付费式热能计量与控制系统毕业设计(编辑修改稿)

付费式热能计量与控制系统毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

C ρ θ )    （ 21） 式中 pf prc,c 为入口与出口的定压比热容。 vmq,q 为瞬时体积、质量流量。 frρ,ρ 为入口与出口温度下的载热流体密度。 frθ,θ 为入口与出口的温度。 该公式计算简单，只要根据实测温度。 查表得常数，代入公式即可。 然而，温度测量精度提高，需要测量计算的数据也就越多。 而且，对于所测温度，需要采用线性插值等近似计算技术，通过搜索与其距离最近的点计算相应的焙值，从而得出瞬时热量。 这一方法会带来无法避免的误差，造成收费不准确。 故此法舍弃。 本设计中采用的热量计量方法是 常系数比热容法， 按热量收费的方法。 消 耗热能 Q 的计算公式如下： tVCQ  （ ttt回水进水 ） （ 22） 其中： C 为水的比热容 （ C = 67 kWh／ L ℃ ） ； V 为流过采暖设备的热水体积； t进水 、 t回水 为流过采暖设备的两个温度 ； 按照设计要求， 屏幕 可以在 一段时间内显示 耗热量 及剩余热量。 剩余热能Q 2=Q 1Q (Q 1为用户所购买热能和 )。 本科生毕业设计（论文） 11 总体设计框图 整个系统工作由温度、流量传感器检测温度和流量的变化，然后将温度信号和流量信号传输给单片机控制系统，单片机系统接收传感器信号，通 过软件程序对外围电路进行驱动工作，外围电路主要包括，显示及报警驱动电路、存储电路、时钟电路、键盘电路、 IC 卡预付费电路、通信电路及电动阀控制电路等。 然后实现对热量使用信息的显示，数据的传输与保存，费用时间的提醒等。 图 整体设计框图 控制器的选型 单片机是整个系统的核心，所以对于单片机的选择是非常重要的。 选购单片机应从以下几个方面考虑：其一是目标系统需要哪些资源；其二是根据成本的控制选择价格最低的产品；其三是应尽量选择自己熟悉的 单片机品种，这可以缩短研制周期；其四是选择具有现成开发工具的机种；其五是选择集程度高、可靠度高的机种，是系统体积小、成本低。 现有市场上常见的有 5 PIC、 MSP430 等系列单片机。 根据所学知识比较熟悉的是 AT89S5 S52 单片机。 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。 AT89C51 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。 该器件采用 ATMEL 高流量检测模块 进水温度检测模块 出水温度检测模块 数据存储模块 时钟模块 微控制器 电源模块 显示接口模块 键盘接口模块 报警模块 阀门控制模块 IC 卡接口模块 本科生毕业设计（论文） 12 密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准 的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51是一种高效微控制器， AT89C51 是它的一种精简版本。 AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flach 存储器。 使用 Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。 偏上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 综上所述，鉴于本系统需要测量温度、流量、等参数，同时还有键盘输入、数码管显示、通信等，考虑到程序写入空间、芯片性能等问题，所以选用 AT89S52单片机作为系统 CPU。 温度传感器选择 在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。 另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰 而产生测量误差，影响测量精度。 因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案。 PT100，又叫 铂电阻 ， 热电阻 ，是一种 温度传感器 ，铂 电阻温度系数 为 ／ ℃ ， 0℃ 时电阻值为 100Ω，电阻变化率为 ℃。 采用 不锈钢 外壳封装，内部填充 导热材料 和 密封材料 灌封而成，适用于 精密仪器 、恒温设备。 三线制 PT100 要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量 铂电阻 的电路一般是 不平衡电桥 ，铂电阻作为 电桥 的一个桥臂电阻，将导线一根接到 电桥 的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的 测量误差 ，所以工业上一般都采用 三线制 接法。 LM35 是一种得到广泛使用的 温度传感器。 由于它采用内部补偿，所以输出可以从 0℃ 开始。 0℃ ～ 100℃ 18B20 温度传感器 是 DALLAS 半导体 公司的 数字化 温度传感器 DS18B20 是世界上第一片支持 “一线总线 ”接口 的温度传感器。 一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建 传感器网络 ，为 测量系统 的构建引入全新概念。 本科生毕业设计（论文） 13 综上所述本设计选用了美国 DALLAS 公司最新推出的 DS18B20 单线数字式温度传 感器。 DS18B20 温度传感器与传统的热敏电阻温度传感器不同，它可以把温度信号直接转换成数字信号。 新型数字温度传感器 DS18B20 具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。 更符合设计要求。 DS18B20 的性能特点： 1）采用单总线专用技术 ,即可通过串行口线 ,也可通过其他 I/O 口线与微机接口无须经过其他变换电路 ,直接输出被测温度值 2）无需外围元件 3）由总线提供电源 4）测温范围为 55℃～ 125℃ ,测量分辨率为 ℃ 5）内含 64 位经过 激光修正的只读存储器 ROM 6）适配各种单片机或系统机 流量传感器选择 市场上热量表中选用的流量传感器主要有三种类型：电磁式流量传感器、超声波流量传感器、叶轮流量传感器。 