基于MCS51单片机的热量计学士学位论文.docx

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基于MCS51单片机的热量计学士学位论文

基于MCS-51单片机的热量计

摘要

热量计在我们生活中最实际的应用应该是民用住宅的暖气计量了而我国现有的按使用面积收费的方式存在着许多不合理的因素。

为解决这一问题，本论文介绍了一种新型的热量计，该热量计是基于51系列单片机，主要由流量传感器、温度传感器、单片机三部分组成。

本文详细阐述了热量计的硬件和软件设计，并简要介绍了相应的抗干扰措施。

热量计可以精确的对实际热量的耗损进行测量，是实施城市供热体制改革，推行按热量计费的关键设备，对热量计消耗智能计算，以用户实际耗用热量为计量收费依据。

如果将热量计作为供暖公司向每一位住户收费的依据和手段，是容易被百姓们所接受和推崇的，而且由于热量与费用直接相关，也加强了住户的节能意识。

用热量计进行计量更为科学、合理，既方便用户，又便于管理。

关键词：

热量计；单片机；温度传感器；流量传感器

Abstract

Calorimeterinourlivesshouldbethemostpracticalapplicationofmeasurementofresidentialheatinganduseoftheareabyourexistingwayofcharging,therearemanyirrationalfactors.Tosolvethisproblem,thispaperintroducesanewtypeofcalorimeter,thecalorimeterisbasedonthe51series,mainlybytheflowsensor,temperaturesensor,microcontrollerthreeparts.Thispaperdescribesthecalorimeterhardwareandsoftwaredesign,andbrieflydescribesthecorrespondinganti-jammingmeasures.

Calorimetercanaccuratelyonactualmeasurementofheatlossistoimplementtheurbanheatingsystem,theimplementationofkeyequipmentbyheatbillingforconsumptioncalorimeterintelligentcomputingtouser'sactualcalorieconsumptionmeteringandchargingbasis.Ifthecalorimeterasheatingcompanieschargetoeveryhouseholdbasisandmeans,peoplewhoarelikelytobeacceptedandrespected,andbecauseoftheheatandthecostsaredirectlyrelated,butalsostrengthenedthehouseholdenergyawareness.Measuredwithacalorimetermorescientificandreasonable,notonlyuser-friendly,andeasytomanage.

Keywords:

Calorimeter;SingleChipMicrocomputer;Temperaturesensor;Flowsensors

目录

1绪论1

1.1选题背景1

1.2热量计概述2

1.3国内外发展概况4

1.4开发热量计的现实意义和应用前景6

1.5本文研究内容和目标6

2热量计的硬件电路设计8

2.1供热热量计量系统示意框图8

2.2热量计计热原理8

2.3热量计的硬件原理框图10

2.4信号处理部分10

2.4.151系列单片机系统10

2.4.2单片机STC89C52RC13

2.5温度测量14

2.5.1温度传感器分类14

2.5.2温度传感器的选择15

2.5.3温度传感器DS18B2015

2.6流量测量21

2.6.1流量传感器分类21

2.6.2涡轮流量传感器27

2.7显示电路28

3热量计的软件设计29

3.1主程序流程图29

3.2温度采集子程序流程图29

3.3热量计算子程序流程图30

3.4数码管显示子程序流程图31

3.5单片机C语言开发软件KeilC5132

3.5.1KeilC51操作界面介绍32

3.5.2编译运行C程序35

3.6单片机下载程序烧录软件STC-ISP35

4系统误差分析及抗干扰措施38

4.1误差分析38

4.1.1测量误差的来源38

4.1.2计数误差的影响38

4.2抗干扰措施39

4.2.1硬件抗干扰措施39

4.2.2软件抗干扰措施39

结论41

致谢42

参考文献43

附录A英文原文44

附录B中文翻译53

附录C源程序60

附录D系统硬件原理图69

1绪论

1.1选题背景

当前，建筑节能在世界上蓬勃兴起，成为大家关心的热点。

我国的建筑能耗很高，是发达国家的3倍多，而城市供暖又是建筑能耗的主要部分，发达国家普遍采用了能够调节和控制的供热系统，锅炉和管网热效率特别高。

城市供热正在迈出改革步伐，迫切需要高新计量设备进入供热领域，改变我国城市目前采暖技术的落后局面。

弊端分析:

