摘要  以集中供暖和中央空調(diào)系統(tǒng)為應(yīng)用對(duì)象，開發(fā)研制了一套熱量計(jì)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以單片機(jī)MCS51為主體，附加外部晶振電路以及復(fù)位電路組成的模塊、電源模塊、放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊、外置RAM及電壓監(jiān)控模塊、外置時(shí)鐘及流量測(cè)量模塊、鍵盤及顯示模塊等組成，借助軟件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算、處理以及存儲(chǔ)等，實(shí)現(xiàn)了智能化。校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)表明；該系統(tǒng)具有啟動(dòng)流速低、精度高、自動(dòng)化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定、在流速大于啟動(dòng)流速后，誤差小于4%。該系統(tǒng)的開發(fā)研究對(duì)集中供暖、中央空調(diào)系統(tǒng)的市場(chǎng)化運(yùn)行管理具有重要意義。

    主題詞  熱量計(jì)   中央空調(diào)   單片機(jī)   模塊 

                                     引 言

    在集中供暖和中央空調(diào)使用收費(fèi)過程中，目前仍按建筑面積計(jì)算，該方式已不適應(yīng)市場(chǎng)化管理的要求，迫切需要對(duì)用戶消耗的熱（冷）量進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)量，以維護(hù)用戶和供暖（冷）雙方的利益，但目前未見該類似儀表的廣泛使用。這是由于熱量計(jì)量存有困難，使該類儀表和開發(fā)受到限制。首先，因?yàn)闊崃繉儆谶^程量，在實(shí)驗(yàn)或工程測(cè)量中，傳統(tǒng)測(cè)量方法對(duì)過程量的計(jì)量本身存在較大的難度，而且存在測(cè)量誤差大，修正因素多等問題。事實(shí)上，傳統(tǒng)測(cè)量方法無法滿足對(duì)熱量的計(jì)量，但隨著計(jì)算機(jī)以及信號(hào)處理技術(shù)在熱工參數(shù)測(cè)量中的廣泛應(yīng)用，熱工測(cè)量?jī)x表向智能化、微型化發(fā)展，充分利用微型計(jì)算機(jī)軟、硬件相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)可實(shí)現(xiàn)熱量的計(jì)量。

      在理論上，熱流率的測(cè)量在穩(wěn)定流動(dòng)中可以歸結(jié)為流體質(zhì)量流量與其溫差以及定壓比熱的乘積，即；在實(shí)驗(yàn)中對(duì)熱流率的測(cè)量主要采取直接法，并假設(shè)流體定壓比熱恒定不變，即簡(jiǎn)化為質(zhì)量流率與其溫差的測(cè)量，要對(duì)熱量進(jìn)行計(jì)量就必需連續(xù)對(duì)熱流率進(jìn)行測(cè)量并累加求和。該類計(jì)量?jī)x表的研究對(duì)供暖通風(fēng)、能源利用、實(shí)驗(yàn)研究等領(lǐng)域具有重要意義，但該類儀表的開發(fā)研究比較困難，以集中供暖、中央空調(diào)系統(tǒng)用熱量計(jì)量?jī)x表為例分析，存在如下問題需要解決；

      ①供暖系統(tǒng)中，流體流動(dòng)速度較低，質(zhì)量流率較小，如何對(duì)供暖系統(tǒng)小流率流體的測(cè)量存在一 定難度。

     ② 進(jìn)、出口溫差的測(cè)量要保證一定精度，同時(shí)要保證溫差與質(zhì)量流率的測(cè)量同步并存儲(chǔ)有關(guān)數(shù)據(jù)；而且系統(tǒng)的溫度（差）波動(dòng)較大，測(cè)點(diǎn)的確定、安裝等實(shí)際問題較多，極難處理。

     ③ 即使能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)小流速換熱流體與溫差的同步測(cè)量，某一τ時(shí)刻的熱流率可以用理論公式；

利用傳統(tǒng)的測(cè)量方法完成上式的累計(jì)計(jì)量也是機(jī)極其困難的。

    基于以上問題，要實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量的計(jì)量，只有充分發(fā)揮微型計(jì)算機(jī)的軟、硬件結(jié)合優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小流量、小溫差的測(cè)量以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算、顯示等一系列功能。本文充分發(fā)揮單片微機(jī)系統(tǒng)具有易開發(fā)、功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，開發(fā)了一套熱量計(jì)量?jī)x，實(shí)驗(yàn)證明 ：該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、精度高、功能強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、易于維護(hù)保養(yǎng)等特點(diǎn)。

                                 研究與開發(fā)

