基于LABVIEW的智能熱量表畢業(yè)設計論.doc

1、摘 要本文設計了一種新型的暖氣表以及與之配套的遠程抄表系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由戶機、采集器、PC機三部分組成：戶機通過實時測量熱水的瞬時流量及溫度，得到用戶在一段時間內的用熱量；測量數據通過采集器可以遠傳至物業(yè)管理中心的PC機，由管理中心統(tǒng)一完成數據存儲，數據查詢，數據打印等多項任務。本文包括整個系統(tǒng)的硬件和軟件設計，重點介紹了物業(yè)管理中心的PC機管理軟件部分。軟件部分用LabVIEW，LabVIEW 是美國 NI 公司實現虛擬器(Virtual Instrument-VI)技術的G語言。圖形化編程開發(fā)平臺的特點是基于通用計算機等準軟硬件資源平臺，實現構建靈活、層次體系明晰、功能強大且人機界面友好的測

2、控系統(tǒng)，此在國內外許多測控應用中被廣泛采用，并具有豐富的統(tǒng)計、計算，數據儲存等功能；具有廣泛的擴展升級空間。關鍵詞：熱量表；虛擬儀器；LabVIEW；LabSQLAbstractThis paper developed a new kind of heating table with the necessary long-distance meter reading system. The whole system consists of heat table, collector, PC three parts: heat table receive the heat of users in

3、 a period of time through real-time measuring hot water temperature and the instantaneous flow; the measurement data can be transmitted to property management center of PC through the terminal, finally the management center complete data storage, unified data query, data printing missions. This pape

4、r expounds the system hardware and software design, and emphatically introduces the property management center of PC management software. Software adopts LabVIEW, which is the United States LabVIEW Virtual device (Virtual Instrument - VI) technology G language. The characteristic of graphical progra

5、mming developed platform is based on general computer software and hardware resource platform and realizes the construction of accurate, well arranged, powerful and friendly man-machine interface system, the application is widely used in Measurement and Control field at home and abroad. And It has r

6、ich statistics, calculation, data storage function and widely extended upgrade space.Keywords: Heat meter；Virtual Instrument；LabVIEW；LabSQL目錄摘 要IAbstractII1緒論11.1課題來源及意義11.2 國內外研究現狀及發(fā)展水平22 虛擬儀器技術及其應用62.1虛擬儀器概述62.2虛擬儀器的分類72.3虛擬儀器的系統(tǒng)組成83系統(tǒng)總體規(guī)劃123.1 系統(tǒng)總體設計123.2熱量計算方法123.3 流量的測量143.4 溫度的測量174 系統(tǒng)硬件設計204.

7、1 智能熱能表的硬件設計204.2 集中器的硬件設計235上位機系統(tǒng)軟件設計255.1 智能熱能表軟件設計255.2 采集器軟件設計286遠程抄表系統(tǒng)通信設計306.1 通信實現目標306.2通信方式的選擇307熱量表監(jiān)測系統(tǒng)軟件實現347.1系統(tǒng)軟件整體設計347.2各模塊介紹358設計小結47致謝48參考文獻491緒論1.1課題來源及意義1.11智能化住宅簡介 人類己經進入21世紀，現代科技的力量，打破了傳統(tǒng)的時空界限，借助計算機網絡和層出不窮的信息技術，人們足不出戶可縱覽全球，電子商務、遠程教育、移動辦公、網上聊天、以超乎想象的速度改變了人類的生產、生活方式，更深刻地影響了人類的思維模式

8、和生存狀態(tài)。社會的信息化也喚起了人們對住宅料能化的需要，智能化住宅小區(qū)就是順應這一形勢發(fā)展起來的。智能化住宅小區(qū)把先進的科學技術與現代建筑工藝緊密結合.為小區(qū)住戶提供了一個安全、舒適、方便、優(yōu)化的生活環(huán)境，實現了小區(qū)生活服務的高效化、節(jié)能化和環(huán)?；?。樓宇自動化是體現建筑物“智能”的主要部分。樓宇自動化系統(tǒng)(building automation system，簡稱BAS)全面綜合了計算機、測控和通信技術，采用集散或現場總線分布式控制系統(tǒng)的結構及先進的管理技術，可以實現對建筑物的中央監(jiān)控、安全保障及能源管理功能。BAS的實施還實現了無人抄表，住宅小區(qū)各住戶的熱量表能夠自動計量并將數據遠傳至智能化