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，主要表现在以下几个方面:

1.不能满足不同居民对供暖的需求

随着市场经济的发展及个人需求的提高，对供暖质量的要求也越来越高，越来越多样化，如有的人宁愿多花钱，来享受一个暖冬，而有的人依据自身条件喜欢经济一点，过得去就行。

居民住房越来越大而人口越来越少，暂时无人住的房间希望不供暖或低温就行，但不论何种需要有一点是共同的，就是希望供暖也能象商品一样，花多少钱，享受多少热量，明码实价，钱花得其所。

而现在所有的供暖方式，只要是同一个供暖单位供热，就只能一个样，根本无法依住户的需要自行调节。

2.无法促进居民缴费的积极性

随着改革深入发展，多种经济形式并存，非国有企业日渐增多，各单位经济效益及个人收入的差别也越来越大。

拖欠取暖费的情况越来越多，造成各地区收费困难。

有的地方收不上费只好不供暖，而现有的供暖方式是全小区或一栋楼一个控制阀，无法区别对待缴费与不缴费的住户，造成大范围停止供暖。

3.无法衡量供热质量

供热由供热单位单一方支配，随意性强，缺少制约机制。

在现有的供热体制下，取暖费交给供热单位后，这一冬季居民室的冷暖全在供热单位的控制下，无法建立有效的监督机制，用户处在被动受暖地位，导致供热质量逐年下降，供热单位与用户的矛盾也日益加深，投诉电话逐年增加。

由此可见，现有的大锅饭式供暖体制必须改革，让供暖走向市场，把热量回归为商品，让人们对热量的需求如同对普通商品的需求一样，多花钱多买，少花钱少买，建立起公平的供求关系。

国家各级政策也纷纷出台，建设部“建筑节能技术政策（初稿）”及“建筑节能‘95’计划和2010年规划”中提出，采暖包费制和按平方米计算采暖费的方法，因与用户利益无关，也难以从经济效果上考核供热单位的热效果，是“大锅饭”体制遗留下来的一大弊端，必须坚决革除，生活用热计量并向用户收费是适应社会义市场经济要求的一大政策，只有按实际供热量收费，才能调动用热和供热双方的积极性，建筑节能工作才能真正落实。

1.2热量计概述

按热量计费，必须具备适用的热量计量工具，而热量计就是建立在分户计量的基础上，通过测量流经散热器的热媒总量以及当时的温度计算热量的损失，热量计量器具实现把热量作为一种商品供应千家万户。

一户一表，一户一阀，利用数据传送，采用户内计量，户外统一抄表的方式。

一个完整的热量计由三个部分组成:

流量传感器，用以测量流经热交换系统的热水流量;配对温度传感器，分别测量供暖进水和回水温度;计算显示器，根据与其相连的流量传感器和温度传感器提供的流量和温度数据，通过热量公式计算出用户从热交换系统获得的热量。

一般都显示输出总耗热量、总耗水量、瞬时热量、瞬时流量、供回水温度、温差、最高温度、时间等参数。

其技术参数还有存储数据性能、传输数据性能、寿命与可靠性、自备电源或电池等。

按照热量计计量原理（流量测量方式）的不同，户用型热量计可以分为叶轮式、涡轮式、压差式、电磁式、超声波式等种类。

这类仪表可直接测得热量，属必须校正的仪表。

因为它的价格较贵，不可能按房间来安装，一般都是按户来安装，对居民用户通常都是采用小型的，标准流量为0.6立方米/小时的热量计。

这类仪表按照制作标准所匹配的温度传感器精度，在标准流量情况下，采暖的给/回水温差在

t<10K时为8%，当10K

t<20K时为7%，当

t

20K时为5%。

随着流量的减小而误差将增大[1]。

世界上两个主要有关热计量的国际标准（世界法定计量组织OIMLR75和欧共体EN1434标准）推荐使用叶轮式、电磁式和超声波式三种热量计。

在这三种热量计中，叶轮式热量计是通过叶轮的转动测量水的流量，按流速的形式分为单流速式和多流速式两种。

单流速式主要优点是体积小，质量轻，外形美观，但由于流量仅从一个方向冲击叶轮，对叶轮和轴的材质要求较高，同时由于其腔体较小，对热水的水质要求较高。

多流速式主要优点是，由于流量从多个方向冲击叶轮，对叶轮和轴的材质要求相对较低，其腔体较大，内置过滤网，极大提高了抗污水的能力。

叶轮式热量计具有耗电少、抗干扰性好、安装维护方便和价格低廉的优点，其测量原理和结构相对简单，对工作条件的要求相对不高，因此现在应用的比较多，在户用表中普遍采用，在热水管网的热计量中占据主导地位。