考虑到国内的特殊情况，水源差杂质多的情况，在热量表的工作过程中十分容易吸附金属杂质。 精度下降等问题因此无法避免。 因此，就目前情况而言，在我国的客观条件下，热量表无磁化是一个必须的硬性条件。 因此在设计当中，在选择流量传感器时，首先的要求就是其抗磁干扰能力。 同时，综合热量表系统构建的实际条件及大批量的用户使用要求其价格低、非工业级别的测量对 精度的要求不是特别高；家庭用供热需要小口径的管道；根据各种流量传感器的特点，设计低功耗、低成本的要求，本系统采用无磁式流量传感器 DN20 来进行对供热流量的计量。 IC 卡选型 IC 卡 它是将一个 微电子 芯片 嵌入符合 ISO 7816 标准的 卡基 中，做成卡片形式。 IC 卡与读写器之间的通讯方式可以是 接触 式，也可以是非接触式。 根据通讯接口把 IC 卡分成接触式 IC 卡、非接触式 IC 和 双界面卡 （同时具备接触式与非接触式通讯接口）。 接触式 IC 卡该类卡是通过 IC 卡读写设备的触点与 IC 卡的触点接触后进行数 本科生毕业设计（论文） 14 据的读写。 国际标准 ISO7816 对此类卡的机械特性、电器特性等进行了严格的规定。 非接触式 IC 卡该类卡与 IC 卡设备无电路接触，而是通过非接触式的读写技术进行读写（例如光或无线技术）。 其内嵌芯片除了 CPU、逻辑单元、 存储单元 外，增加了射频收发电路。 国际标准 ISO10536 系列阐述了对非接触式 IC 卡的规定。 该类卡一般用在使用频繁、信息量相对较少、可靠性要求较高的场合。 接触式 IC 卡，存储量大，保密功能强，可实现一卡多用。 但这类卡的读写速度慢，操作时必须把卡正确地插入到读写器的卡槽总才能完成数据交换，在一些需要频繁读写卡的场合不方便，而且读写器的触点和 IC 卡的触脚在外面，造成损坏而接触不良。 非接触式卡具有可靠性高、操作方便、防冲突、可以适合于多种应用、加密性能好等优点。 非接触式 IC 卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。 此外 ,非接触式卡表面无裸露芯片，无须担心芯片脱落，静电击穿 ，弯曲损坏等问题，既便于卡片印刷，又提高了卡片的使用可靠性。 非接触式卡使用时没有方向性，卡片可以在任意方向掠过读写器表面，既可完成操作，提高了每次使用的速度。 非接触式卡中有快速防冲突机制 ,能防止卡片之间出现数据干扰，因此，读写器可以“同时”处理多张非接触式 IC 卡。 这提高了应用的并行性，无形中提高系统工作速度。 非接触式卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化 ,不可再更改。 非接触式卡与读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证 IC 卡的合法性，同时 IC 卡也验证读写器的合法性。 非接触式卡在处理前要与读 写器之间进行三次相互认证，而且在通讯过程中所有的数据都加密。 此外，卡中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。 接触式卡的存储器结构特点使它一卡多用，能运用于不同系统，用户可根据不同的应用设定不同的密码和访问条件。 通过以上分析，本系统采用非接触式卡 MIFIR1，读写模块选用 MFRC522。 MFRC522 是应用于 非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片中的一员。 是 NXP 公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，是智能仪表和便携式手持设备研发的较好选择。 通讯 方式选择 通信方式分为远程通信和近距离通信，同时分为有线通信和无线通信。 目前我国普遍采用工作人员上门抄表，这样的方法既浪费人力又浪费时间。 本设计要实现远传控制功能，即用户计量数据可远传，实现自动抄表。 所以选择远程通信。 RS485 本科生毕业设计（论文） 15 RS485 是一种平衡传输方式的串行接口标准 ,允许在电路中有多个发送器，允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以驱动发送器、接收器或收发器组合单元。 RS 485标准的共线电路结构是在一对平衡传输线的两端部配置终端电阻，其发送器、接收器或组合收发器可挂结在平衡传输线上 的任何位置，实现在数据传输中多个驱动器和接收器共用同一传输线的多点应用。 现场总线 CAN CAN 属于总线式通讯网络。 CAN 能够使用差分电压传送。 CAN 总线网络上的任意一个节点均可在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息，而不分主 /从，通讯灵活。 在通讯速率为 5Kb/s 时，通讯距离最远可达 10km。 在通讯距离为 40m时，最高通讯速率可达 1Mb/s，而且传输时间短，受干扰的概率低。 CAN 总线 采用非破坏性仲裁技术，当两个 节点 同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输数据，有效避免了 总线冲突 ；采用短帧结构，每一 帧 的有效字节数为 8 个，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短；每帧数据都有 CRC 校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰 环境下使用； 节点 在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其他操作不受影响；可以 点对点 ，一对多及广播集中方式传送和接受数据。 具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；采用双线 串行通信 方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作。 具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操作性好、总线协议具有完善的错误处理机制、灵活性高和价格低廉等特点。 据以上的分析和硬件成本方面的考虑，决定采用 CAN 作为数据传输的总线。 本科生毕业设计（论文） 16 第 3章 系统硬件设计 单片最小系统设计 系统的微控制器选用 AT89S52。 它是一种低功耗，高性能的 C。