基于单片机暖气表的设计

绪论1.1课题研究意义进入二十一世纪，国家先后推出各类“节能减排”，“可持续发展”，“5大发展理念”[1]等理念。已经有几十年历史的供暖系统已经不符合当今时代发展观念，其中的矛盾早已凸显，居民感到按“平米数”收费是及其不合理的，每户因为各种因素得到的供暖热量是不同的；政府也感到及其的不合理，是因为这套供暖系统不符合当今的发展理念，与“节能减排”背道而驰。每年进入供暖期时，尤其是我国北方地区会出现不同程度的雾霾天气，以京津冀地区尤为严重，每年这个时候都会让政府感到“头疼”，群众感到“窒息”。国家开始规定“禁煤区”，一些地方严禁自家烧煤取暖改为集体供暖。这种方式在一定程度上缓解“雾霾天”，雾霾天数得到有效的下降。集体供暖在一定程度上改善环境，但是也给供暖公司增加了巨大的工作量，需上门统计每户所消耗的热量，工作繁重且巨大。因此，设计一套具有可以在用户端统计到所消耗热量，并可以回传到终端供暖公司的系统已经迫在眉睫。1.2国内外发展现状集中供暖计量收费最早出现在欧洲，大概是19世纪70年代，这些国家就已经有了让室温恒定的意识以达到人体舒适的感觉。同时，在这个年代经历了石油危机，让人们进一步了解到资源的重要性，人们的节约能源意识也渐渐的系统起来。所以针对每户根据用量来收费的取暖方式也逐渐被人们认可。与国外相比，国内的一些基础设施还相对落后，计费的合理性、供暖效率等方面还有待完善。我国幅员辽阔，南北纬度跨度大，因此各个地方的温度也有很大差异，这更加给我国集中供暖的计费方式增加了难度。故这种每户根据自己用量来缴纳费用的方式得到民众和政府的大力支持。1.2.1欧美国家采用计量热量的方法目前西方国家计算热量一律采用K系数补偿的方式，测量热量原件采用TP100和TP500，引出的电缆导线电阻在1Ω时可能带来1%左右的误差，所以对电缆长度有严格要求。一般采用间接测量热量的方式，其计算热量的方法基本有以下三种:[2]（1）直接从用户端测取用户所用数据。优点；准确；缺点：费时费力，投入较大。目前在法国、瑞典使用较多。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第3页。（2）测定用户散热设备的散热势。优点：准备；缺点：需要散热设备的特性系数，测量的复杂性较高。常用的热量分配仪表有蒸发式和电子式两种。蒸发式仪表价格低廉，但准确性较低；电子式仪表计量准确、读数方便。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第3页。（3）测定用户的热负荷。对室内、室外的温度差进行累积求和，再求得室内体积常数，两数之积为热负荷。西方国家将这些方法进行整合，计量热量的方式更加可靠，并且向着智能化、小型化发展，东欧各国正在逐步推广。1.2.2我国现行计量热量方式（1）按面积计量。计算每一户的使用面积，将面积作为计量热量的一种方式，主要应用在城市采暖用户。（2）按流量计量。测量用户进水表的流量，将流量作为计量热量的一种方式，主要应用于使用工业蒸汽的用户。（3）按热量收费。主要应用在热电厂和供热公司之间。我国某些地区确实还存在着如按面积、流量等不合理的计量方式，应慢慢淘汰这些计量方式，采用计量热量更为合理。1.3课题的研究内容本课题所研究暖气表主要由户机、采集器、PC机三部分构成。户机主要由温度传感器、流量传感器和单片机STC12C5A60S2组成，单片机接收供、回水管上温度传感器和流量传感器发出脉冲信号。采集器由单片机AT89C51组成，主要工作是收集户机所得的数据。PC机将全部数据做计算处理，供缴费使用。由户机的温度传感器和流量传感器输出的微弱电信号，经各自信号放大电器对信号进行预处理，使其转换为0-5V范围内变化的直流信号，加到V∕F转换电路变换为数字信号，使采集器可以对其进行数据采集传输到PC机，PC机再进行数据处理。2户机设计户机由温度传感器和流量传感器两部分构成，作为整个暖气表系统采集温度、流量数据的部分，需要精确的测量供水管和回水管的温度以及水的流量，以供终端可以计算每户居民所使用的热量。户机整体框图基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第4页。图2-1基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第4页。图2-1户机整体框图流量传感器温度传感器STC12C5A60S2P3.5P3.2LM331变换2.1流量传感器流量传感器使以水表改装而成，添加霍尔式传感器3120[2]计算指针所转圈数，以此计算水流量。2.1.1采用霍尔式传感器3120测量水的流量霍尔式传感器采用的工作原理为霍尔效应，霍尔效应为在一个立体的半导体薄块正对面通过一个垂直于该侧面的控制电流I，在该薄块正上方添加一个垂直于该面的磁场B，则会在另一个侧面产生一个与控制电流与磁场乘积成正比的电动势UH，这就叫做霍尔效应，即：UH=KH·I·BBIB图2-2霍尔元件BIB图2-2霍尔元件UH基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第5页。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第5页。