如法国和德国，叶轮式热量计的比例高达90%，但是叶轮式热量计在水中杂质较多时精度会受到较大的影响。

超声波式热量计是通过超声波射线直射或反射的方法测量热水的流量，其测量腔体内部没有任何可动部件，对介质的成分没有要求。

超声波式的优点是量程大、计量精度较高、压力损失较小，但是易受管壁锈蚀程度、水中泡沫或杂质含量、管道震动的影响，尤其是当测量腔体内存在结垢时将极大地降低测量精度，而且成本较高，功耗较大，在户用表中用量较少。

电磁式热量计是按法拉第定律测量热水的流量，其测量腔体内部没有任何可动部件，但对供热介质的电导率有要求（>10US/CM），同时由于其结构复杂，成本较高，功耗较大，在户用表中用量也较少。

户用型热量计普遍采用的结构形式是紧凑型，即将进水温度探头与流量计一体，回水温度探头与之分开，计算显示器可与流量计装在一体，亦可拆下。

这种结构灵活，不受安装空间限制;缺点在于安装调试较麻烦，其暴露的温度探头使热能易于被盗。

而一体化热量计把流量计，进水温度传感器，回水温度传感器和计算显示器做在了一体，这种结构安装简单，无需调试，而且成本低廉，其掩埋式的温度探头和新颖的积分温度差算法，极大的降低了“窃能”的可能;缺点在于对安装尺寸有较高的要求。

从热量计的组成可以看出，制造热量计的技术比电表、水表、煤气表等要复杂。

只有采用高质量的热量计，并综合考虑其经济性、耐用性、可维修性等性能指标，才能达到供热计量及按热量收费的目的[2]。

1.3国内外发展概况

国外，热量是以商品进入市场的。

欧洲早在20世纪二十年代就开始进行按户计量，八十年代已全面实行集中供暖按户计量网。

美国到八十年代末期应用的热量计量仪表己达到250万台。

七十年代末出现的能源危机及能源消耗加大环境污染，使得节约能源和保护环境成了举世瞩目的大事，促进了发达国家供热计量技术的长足发展。

德国规定每栋楼必须安装热量计，每组换热器必须安装温控阀和热计量装置。

在法国1980年公布的热计量收费法规中，也明确制定了每栋楼必须安装热计量表，不允许按面积收费。

收费方法也作了明确规定:

生活热水按热水表计量收费，采暖热费则要分两部分收取，其中30-40%为按建筑面积计算，60-70%按消耗的热量计算。

我国早在1986年开始试行第一部建筑节能设计标准，但建设部2000年对北方地区的检查结果表明:

真正的节能建筑只占到同期建筑总量的6.4%！

不仅单位建筑面积采暖能耗为发达国家新建建筑的3倍以上，而且空调系统的能耗也居高不下。

事实上，造成大量能源浪费的原因，除体制方面的原因外，还在于传统的按面积缴纳热费或冷气费的做法无形中纵容了“高能耗”的行为。

“高能耗”造成了热费收缴困难等问题。

由于我国热计量方面的研究处于起步阶段，存在一定程度上的盲目性与试探性，研究中出现了一些问题与争议，比如国外的热计量方式与推广经验是否适合中国国情?

国外的热计量产品能否在中国完全适用?

什么样的系统能够应用计量?

