基于PIC单片机的热能表研制
摘要：随着我国福利制度的改革和热能计量的规范化，对热能的准确计量成为一个比较关键的环节。文中介绍了热能表的组成和工作原理，给出了一种基于PIC16C64单片机的热能表设计方案，同时对设计和使用中的一些问题进行了讨论并提出了解决办法。
关键词：热能表 单片机 温度传感器 PIC16C64
随着我国福利制度的改革，供暖制度也发生了相应的变化。原来的供暖收费存在着对使用的热能估算不准确、收费不合理等问题。为此，国家建设部在一些城市实施供暖制度改革试点，并对热能实行计量收费，这就要求对使用的热能进行准确的计量。本文给出了一种基于PIC16C64单片机的、针对热水供暖的热能表设计方案。
1 热能表的组成原理
一般热能表的原理框图如图1所示，它主要由积分仪、流量计和温度传感器三部分组成。流量计用于计量流过采暖设备的热水的体积。两只温度传感器分别用于测量进水温度和回水温度。积分仪是热能表的核心，它能够根据流量计提供的热水体积流量和进水、回水温度差等数据计算出消耗的热能。其计算公式如下：Q=CV(t供水-t回水)
其中，Q为消耗的热能，单位为kWh；C为水的比热容（C=0.001167kWh/L.℃）；V为流过采暖设备的热水体积，单位为升（L）；t供水、t回水为流过采暖设备进水口和回水口的热水温度，单位为℃。
从热能的消耗计算公式可以看出，只要测得采暖设备进水和回水的温差以及流过采暖设备的热水体积就可以计算出消耗的热能，因此，引起计量误差的因素有：
（1）流量计的精度；
（2）温度测量的准确度；
（3）两只温度传感器的配对误差；
（4）积分仪的计算精度。
对于流量计引起的误差，可以通过选取精度较高的流量计来解决，计算精度可以采用合适的CPU和完善的算法来解决。对于温度测量，国家有相应的标准，温度测量误差一般不大于±0.3℃,而两只温度传感器的配对误差应不大于±0.1℃，所以需要重点解决。
另外，由于热能表通常是安装在室外且长期使用，所以，热能表的功耗、抗电磁干扰、可靠性因素都需要加以考虑。
2 硬件电路构成及实现原理
2.1 硬件组成
根据上面的分析，笔者设计了一种基于PIC16C74单片机的热能表，其组成框图如图2所示。该系统主要由CPU、流量计、A/D转换器、温度传感器、LCD显示器、电路控制、EEPROM存储器和时钟电路等部分组成。其中CPU采用Microchip公司的微处理器PIC16C64，它是系统的核心，用于完成所有的控制和计算功能。温度传感器和A/D转换器组成温度采集电路，可测量采暖设备进水和回水的温度。为了保证测量精度，设计中选用了12位串行A/D转换器ADS7844，理论上，ADS7844的温度采集精度可达0.03℃。流量计用于测量流过取暖设备的热水体积，每流过一定体积的热水，流量计内部的干簧管闭合一次。将这个信号接到CPU的外部中断输入端，干簧管每闭合一次就向CPU申请一次中断，CPU用该信号累计流过采暖设备的热水的体积来进行热能计算。在需要时，还可以通过LCD显示器来显示水温和消耗的热能以及系统信息等。EEPROM存储器用于存储系统信息和消耗的热能。时钟电路用于为整个系统提供系统时间。用键盘可实现各种操作，如：通过键盘可以查看水温、消耗的热能和系统信息等。电源控制电路主要是在不需要显示和温度测量时切断相应部分电路的电源，以降低系统功耗。系统设置是在每次加电时设备系统的年、月、日、小时和分等时间信息。另外，当系统出现故障时，它也可向CPU申请中断，以使CPU将当时的时间、热能值和故障信息写入EEPROM以备查询。
2.2 系统工作过程
该系统的工作流程图如图3所示。每次加电时，一般先设备系统信息，然后CPU进入休眠状态，并等待处理各种中断。在CPU进入休眠状态前，需关闭温度传感器、A/D转换器和显示器的电源以减小系统功耗。处理完中断后，CPU再次进入休眠状态以等待下一次中断。水表中断表示已经有一定体积的热水流水采暖设备，需要计算一次热耗。键盘中断表示应处理各种显示，而故障中断则表示系统某个部分出现故障，此时CPU应将故障类型和此时的有关信息写入EEPROM。