测量水的流量，本课题借助了家用的水表的原理，通过当水从管中流过使管中的叶轮旋转，从而在表外观察到水的流量，在这一基础上添加霍尔式传感器从而成为智能水表。2.1.2家用水表的改装将水表的指针换成有强磁性的指针，在表的正上方偏边缘的位置固定好霍尔元件，当指针转过一次，霍尔元件3120就会产生一个+5V的电动势。由于指针有两个，所以当输出两个+5V的电动势时水表转的圈数为1，也就是说霍尔元件3120所输出的电动势为0V或+5V，这样的脉冲信号可以直接输入到STC12C5A60S2[3]单片机的-INT0（P3.2）口，既不用放大也不用V∕F转换，只需要在STC12C5A60S2单片机中计数即可。注意为了减少热量散失，更好的保护元器件将霍尔式传感器安装在冷水端。2.1.3流量的计算方式先计算出一吨水所转的圈数为N，即每转一圈为1/N吨水。由单片机计数得到M，因为计数两次为一圈，故所转圈数为M/2。得：用水量W=1/N·M/2。2.1.4霍尔式传感器与单片机STC12C5A60S2连接的电路P3.5STC12C5A60S2开关霍尔式元件3120P3.5STC12C5A60S2开关霍尔式元件3120GND5V图2-3霍尔式传感器与单片机STC12C5A60S2连接电路图+5V+5VGNDRP3.2STC12C5A60S2霍尔式传感器图2-22.2温度传感器基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第6页。温度传感器需测量供水管和回水管的温度，主要运用温度传感器AD590[4]测量供水及回水管的温度差。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第6页。2.2.1采用温度传感器AD590测量温度温度传感器AD590为单片两端端集成的温度传感器，既可以串联工作也可以并联工作，属于输出电流型的温度传感器。它有以下优点：1、所需电压为+4V至+20V，和上述的霍尔式传感器所需要的电压相符合，节省电压源。2、精度强，在-55℃—+155℃范围内，它的误差范围在±1℃。3、配套设施良好好，在温度为298.2K（25℃）时，传感器输出电流一般保持在为298.2μA，并且电流随温度变化而变化，以1μA/1K增加或减少其电流值，接受电信号的器件和电路都可以互换。4、对电阻、电压产生的磁场抗干扰能力强，适宜长距离测量。因为温度传感器AD590为输出电流型，必须将电流转换成数字信号单片机才可以接收。由于V/F转换器对于V∕F转换器有体积小、价格低、接线简单等优点，故选择V/F转换器为转换信号的元件。由于在户机端不加另外电源，故电压较低，选择V/F转换器中的芯片必须能在低电压环境中工作，从经济方面、实际环境方面选择LM331型转换器最为适宜，转换器将所测温差△T转换成方波脉冲送至单片机。2.2.2用温度传感器AD590测量Tr2Tr1Tr2Tr1基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第7页。图2-4温度传感器AD590的测量电路图基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第7页。温度传感器AD590的测量如电路图2-4。Tr1、Tr2为两个温度传感器分别接在供水管（暖水端）和回水段（冷水端），并且为顺向连接，所以两个温度传感器之间的温度差即为电流差Ir。一般在供水和回水的温度差不会超过10℃，所以电流差Ir也不会太大基本在0—10μA,经过LM324I/V变换，由电流变换为电压大概在0-5V。再经由LM331V/F变换[5]，由电压变换为频率信号，直接送到STC12C5A60S2单片机的引脚P3.5完成数据交换。2.3户机其它部分的设计户机的单片机STC12C5A60S2可以将温度传感器和流量传感器得到的数据进行梳理。2.3.1户机的硬件设计本系统采用STC12C5A60S2作为户机部分的微处理器，它是8位CMOS为控制芯片，有着低功耗、高性能的优点。其管脚图如图2-6：基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第8页。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第8页。图2-5单片机STC12C5A60S2管脚图单片机STC12C5A60S2要求的工作电压在2.7V—6V间，寿命可达2000次写/擦除周期，有15条可编程的I/O线，这些特点都符合我们的要求。2.3.2户机的通讯设计由采集器发送±12v的方波脉冲至B1总线上，然后由户机各自接收（如图2-8）。当方波为正半周时，A点为高电平，三极管Q2截止，此时-INT1为高电平；当方波为负半周时，A点为低电平，三极管Q2导通，此时-INT1为低电平，由此可见-INT1引脚的高低电平变化总随着总线B1变化而变化，这样户机就可以在总线B1上根据高低电平变化接收来自采集器的信息了。B1BAB1BA图2-6采集器对户机的通讯电路图图2-6采集器对户机的通讯电路图基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第9页。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第9页。