面对我国如此大的市场需求，开发什么产品、采用什么系统方式能够经济、简单、可靠，在达到节能目的的同时，满足舒适需要等等，这些都需要我们进行更深入地研究和探讨。

近几年来，国内许多部门做了大量有效的工作，在居住建筑建立适合热量计量的供热系统以及热量计量方法方面做了一些示范工程，进行了有益的探索，取得了一定的成效。

目前，国内不少单位根据建筑采暖必须计量收费的原则，已着手研究开发建筑节能技术和产品，引进、消化、研制相关的控制手段和仪表。

天津、北京、哈尔滨等城市的供热单位已经以不同规模，不同供热计量方式进行了试验，并取得了可喜的成绩。

比如天津市凯丽花园热分配式的热计量、龙潭路节能住宅一户一表式热计量等，都为下一步的研究提供了宝贵的经验。

另外，热计量产品方面，一方面，国外大公司如:

何德鲁美、Hnoeywell、西门子、斯伦贝谢等大举进入中国市场，另一方面，国内生产企业全面进入起步阶段，热计量产品的研制开发工作发展很快，己经有数家企业开发出类似产品。

目前国外在供热工程中采用的热计量方式可分为4种，每种方式都有其自身的技术特点，成本效益各不相同。

a）方式A:

楼栋热表

整栋楼的热耗由安装在热力入口的一块热量计计量，并以此计算整栋楼的热费，每户按面积分摊。

本方法可用于各种供热系统。

芬兰等国采用此方法进行供热计量。

b）方式B:

热分配表

户内每个散热器的散热量由蒸发式或电子式热分配表计量，整栋楼安装热量

计，每户的耗热量按照分配表的读数进行分摊。

由于热分配表安装在独立的散热器上，对供热系统的管路形式没有特殊的要求。

为了保证热分配表更好地工作，必须按照标准和生产厂家的要求确定其安装位置。

在德国、瑞士、丹麦、奥地利、波兰等国家中，热分配表得到了普遍的应用。

热分配表分为蒸发式和电子式两种。

两种热分配表都是间接计量散热器的散热量，蒸发式分配表主要是通过计量蒸发液来计算散热器的散热量;电子式分配表则主要是通过采集散热器表面温度，并利用散热器散热量计算公式来计量散热量。

电子式分配表有很多优点，如计量准确，不计量没有使用的散热器的热量，数据可以远传，消除了入户查表的麻烦。

c）方式C:

热水流量表

整栋楼安装热量计，每个住户的耗热量根据安装在住户入口管道上的热水表计量的热水流量进行分摊。

通常热水表安装在按户分环的双管系统中。

韩国是唯一一个法定用热水表进行热计量的国家，由于该国国内普遍采用大流量、小温差的低温热水地板辐射供暖系统，所以按热水表计量的热水流量进行热量分摊精度很高。

d）方式D:

户用热量计

户用热量计安装在按户分环系统中。

户用热量计既可以作为热费分摊的计算依据，又可以直接用于供热单位与热用户结算热费。

虽然上述4种方式都能用于计算用户耗热，但准确性、易用性和经济性却存在差异。

计量准确度和价格由高到低排序为:

方式D、方式B（电子式）、方式B（蒸发式）、方式C、方式A。

国内试验的计量方法及仪表基本是采用了国外的计量方式A和计量方式C。

同时也试验了我国提出平均温差法和变温差法。

国内试验工程中使用的仪表有:

叶轮式热量计、超声波式热量计、磁感应式热量计、蒸发式和电子式热量分配表。

世界各国已经越来越重视按户计量收费，我国己在多个城市进行了按户计量的试验工程，一些城市己开始以各种手段促进这一技术的发展[3]。

1.4开发热量计的现实意义和应用前景

1、降低能源消耗

进入九十年代以来，节能与环保成为我国的重要国策。

据有关国家对德国热力系统调研，采用热量计可降低能源消耗10-30%。

北京市1998年集中供热面积逾3000万，以节约10%计，可节约标准煤12万吨，价值22500万元。

同时还可缓和城市燃料运输紧张的状况，减少对大气环境的污染。

2、有效地解决供需矛盾

热量计还可以缓解供热部门与用户的矛盾，热与不热以表为准，供热有据，同时便于节电节水合理供热，用户可根据自家的情况进行热量调节，避免浪费。

3、按量收费、公平合理

热量计的应用可有效地解决供热收费难的问题。

热量计使供热收费有据，透明度强，用户一目了然，缴费的积极性自然会大大增强。

4、填补空白、推动供热市场

热量计的生产在国内仍是空白，技术落后于国外。

由于旧的供暖视住宅面积大小收费，在当前形式下，我们共同研制开发热量计的生产技术的成功，为国内热量计开发领域填补了空白，该技术的投产应用必将带动新一轮的市场增长点，并推动热量计技术的不断发展和完善。