      在熱能工程及材料科學(xué)的研究和生產(chǎn)過程中對(duì)熱量的測(cè)量一般采用間接法，該類儀表大多僅是對(duì)熱流進(jìn)行測(cè)量，目前工業(yè)化的產(chǎn)品有輻射式熱流計(jì)、熱阻式熱流計(jì)等，該類儀表均需實(shí)驗(yàn)標(biāo)定儀表常數(shù)，存在誤差大，測(cè)量滯后等缺點(diǎn)，本文以熱量理論計(jì)算式的離散化方程式為基礎(chǔ)，充分利用MCS51單片機(jī)系統(tǒng)具有易開發(fā)，軟硬件結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了熱量的智能化計(jì)算，結(jié)合熱量測(cè)量的難點(diǎn)，使該智能化儀表很好的實(shí)現(xiàn)了以下功能；

     （1） 溫差的測(cè)量，該功能由兩級(jí)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、有關(guān)采集軟件完成。

     （2） 小流量的測(cè)量，主要靠磁電感應(yīng)元件將流量信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，由MCS51單片機(jī)及有關(guān)采集軟件，實(shí)現(xiàn)頻率信號(hào)的累計(jì)計(jì)量。

     （3） 熱量的累計(jì)計(jì)算以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，主要由軟件和相應(yīng)的寄存器來完成。

     （4） 斷電保護(hù)功能，系統(tǒng)由于外部斷電，重要數(shù)據(jù)將被寫入有關(guān)存儲(chǔ)器并保存，系統(tǒng)自備電源將開始工作，并開始記錄斷電開始時(shí)間以及來電時(shí)間，來電后將自動(dòng)將斷電時(shí)間累加后存入外置RAM內(nèi)存儲(chǔ)。

     （5） 顯示功能，無論用戶還是供暖公司均可通過儀表的顯示功能了解有關(guān)數(shù)據(jù)信息。

     （6） 清零功能，供暖周期結(jié)束時(shí)供暖公司可以對(duì)儀表進(jìn)行清零，以便于管理。

           為實(shí)現(xiàn)儀表的以上功能，系統(tǒng)硬件主要由以下模塊組成：由單片機(jī)MCS51為主附加外部晶振電路以及復(fù)位電路組成的基本模塊、電源模塊、放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊、外置RAM及電壓監(jiān)控模塊、外置時(shí)鐘及流量測(cè)量模塊、鍵盤及顯示模塊等，系統(tǒng)件組成見圖1，其中各模塊的組成以及主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

          單片機(jī)MCS51為主組成的基本模塊是該系統(tǒng)的核心部分，主要完成系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理，協(xié)調(diào)其他模塊的工作，使整個(gè)系統(tǒng)步調(diào)一致的工作，選用的芯片是8051型單片機(jī)，具有5個(gè)內(nèi)部中斷，4K的ROM程序存儲(chǔ)器，使用極為方便，外部晶振選用12H_Z ，復(fù)位電路主要是為熱量計(jì)運(yùn)行管理方便而設(shè)計(jì)的，與鍵盤的功能復(fù)位鍵相連。

         系統(tǒng)電源模塊：主要完成向系統(tǒng)供5V標(biāo)準(zhǔn)直流工作電壓，包括系統(tǒng)中單片機(jī)、運(yùn)放、LCD顯示以及A/D轉(zhuǎn)換的工作電壓以及標(biāo)準(zhǔn)比較電壓等均由此電源提供，該電源的精密程度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響極大，主要由變壓器、整流電路、穩(wěn)壓管和比較電路組成，該電源輸出的電壓由6.5位的KEITHLEY2000多功能表測(cè)量得到其輸出范圍可穩(wěn)定在：4.9999-5.0001V，其精度是*的，作為基準(zhǔn)電壓對(duì)系統(tǒng)造成的誤差可以忽略不計(jì)。

     放大以及A/D轉(zhuǎn)換模塊：主要功能是完成對(duì)熱電偶的信號(hào)進(jìn)行放大并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入相應(yīng)的寄存器，進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算。該模塊的精度直接影響系統(tǒng)的測(cè)溫精度，是產(chǎn)生溫度測(cè)量誤差的主要來源，因此放大器件的選擇主要考慮其精密程度、抑制零漂能力、自校準(zhǔn)情況等性能，在系統(tǒng)中選用的芯片是TLC40502，該芯片在調(diào)試過程中放大5000倍時(shí)起零漂而造成的誤差不大于0.4℃。銅熱電偶在0 ～ 100℃范圍內(nèi)熱電勢(shì)36 μV/ ℃，可以出由于 零漂而造成的誤差不大于0.4℃。A/D轉(zhuǎn)換器選用TLC0831，該芯片工作溫度區(qū)間為0～70℃，屬于8位串行控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器，易于和微處理器接口連接，該器件的分辨率及量化誤差是影響溫度測(cè)量精度的重要原因，以銅-康銅熱電偶以及測(cè)量放大倍數(shù)可知由于分辨率及量化誤差而引起的zui大誤差不大于0.2℃，因此由于放大以及A/D轉(zhuǎn)換而引起的溫度測(cè)量誤差合計(jì)不大于0.6℃，相對(duì)于一般供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫差20℃而言，由于上述原因而引起的zui大誤差不大于3%，這一精度是比較高的。