3 注意事项
3.1 温度测量误差和传感器配对误差
从热耗计算公式可以看出，温度测量误差和传感器配对误差均会引起测量误差。鉴于这种情况，设计时一方面必须选用性能良好的温度传感器；另一方面应使温度传感器的特性呈线性关系且两只传感器的温度特性曲线应当一致。但是，常常温度传感器特性在0℃～100℃并非线性，每只传感器的特生曲线又不尽相同。因此，除了采用性能比较好的铂电阻作为温度传感器外，还必须对每只热能表通过硬件或软件校正。由于硬件校正会增加成本，因而多采用软件校正。具体做法是将整个测温范围根据允许的测量误差分为若干段，校正时测出各校正点的误差并存储到EEPROM。而实际工作时，先测出水温，然后采用查表的办法从误差中查出修正值来对所测的温度进行修正。如果测出的水温不是正好在校正点上，则可采用插值估算的办法予以修正。这样处理不仅可以解决温度测量误差，同时也可以解决传感器的配对误差。
3.2 功耗和抗电磁干扰
由于热能表长期处于无人看守状态，且只能使用电池供电，因此，设计时，要求系统功耗应非常低，且抗电磁干扰的性能要好。
正是为了降低系统功耗，设计时除显示器外，所有的器件都采用3.3V的低功耗器件。比如，作控制核心，PIC16C64具有功耗低、运行速度快等特点，其工作电流只有1mA(3.3V@32kHz时)，进入休眠状态后只有几微安且可以用中断将其从休眠状态唤醒。温度传感器、A/D转换器和显示器是系统的主要耗能器件，因此在不使用时应将它们的电源切断，以进一步降低功耗。另外，由于PIC16C64的数据总线和地址总线都埋在芯片内部，因此，具有良好的抗电磁干扰性能。
4 结束语
本文设计的热能表具有结构简单，计量准确的特点，可用于住宅小区或单元住户的采暖计量。检测结果表明：温度测量误差不大于±+0.15℃，传感器配对误差不大于±0.09℃。
关键词：热能表 单片机 温度传感器 PIC16C64
随着我国福利制度的改革，供暖制度也发生了相应的变化。原来的供暖收费存在着对使用的热能估算不准确、收费不合理等问题。为此，国家建设部在一些城市实施供暖制度改革试点，并对热能实行计量收费，这就要求对使用的热能进行准确的计量。本文给出了一种基于PIC16C64单片机的、针对热水供暖的热能表设计方案。
1 热能表的组成原理
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一般热能表的原理框图如图1所示，它主要由积分仪、流量计和温度传感器三部分组成。流量计用于计量流过采暖设备的热水的体积。两只温度传感器分别用于测量进水温度和回水温度。积分仪是热能表的核心，它能够根据流量计提供的热水体积流量和进水、回水温度差等数据计算出消耗的热能。其计算公式如下：Q=CV(t供水-t回水)
其中，Q为消耗的热能，单位为kWh；C为水的比热容（C=0.001167kWh/L.℃）；V为流过采暖设备的热水体积，单位为升（L）；t供水、t回水为流过采暖设备进水口和回水口的热水温度，单位为℃。
从热能的消耗计算公式可以看出，只要测得采暖设备进水和回水的温差以及流过采暖设备的热水体积就可以计算出消耗的热能，因此，引起计量误差的因素有：
（1）流量计的精度；
（2）温度测量的准确度；
（3）两只温度传感器的配对误差；
（4）积分仪的计算精度。
对于流量计引起的误差，可以通过选取精度较高的流量计来解决，计算精度可以采用合适的CPU和完善的算法来解决。对于温度测量，国家有相应的标准，温度测量误差一般不大于±0.3℃,而两只温度传感器的配对误差应不大于±0.1℃，所以需要重点解决。
另外，由于热能表通常是安装在室外且长期使用，所以，热能表的功耗、抗电磁干扰、可靠性因素都需要加以考虑。
2 硬件电路构成及实现原理
2.1 硬件组成