9、物業(yè)管理中心，由管理中心統(tǒng)一對各表數據進行錄入、計費并打印收費賬單，然后將數據送到相應職能部門，大大提高了物業(yè)管理水平。1.12智能熱能表及遠程抄表系統(tǒng)的重要意義隨著我國經濟建設的發(fā)展，人民生活水平日益提高，區(qū)域性的集中供熱，已在我國北方的大中城市得到普及。但對用戶的用熱量卻長期缺乏一個合理的計量措施，大部分地區(qū)仍按建筑面積計費。這種按面積大小包干制的收費辦法，導致室內溫度偏高的用戶，不是調節(jié)供熱量來降低室內溫度，而是采取冬季開窗的方式來散熱，導致熱量的大量損失；同時使供熱企業(yè)的經濟效益變差，制約了集中供暖的發(fā)展，與住宅智能化的要求極不協調。在市場經濟條件下，供熱企業(yè)與暖氣用戶之間應為業(yè)主與顧

10、客的商品買賣關系：企業(yè)按其供熱(冷)量的數量和質量進行定價和收費，用戶按其得到的熱量的數量和質量進行議價和付費。尤其隨著“房改”進展和住房私有化后，住戶對采暖方式又有了自主選擇的權利和自由，這些都將對傳統(tǒng)的計費方式提出挑戰(zhàn)。此外現在水表、煤氣表、電表等大都安裝在用戶室內，尤其是北方地區(qū)防凍的需要更是這樣。每月人工入戶抄表收費不僅給物業(yè)管理和用戶帶來極大的不便，而且誤差大、時效性差、統(tǒng)計工作量大、人為隨意性大，尤其用戶咨詢時極不方便。不光是物業(yè)管理人員感到頭痛的事，用戶也感到不滿意，甚至經常出現物業(yè)管理者和住戶之間產生很多不必要的糾紛和矛盾,同時社會上有些不法分子利用此機會進行犯罪活動。為了有效

11、解決入戶抄表收費存在的諸多弊端和提高效率，實現戶外計量和智能抄表呼聲越來越高，尤其是高層、豪華居住小區(qū)，耗能表戶外計量已經是必須的，傳統(tǒng)抄表方式已經不能適應今后住宅的發(fā)展要求。建設部2000 年小康型城鄉(xiāng)住宅科技產業(yè)工程城市示范小區(qū)規(guī)劃設計導則(修改稿)中己經明確提出:“大力推動應用戶外計量(含水、電、暖、燃氣表技術)和產品的研究開發(fā)。因此，為適應市場經濟體制運作的要求，同時滿足住戶對家居生活自動化、安全化、舒適化的要求，需要設計一種合理的、準確的計量用戶的用熱量的裝置即智能熱能表，實現無人抄表，使得住宅小區(qū)各住戶的熱、水、電、氣等表具能夠自動計量并將數據遠傳至物業(yè)管理中心，由管理中心統(tǒng)一對各

12、表數據進行錄入，然后對數據進行相應的處理，有效提高物業(yè)管理的自動化程度和水平。1.2 國內外研究現狀及發(fā)展水平1.2.1國內外熱能表現狀在西方國家，熱能是以商品進入市場的。歐洲熱計量法規(guī)雖各有差異，但基本上每個熱用戶都安裝熱計量儀表，并按用戶使用的熱能收費。德國的法律最為嚴格完備，規(guī)定每棟樓必須安裝熱能表，每組換熱器必須安裝溫控閥和熱計量裝置。目前供暖系統(tǒng)的供熱能計量主要有以下兩種方法：（1）熱分配表法 熱分配表法是國外若培卡徹公司研制的間接熱能測量法，在雙管供暖系統(tǒng)的每組散熱器上，安裝溫控閥和盛有某種特定液體介質的熱表，表中的液體介質因接受散熱器的熱能而蒸發(fā)，以整個采暖季蒸發(fā)的多少來換算出該