     外置RAM及電壓監(jiān)控模塊：外置RAM主要完成對(duì)重要數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，尤其在系統(tǒng)掉電的情況下對(duì)所采集的熱量值進(jìn)行存儲(chǔ)以及掉電時(shí)間進(jìn)行記憶，便于管理，其主要芯片是X24C45，該芯片具有非易失性，便于在線寫入等特點(diǎn)。電壓監(jiān)控電路主要完成的功能是 ：在主電源失效時(shí)將備用電池自動(dòng)接入電路，當(dāng)主電源恢復(fù)時(shí)將備用電池?cái)嚅_，以達(dá)到保存系統(tǒng)數(shù)據(jù)的目的，主要芯片是INP708，該芯片帶有看門狗定時(shí)器以及降壓檢測(cè)的μP監(jiān)控電路。

      外置時(shí)鐘及流量測(cè)量模塊：主要完成對(duì)單片機(jī)的運(yùn)算提供時(shí)間記數(shù)以及斷電時(shí)使用電池電源繼續(xù)工作，為記錄斷電時(shí)間提供時(shí)鐘，主要芯片是DSI302，屬于點(diǎn)滴式充電記時(shí)芯片，流量測(cè)量電路主要完成流量信號(hào)的轉(zhuǎn)換及測(cè)量，流體流動(dòng) 經(jīng)過磁電感應(yīng)器、光電耦合器等轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，送入單片機(jī)并記錄累加，完成流量的測(cè)量，該部分是熱量測(cè)量產(chǎn)生誤差的主要來源之一，關(guān)鍵是流量信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中，頻率信號(hào)與流量的對(duì)應(yīng)常數(shù)的標(biāo)定，以及zui小流量的影響。

       鍵盤及顯示模塊：鍵盤主要完成的功能包括清零復(fù)位，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)、查詢寄存器重要的即時(shí)值等，顯示功能是將經(jīng)過單片機(jī)計(jì)算累加的熱量值顯示出來，是系統(tǒng)功耗的主要來源，所以選用LCD液晶顯示器，具有功耗小，易于與單片機(jī)連接的CC14544芯片。

             （1） 在正常通電開始工作的情況下，首*行系統(tǒng)自檢，自檢完畢，讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫差同時(shí)讀取計(jì)數(shù)器的頻率值（讀取數(shù)值后即時(shí)將計(jì)數(shù)器復(fù)位）并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的流量值，進(jìn)行熱量的計(jì)算，從外部的RAM讀取累計(jì)存儲(chǔ)的熱量值與測(cè)的熱量值進(jìn)行累加，累加后送回外部的RAM存儲(chǔ)，完成一個(gè)測(cè)量循環(huán)。

          （2） 在突然斷電非正常情況下，電壓監(jiān)控電路開始工作，提供短時(shí)電源使得單片機(jī)把重要數(shù)據(jù)和外部時(shí)鐘的數(shù)值記錄到外部RAM中，同時(shí)系統(tǒng)開始記錄時(shí)間，以便電源恢復(fù)正常時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行（1）的工作內(nèi)容，并記錄下停電時(shí)間的累加值。

          （3） 軟件對(duì)溫漂和時(shí)漂的自動(dòng)測(cè)量及消除，在軟件中設(shè)置測(cè)量各傳感器的零點(diǎn)值并存為數(shù)據(jù)文件，在熱量計(jì)量計(jì)算中減除該對(duì)應(yīng)傳感器的零值，可以有效的消除溫漂和時(shí)漂的影響，提高了傳感器的測(cè)量精度及系統(tǒng)總體精度。