总之，热量计的应用是一个崭新的，具有很强生命力的项目，前景深远。

1.5本文研究内容和目标

本文针对热量计的现状及发展趋势，在阅读了大量文献及资料的基础上，设计、调试了一套用于计量热量损耗的热量计系统。

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，把智能化技术应用于新型的低功耗热量计的设计中。

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LED数码管显示出来。

具体的内容如下：

（1）系统的组成、硬件电路的选择和设计；

（2）软件的设计和测试；

（3）误差分析和抗干扰设计。

2热量计的硬件电路设计

2.1供热热量计量系统示意框图

图2-1热量计量系统示意

该系统为双管式，红色为热水进水管，粉色为散热器，蓝色为热量损耗后的出水管。

并且为每户和每个散热器前都配备调节阀，便用用户自己设置，起到节能的作用。

在进水管和出水管间，连接了我们此次课题要重点介绍的--热量计，来计量该用户实际热量的损耗。

热量计的流量传感器安装在进水管上，温度传感器分别安装于进、出水管上，分别测量得出温度差。

2.2热量计计热原理

热量计算公式如下：

（2.1）

式中：

Q——释放或吸收的热量（J或Ｗｈ）；

　　　ｑｍ——流经热量表的水的质量流量（Kｇ/ｈ）；　　

　　　ｑｖ——流经热量表的水的体积流量（ｍ３/ｈ）；

　　　ｐ——流经热量表的水的密度（Kｇ/ｈ）；

　　　△h——在热交换系统的入口和出口温度下，谁的焓差（J/Kｇ）；

　　　ｔ——时间（ｈ）；

在热量计算公式中，（2.1）两个公式决定了两种不同的流量测量方法：

一种是质量流量测量（焓差法）；一种是体积流量测量（热系数法）。

质量测量的方法容易受到流体的腐蚀性、粘稠度等水质的影响，不适合中国的供暖条件的应用。

在这里我们选用体积测量的方式来实现热量的准确测量，一次上边的公式也可以表示成（2.2）形式：

（2.2）

式中：

V——载热液体流过的体积（m3）；

θf——热交换回路中载热液体入口处的温度（0C）；

θr——热交换回路中载热液体出口处的温度（0C）；

K——热系数，它是载热液体在相应温度、温差和压力下的函数（J/m30C或KW·/m30C）；

通过（2.2）公式我们可以看出，在这里流量传感器的的选择不仅决定了测量的准确性，而且直接关系到测量数据计算的复杂程度。

通过公式我们可以看法出当我们选择的流量传感器为将流量转换成脉冲信号的时候，热量计量公式可以变换为（2.3）的形式，大大的缩减了计算的工程量。

（2.3）

式中：

Q——释放或吸收的热量（J或Ｗｈ）；

V——热液体流过的体积（m3）；

△T——进水温度与回水温度的差（0C）；

K——导热系数，它是载热液体在相应温度、温差和压力下的函数（J/m30C或KW·/m30C）；

实验温度取室温25℃左右，相应的K值约可取为60。

由此我们知道了要计算用户使用的热量数，必须测量进入用户和流出用户的水的温度差。

但还必须知道在此过程有多少水在放热，因此必须测得此时刻的热水的瞬时流量，然后把它和温度差相乘，就可以得到这一时刻热水释放热量的千卡数。

2.3热量计的硬件原理框图

图2-3热量计硬件原理框图

该热量计主要由流量传感器、进、出水温度传感器DS18B20、单片机及其外围电路组成。

根据一定时间内所通过的水的流量（V）和供、回水的温度差（△T），以及由（△T）所决定的热交换算系数K，最后计算得到消耗的热量值。

2.4信号处理部分

2.4.151系列单片机系统

单片机STC89C52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。

由于52系列单片机是51系列单片机的增强型产品，基本结构和功能相同，本论文以51系列典型机型8051进行单片机系统的介绍。

8051单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明。

图2.4.18051单片机引脚图图2.4.2STC89C52外观

1、8051单片机内部结构和功能[4]：

图2.4.38051单片机内部结构图

·中央处理器：

中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

·数据存储器（RAM）：

8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

·程序存储器（ROM）：

8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

·定时/计数器（ROM）：

8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。

·并行输入输出（I/O）口：

8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。

·全双工串行口：

8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

·中断系统：

8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。

·时钟电路：

8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于