13、組散熱器的耗熱能。需將散熱器根據其熱媒溫度、幾何形狀、材質構造、連接方式、安裝條件等因素分成不同的組型，并在實驗室中預先確定出各組型散熱器的熱量換算特性系數，然后據此進行該組型散熱器的耗熱能計算。其優(yōu)點是可直接用于現有雙管供暖系統(tǒng)的熱皿計量，但各組型散熱器的特性系數常由該供熱企業(yè)的實驗室標定，技術壟斷性強，熱能計量透明度低，而且又是以每組散熱器為計量單元，不是以房間為單位進行計量，企業(yè)和用戶都覺得不便，加上價格昂貴，在目前國情下難以推廣應用。（2）熱能計量法集中供熱系統(tǒng)的熱計量是通過熱能表（俗稱熱表）來實現，實時測量供回水管道中熱媒的瞬時流量及溫差，得到用戶在一段時間內的耗用熱能。由三個部分組

14、成：流量計，用以測量流經熱交換系統(tǒng)的熱媒流量；溫度傳感器，測量進水和回水溫度；積分儀，根據與其相連的流量計和溫度傳感器提供的流量和溫度數據，再經過密度和熱焓值的補償及積分計算，才能得到熱能值。按照工作原理，熱能表可分為葉輪（機械）式、電磁式、超聲波式等種類。世界法定計量組織 OIMLR75 和歐共體 EN1434 標準推薦使用機械式、電磁式和超聲波式三種熱能表，其中機械式熱表因其經濟、維修方便和對工作條件的要求相對不高，在熱水管網的熱計量中占據主導地位。國內外熱能表存在的問題:1）歐洲表熱能積分計算儀一律采取的是 K 系數補償的方式， K 系數的取值在進水和回水上是不同的，一般規(guī)定要安裝在回水

15、管道上，即流量計只能測回水的流量。若用戶盜用熱水，熱能計量結果反而減少。2）歐洲熱能表采用的測溫元件是 PT100 和 PT5OO，引出電纜的導線電阻在1時可能帶來 1%2%的誤差,因此務必嚴格規(guī)定許可的電纜長度。而如果采用了PT1000,相同電纜的導線電阻可能引起的誤差減小到 0.1%0.2%以下。采用PT1000 不僅提高了熱能表的精度,而且為熱能表的安裝(供、回水管道相距較遠時),提供了更便利的條件。3）熱能表既應能測量供熱系統(tǒng)的供熱能，也應能測量供冷系統(tǒng)的吸熱能，但現在國內外市場上大多為測熱表，因此需研制冷熱兩用表。4）熱能是依據熱載體的質量和進回水熱焓的差值計算的，而現在所用流量計測

16、的是體積流量，必須根據溫度和壓力修正才能得到載體質量，否則誤差可能達到 10以上1.2.2虛擬儀器技術以及國內外研究現狀虛擬儀器是一個新型的概念，是計算機技術在儀器儀表領域的應用所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類，它是計算機硬件資源、儀器測控硬件和用于數據分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件之間的有效結合。它以微型計算機為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，將測試儀器的功能和形象逼真的儀器面板、控件等形成相應的軟件并以文件的形式存放于機內的軟件庫中，同時在計算機的總線槽內配以對應的可實現數據交換的模塊化硬件接口卡，若是庫內儀器測試功能、儀器控件的軟件和由接口卡輸入至機內的數據，在計算機系統(tǒng)管理器的統(tǒng)一指揮