当户机向采集器发送信息时，单片机AT89C51的P1.7口输出高电平时，电流经过R1对C1进行充电，使B点为高电平，导致三极管Q1截止，A点电压为-12V；反之，A点电压为0V。这样，A点上的电压变化就代表着P1.7口上的电平高低变化，该变化由总线传送至采集器的接口电路，将电压转化为0—+5V的电压由采集器检查。2.3.3户机的供电设计V1V2V1V2图2—7采集器为户机供电电路图图2—7采集器为户机供电电路图基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第10页。户机的供电由采集器提供（如图2-7），采集器发出方波脉冲当为正半周时，经总线传送至二极管D2，并为电容C1充电，由于LM385有稳压作用，两个放大器所得到的电压均为+2.5V，经同相放大之后，均输出为+5V的电压，V2为单片机STC12C5A60S2专用，V1为户机其它部分所用；当采集器发出的方波为负半周时，此时由电容C1放电提供电压。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第10页。3采集器设计基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第11页。采集器作为户机与PC机之间联系的纽带是极其重要的一部分，主要介绍的是采集器的构成，单片机AT89C51的用途。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第11页。图2-8单片机AT89C51管脚图图2-8单片机AT89C51管脚图3.1采集器的构成基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第12页。本系统采用单片机AT89C51[6]（如图3-1）为采集器的软件，它的主要性能有兼容MCS—51指令系统、32个双向I/O口、128*8bit内部ROM。一台采集器可以控制256个户机，采集器一方面通过总线为户机供电并且接收由户机发送来的数据，另一方面通过串行接口与PC端连接，将户机所测量的数据送到PC端，起到桥梁作用。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第12页。3.1.1采集器的特点及原理框图采集器有以下特点：1、户机不用另接电源，直接由采集器通过输入/输出接口经总线供电，一台采集器可以连接256台户机。2、采集器有单独的CPU和数据存储器，当有线路出现故障也不用担心数据丢失的问题。3、采集器具有电路检查和数据存储功能，并在程序上实现了数据存储，更加可靠。采集器的原理框图为户机供电及通讯电路为户机供电及通讯电路AT89C51外部存储区与PC机通道接口电路图3-1采集器的原理框图3.1.2采集器与户机之间的供电与通讯设计采集器与户机之间的电路连接如图3—3。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第13页。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第13页。P1.1P1.0B1P1.1P1.0B1图3—2采集器与户机电路图图3—2采集器与户机电路图测量放大器AD521[7]是采集器与户机连接的重要组成部分，它具有输入阻抗高、过载能力强等优点。其中管脚4和管脚6为外接调零端，管脚2和管脚14为外接增益电阻端，管脚10和管脚13为外接反馈电阻端，管脚1和管脚3为信号输入端。输出电路（供电电路）：当采集器单片机AT89C51在P1.0口输出高电平时，三极管Q1为导通状态，总线B1上产生+12V的电压；反之，总线B1上产生-12V的电压。在P1.0口输出为脉冲信号时，总线B1上也产生相对应的方波脉冲。输入电路（通讯电路）：当户机的单片机STC12C5A60S2的P1.7口产生高电平时，从而导致三极管Q1截止，此时A点电压为-12V，使得总线B1也为-12V，电阻R3、R4无电流通过，电压=-12V，经过AD521输出为0V，经过六反相施密特触发器74LS14[8]输出为高电平，P1.1口此时为高电平；反之P1.1口为低电平。采集器可以通过P1.1口接收的高低电平准确的接收到户机发送的信息。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第14页。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第14页。4远程抄表远程抄表作为本系统的亮点，和传统的抄表有了明显的优点，大大减少了工作量，极大的提高工作效率。它包含PC机与采集器之间的数据传输。4.1远程抄表系统设计远程抄表系统是将PC机作为上位机用来处理由采集器提供的数据，可以打印计费发票给居民，也可以制成报表供公司做分析。采集器作为下位机，将收集到户机的数据传送到上位机供其处理。采集器起到桥梁作用，将户机和PC机良好的连接在一起。4.1.1PC机与采集器之间的通讯设计通信方式选择串行通信，因为传输线路少，导线与导线之间产生的影响较小，所以适合长距离的传输。在其它类似于传输如各处理器之间都选择串行通信。