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根据上面的分析，笔者设计了一种基于PIC16C74单片机的热能表，其组成框图如图2所示。该系统主要由CPU、流量计、A/D转换器、温度传感器、LCD显示器、电路控制、EEPROM存储器和时钟电路等部分组成。其中CPU采用Microchip公司的微处理器PIC16C64，它是系统的核心，用于完成所有的控制和计算功能。温度传感器和A/D转换器组成温度采集电路，可测量采暖设备进水和回水的温度。为了保证测量精度，设计中选用了12位串行A/D转换器ADS7844，理论上，ADS7844的温度采集精度可达0.03℃。流量计用于测量流过取暖设备的热水体积，每流过一定体积的热水，流量计内部的干簧管闭合一次。将这个信号接到CPU的外部中断输入端，干簧管每闭合一次就向CPU申请一次中断，CPU用该信号累计流过采暖设备的热水的体积来进行热能计算。在需要时，还可以通过LCD显示器来显示水温和消耗的热能以及系统信息等。EEPROM存储器用于存储系统信息和消耗的热能。时钟电路用于为整个系统提供系统时间。用键盘可实现各种操作，如：通过键盘可以查看水温、消耗的热能和系统信息等。电源控制电路主要是在不需要显示和温度测量时切断相应部分电路的电源，以降低系统功耗。系统设置是在每次加电时设备系统的年、月、日、小时和分等时间信息。另外，当系统出现故障时，它也可向CPU申请中断，以使CPU将当时的时间、热能值和故障信息写入EEPROM以备查询。
2.2 系统工作过程
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该系统的工作流程图如图3所示。每次加电时，一般先设备系统信息，然后CPU进入休眠状态，并等待处理各种中断。在CPU进入休眠状态前，需关闭温度传感器、A/D转换器和显示器的电源以减小系统功耗。处理完中断后，CPU再次进入休眠状态以等待下一次中断。水表中断表示已经有一定体积的热水流水采暖设备，需要计算一次热耗。键盘中断表示应处理各种显示，而故障中断则表示系统某个部分出现故障，此时CPU应将故障类型和此时的有关信息写入EEPROM。
3 注意事项
3.1 温度测量误差和传感器配对误差
从热耗计算公式可以看出，温度测量误差和传感器配对误差均会引起测量误差。鉴于这种情况，设计时一方面必须选用性能良好的温度传感器；另一方面应使温度传感器的特性呈线性关系且两只传感器的温度特性曲线应当一致。但是，常常温度传感器特性在0℃～100℃并非线性，每只传感器的特生曲线又不尽相同。因此，除了采用性能比较好的铂电阻作为温度传感器外，还必须对每只热能表通过硬件或软件校正。由于硬件校正会增加成本，因而多采用软件校正。具体做法是将整个测温范围根据允许的测量误差分为若干段，校正时测出各校正点的误差并存储到EEPROM。而实际工作时，先测出水温，然后采用查表的办法从误差中查出修正值来对所测的温度进行修正。如果测出的水温不是正好在校正点上，则可采用插值估算的办法予以修正。这样处理不仅可以解决温度测量误差，同时也可以解决传感器的配对误差。
3.2 功耗和抗电磁干扰
由于热能表长期处于无人看守状态，且只能使用电池供电，因此，设计时，要求系统功耗应非常低，且抗电磁干扰的性能要好。
正是为了降低系统功耗，设计时除显示器外，所有的器件都采用3.3V的低功耗器件。比如，作控制核心，PIC16C64具有功耗低、运行速度快等特点，其工作电流只有1mA(3.3V@32kHz时)，进入休眠状态后只有几微安且可以用中断将其从休眠状态唤醒。温度传感器、A/D转换器和显示器是系统的主要耗能器件，因此在不使用时应将它们的电源切断，以进一步降低功耗。另外，由于PIC16C64的数据总线和地址总线都埋在芯片内部，因此，具有良好的抗电磁干扰性能。
4 结束语
本文设计的热能表具有结构简单，计量准确的特点，可用于住宅小区或单元住户的采暖计量。检测结果表明：温度测量误差不大于±+0.15℃，传感器配对误差不大于±0.09℃。
(编辑 Linda)