应用范围。

2.5 LCD液晶显示

采用LCM08TJY8位8字加段提示符液晶显示模块显示必要的信息。它内置显示RAM，可显示任意字段笔划，I2C总线串口方式传输数据。低功耗，宽电压，视角对比度可调，显示清晰，稳定可靠，使用编程简单。通过按键控制可循环显示累计热量、累计流量、进回水口水温及温差、运行天数等信息。自带2 kHz和4 kHz蜂鸣器驱动，可在系统故障时发出声音报警信号。

2.6 PCF8563时钟芯片

该芯片是PHILIPS公司推出的一款带I2C总线，具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。具有4种报警功能和定时功能;内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测及两线式I2C总线通信方式，不但简化外围电路，而且增加了芯片的可靠性。本系统利用天报警功能以记录系统运行天数。稍加