串行通信因数据流的分界、定时等又分为异步串行通信和同步串行通信，前者是以字符为单位传送的，一帧信息只包含一个字符；后者以数据块为单位传送，每帧信息可包含上百个或上千个字符。所以以同步串行通信这种可以连续、快速的传输大批数据为串行通信方式较合适。远程抄表系统需要RS—232、RS—485[9]两种串行通信接口：RS—232标准接口它是目前设计中最常用的接口，在通信速率在20kbps以下时，RS—232传输距离最大可达到15米。为保证数据可以正确、快速的传输。我们规定+3V-+15V时之间的任意电压为低电平，-3V--15V之间的任意电压为高电平。RS-232与TTL电平转换时需要注意，RS-232为正负电平代表的是逻辑状态，TTL的高低电平代表的是逻辑状态。因为逻辑状态代表不一致，所以为使两器件可以符合连接，需要对电平代表方式和逻辑关系进行变换。MAX232[10]，它的内部芯片有一个电源电压变换的功能，可以将＋5V的电压转化为±10V的电压从而满足RS-232的工作要求，此时在＋5V工作电压的情况下即可正常工作。在应用过程中T11N、T12N可直接与单片机AT89C51串行发送端TXD相连接；R1N、R2N可直接与PC机上的RS-232的串行通信口发送端TXD相连接；R1out、R2out可直接与单片机AT89C51串行接收端端RXD相连接；R1out、R2out可直接与PC机上的RS-232的串行通信口接收端RXD相连接。RS—485标准接口RS—485接口是一种平衡传输方式的串行方式接口，在电路中允许有多个发送器，并允许有多种组合单元。在平衡传输线路上的任何位置都可以有发送器、接收器，这极大的实现了在统一传输线上有多个发送器和接收器多点操作。RS-485与TTL电平转换时需要注意，转化为同一电平才能实现数据的远距离传输。采用MAX-491[11]作为RS-485的接收器，用于双全工通信。它由一个驱动器和接收器组成，传输速率最高可到2.5MHZ，驱动器的转换速率也不受限制。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第15页。RS—485的优点：抗干扰能力强；传输速率高，最大传输速率可以达到10Mpbs左右；传输距离远，在传输速率为100kpbs以下时，可以传输的最大距离为1200米；实现多点对多点的通信。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第15页。在远程抄表系统设计中，一个采集器可以管理256台户机，一个3000户的小区基本控制在13台左右采集器即可。采集器的作用是接收PC机的命令并且将采集到的数据传输给PC机，和为户机供电并采集各台户机的数据。PC机与采集器的距离间隔较远，采集器一次采集256户的数据也较多，所以采用RS—485同步串行通信方式较为合适。PC机作为主机终端，决定通信线路上的数据传输，所以在终端位置的单片机MAX491的接收驱动和发送驱动都处于工作状态;采集器作为从机，当PC机发出与采集器一致的地址信号，采集器接收由PC机发出的命令然后根据相应要求发送数据，此时采集器端的MAX491单片机为P1.3=1；在采集器接收PC机发出的命令时P1.3=0。4.1.2PC机与采集器之间的通讯协议本课题设计为PC机为主机、采集器中AT89C51单片机为从机的一主多从的通信结构，采集器中AT89C51单片机通过RS—485和PC机通信，只有主机才可以和从机互相通信，从机之间不可以互相通信，故又叫做半双工方式通信[12]。主从机之间的协议如下：（1）主、从机传输数据的传输波特率为2.4kbps，它有8位数据位可供填写、传输。（2）通信开始时，从机采集器的位置1必须为接收信息的监听状态。（3）当主机向从机发送命令时，前8位为8位地址位，此命令第9位为1，也使从机的TB8=1，这样主、从机地址一致即可连接上，从机接收命令后中断一切任务，来接收主机的命令。（4）从机采集器在接收到主机PC机的命令后，从机判断该地址是否与自身地址相同，若相同会发送信号告知PC机可以进行数据传输，若不同从机的位置1继续保持低电平，即该从机与主机之间为中断状态。（5）当主机接收到从机发回的应答信号时，主机的地址信号与从机的地址信号一致时，主、从机之间即可以传输数据；如果不一致，主机会给从机发送错误信号。4.1.3远程抄表的软件设计（1）流量表的流程图，如图4-1。开始开始保护现场流量冲计数M2计算用水量计算用量W结束图4-1流量表的流程图基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第16页。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第16页。（2）温度表的流程图，如图4-2。图2-5温度表的流程图2计算用水量2开始初始化AD590发读温命令温度数据处理、存储是否读完所有AD590NY结束NY基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第17页。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第17页。（3）采集器采集户机数据流程图，如图4-3。轮寻标识清零轮寻标识清零Y保护现场数据位数加1结束开始恢复现场Y数据处理、延时一轮寻呼完?N保护现场N脉冲发送完?