                              精度的實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)及應(yīng)用

熱量計(jì)的外形尺寸130×130×40mm，液晶顯示，保證熱量計(jì)的精度是熱量計(jì)開發(fā)成功與否的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此，對(duì)其精度進(jìn)行校驗(yàn)是開發(fā)研究的重要內(nèi)容，圖3是校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，主要完面熱量計(jì)在小流量工況下性能標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)過程如下：水流經(jīng)1.5級(jí)的水表計(jì)量后經(jīng)過電加熱升溫后，進(jìn)入流量變送器將流量信號(hào)轉(zhuǎn)化為光電信號(hào)將信號(hào)送入熱量進(jìn)行計(jì)數(shù)，流體進(jìn)入散熱器，經(jīng)強(qiáng)制對(duì)流換熱后流入標(biāo)準(zhǔn)容器。在散熱器前后各設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)，除由熱量計(jì)測(cè)量經(jīng)放大的電壓信號(hào)外，還用6.5位的KEITHLEY2000多功能表測(cè)量了未經(jīng)放大的熱電偶輸出信號(hào)，作為熱量計(jì)溫差測(cè)量的 校驗(yàn)信號(hào)。流量的校驗(yàn)主要是由水表、流量頻率變送器、頻率信號(hào)測(cè)量并轉(zhuǎn)化為流量，測(cè)得流量值與標(biāo)準(zhǔn)容器得的數(shù)值比較，計(jì)算其測(cè)量誤差，其中實(shí)驗(yàn)中主要集中在小流量區(qū)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1（表中qi代表流量值）。      

                                    表1   流量計(jì)校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

      從表中數(shù)據(jù)可以看出：隨著流量的增大，無論是水表還是熱量計(jì)測(cè)量的流量值越來越，其中對(duì)熱量計(jì)和水表而言都存在著啟動(dòng)zui小流量，但熱量計(jì)的啟動(dòng)流量要比水表的啟動(dòng)流速要小，分析認(rèn)為 ：主要是熱量計(jì)的啟動(dòng)阻力比水表要小的多。在熱量計(jì)流量大于啟動(dòng)流速后，其總體誤差小于4%，這一精度滿足集中供暖和中央空調(diào)系統(tǒng)對(duì)熱（冷）量計(jì)量的精度要求。圖4揭示了水表和熱量計(jì)的測(cè)量相對(duì)誤差 ，從圖中可以看出；熱量計(jì)的啟動(dòng)流速較小，隨著流速的增大的測(cè)量相對(duì)誤差在減小，當(dāng)流速大于0.9m/s后，水表的測(cè)量相對(duì)誤差小于熱量計(jì)測(cè)量相對(duì)誤差，這與測(cè)量誤差的來源不同有關(guān)，熱量計(jì)工作流速大于啟動(dòng)流速后，誤差主要來自流量變送器和溫度測(cè)量的誤差，基本上是恒定的，但總體相對(duì)誤差不大于4%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明；該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

                                         結(jié) 論

本文針對(duì)熱量過程中存在的問題，開發(fā)了一套熱量計(jì)量系統(tǒng)，以滿足集中供暖和中央空調(diào)系統(tǒng)的熱量計(jì)量，具有廣闊的市場(chǎng)前景，該系統(tǒng)的開發(fā)成功對(duì)集中供暖和中央空調(diào)系統(tǒng)的市場(chǎng)管理具有重要意義。該系統(tǒng)具有；智能化程度高、性能穩(wěn)定、精度高、功能齊全、易于安裝等特點(diǎn)；經(jīng)實(shí)驗(yàn) 校驗(yàn)表明：

        （1）該系統(tǒng)具有啟動(dòng)流速小的特點(diǎn)，啟動(dòng)流速小于0.2629m/s，比水表啟動(dòng)的流速小；而在正常流速下，其總體誤差小于4%，這一精度滿足集中供暖和中央空調(diào)系統(tǒng)的熱（冷）量計(jì)量的精度要求。

         （2）該系統(tǒng)充分利用單片機(jī)具有易開發(fā)等特點(diǎn)，充分利用其強(qiáng)大的軟件處理及數(shù)據(jù)采集運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)了純機(jī)械系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的功能，達(dá)到自動(dòng)記錄、處理、顯示數(shù)據(jù)等智能化要求，自動(dòng)修正測(cè)溫誤差等功能，降低了硬件成本，有利于市場(chǎng)化。

         （3） 外置ROM、電源監(jiān)控以及外置時(shí)鐘、電源設(shè)置，使單片機(jī)系統(tǒng)具有內(nèi)外資源結(jié)合利用，在停電的情況下系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入計(jì)時(shí)，為集中供暖、中央空調(diào)的管理提供了極大的便利，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等功能得到了強(qiáng)化，*實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。

         （4） 該系統(tǒng)還具有運(yùn)行部件少、使用壽命長(zhǎng)、功耗低、易維護(hù)和改型，可以滿足不同的流量測(cè)量范圍，易形成系列化生產(chǎn)，同時(shí)具有運(yùn)行穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好等特點(diǎn)。

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