数据位加1恢复现场轮巡标志清零图4-3采集器采集户机数据流程图基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第18页。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第18页。（4）PC机与采集器之间的通讯流程图，如图4-4。YY开始串行口初始化，设置波特率及字符格式N发送命令发送地址发送地址从机是否就绪从机地址是否相符接受从机状态接收数据返回数据是否接收完？YYNN图4-4PC机与采集器流程图NYNNYY基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第19页。基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第19页。参考文献基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第20页。[1]韩向农等，采暖供热系统设计——计量器的设计[J]，科技资讯，2007（3）基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第20页。[2]赵燕、戴蓉等，传感器原理及应用[M]北京：北京大学出版社，2015年4月；[3]陈桂友等,单片机应用技术[M].北京：机械工业出版社.2010；[4]徐科军、马修水等，传感器与检测技术[M]电子工业出版社，2016年5月第4版；[5]胡学海、张志国、王志刚，传感器与数据采集原理[M]中国水利水电出版社，2016年1月；[6]刘坤、宋戈等，51单片机C语言应用开发技术大全[M]人们邮电出版社，2008年9月第1版；[7]黄健，智能暖气表的研究与开发[C]河北工业大学，2004年3月；[8]范新媛，智能型暖气表及远程抄表系统[C].湖南大学硕士学位论文，2001年6月；[9]李莉，张伟，邵峰，赵明富，非接触式暖气表计费系统的开发[J].磁性材料及器件.2010（5）；[10]刘同法、陈忠平，单片机外围接口电路与工程实践[M]北京航空航天大学出版社，2009年3月第1版；[11]城市供暖用户热量计量计费系统研究[C]辽宁工程技术大学，2005年1月；[12]李晓维、徐勇军，无线传感器网络技术[M]北京理工大学出版社，2009年1月；总结智能化暖气表是集单片机、传感器的智能化仪表，不仅可以良好的解决我国目前热量收费制度的不公平性和提高国民的节约意识，而且通过智能化测量可以远程测量每户居民所用热量，既惠民于百姓，对大大提高了供热公司的工作效率。与传统测量方式相比较，此款暖气表有测量准确、灵敏度高、易操作等优点。该暖气表由户机、采集器、PC机三部分组成，其中采集器作为联系户机和PC机的纽带是极其重要的一部分。暖气表的推广可以大大加快现代化进程建设，适应当今社会的发展。其中，采集器作为暖气表的重要部分主要由AT89C51单片机构成；户机主要由STC12C5A60S2单片机、温度传感器和流量传感器构成；PC机作为终端主要是接收户机的数据进行整理、计算。本系统的研究还处于最初级的阶段，还有很大部分处于试验中，有待进一步研究。在测量中进行进一步的完善，从而使该系统可以尽早得到推广和应用。STC12C5A60S2单片机测量流量及温度差的测量#include<STC12C5A60S2.h>#include<stdio.h>#include<intrins.h>floatwendu1,wendu2,wendu,reliang;基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第21页。intjishu=0;基于单片机暖气表的设计全文共24页，当前为第21页。voiddelayAD(unsignedinta)//延时约1ms{ unsignedinti; while(--a!=0) for(i=600;i>0;i--);//1T单片机i=600，若是12T单片机i=125}voidAD_init() //AD初始化{ P1ASF=0x18;//P1口全部作为模拟功能AD使用 ADC_RES=0;//清零转换结果寄存器高8位 ADC_RESL=0;//清零转换结果寄存器低2位 ADC_CONTR=0x80;//开启电源 delayAD(2);//等待1ms，让电源稳定}unsignedintAD_get(unsignedcharchannel){ ADC_CONTR=0x88|channel;//开启AD转换10001000即POWERSPEED1SPEED0ADC_FLAGADC_STARTCHS2CHS1CHS0 _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//要经过4个CPU时钟的延时，其值才能够保证被设置进ADC_CONTR寄存器 while(!(ADC_CONTR&0x10));//等待转换完成 ADC_CONTR&=0xe7;//关闭VF转换，ADC_FLAG位由软件清0 return(ADC_RES*4+ADC_RESL);//返回转换完成的10位数据(16进制)}floatAD_work(unsignedcharchannel){ floatAD_val;//定