17、和協調下運行，便構成一類全新概念的儀器虛擬式儀器。這是一種功能意義上的而非物理意義上的儀器概念，其基本構成包括計算機、虛擬儀器軟件、硬件接口和測控儀器。在這里，軟件是其關鍵。由于虛擬式儀器的測試功能、面板控件都實現了軟件化，故虛擬式儀器被認為是“軟件即是儀器”，這是對儀器概念的延伸，是儀器領域中的一場革命。目前機電一體化以及機械工業(yè)自動化和電子工業(yè)自動化己經成為當今世界最熱門的技術發(fā)展方向之一，其進程有利地帶動了諸如自動測試系統(tǒng)領域的發(fā)展，與傳統(tǒng)的技術相比，虛擬儀器技術從設計開發(fā)到用戶使用都具有很多優(yōu)點。隨著計算機和微電子技術的發(fā)展，虛擬儀器很有可能成為下一代的儀器標準。因此在機電工業(yè)的自動化

18、進程中，應充分重視虛擬儀器技術的作用。2 虛擬儀器技術及其應用2.1虛擬儀器概述虛擬儀器 (Virtual Instrument，簡稱VI)，就是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設計定義、具有虛擬面板、測試功能由測試軟件實現的一種計算機儀器系統(tǒng)。使用者用鼠標點擊虛擬面板，就可操作這臺計算機系統(tǒng)硬件平臺，就如同使用一臺專用的測量儀器。虛擬儀器是一種計算機儀器系統(tǒng)，它利用PC機顯示器(CRT)的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達輸出檢測結果，利用PC機強大的軟件功能實現信號數據的運算、分析、處理，由IO接口設備完成信號的采集、測量與調理，從而完成各種測試功能。圖2.1反映了常見

19、的虛擬儀器方案。 圖2.1 常見的虛擬儀器方案“虛擬”二字主要包含兩方面的含義:(l)虛擬儀器的面板是虛擬的。虛擬儀器面板上的各種“控件”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“器件”所完成的功能是相同的。如由各種開關、按鍵、顯示器等實現儀器電源的“通”、“斷”；被測信號“輸入通道”、“放大倍數”等參數設置;測量結果的“數值顯示”、“波形顯示”等。(2)虛擬儀器測量功能是由軟件編程來實現的。在以PC機為核心組成的硬件平臺支持下，通過軟件編程來實現儀器的測試功能，而且可以通過不同測試功能的軟件模塊的組合來實現多種測試功能，因此有在硬件平臺確定后“軟件就是儀器”的說法。它體現了測試技術與計算機技術深層次的結合。2

20、.2虛擬儀器的分類虛擬儀器的分類方法可以有很多種，但隨著微機的發(fā)展和采用總線方式的不同，虛擬儀器大體可分為以下六種類型。(l)PC總線一插卡型虛擬儀器。這種方式借助于插入計算機內的板卡(數據采集卡、圖像采集等)與專用的軟件，如LabVIEW，LabWindows/CVI或通用編程工具Visual C+和 Visual Basic等相結合，可以充分地利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利。但是該類虛擬儀器受普通PC機機箱結構和總線類型限制，并且存在電源功率不足，還有機箱內部的噪聲電平較高，插槽數目較少，插槽尺寸小，機箱內無屏蔽等缺點。該類虛擬儀器曾有ISA總線和PCI總線兩大品種，但目前ISA

21、總線的虛擬儀器已經基本淘汰，而PCI總線的虛擬儀器廣為應用，只是價格比較昂貴。(2)GPIB總線方式的虛擬儀器。GPIB也稱HPIB或IEEEA88總線，最初是由HP公司開發(fā)的儀器總線。該類虛擬儀器可以說是虛擬儀器早期的開發(fā)階段，它的出現使電子測量由獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展。典型的GPIB系統(tǒng)由一臺PC機、一塊GPIB接口卡和若干臺帶有GPIB接口的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標準情況下，一塊GPIB接口卡可連接多達14臺儀器，電纜長度可達40m。GPIB技術可用于計算機實現對儀器的操作和控制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作方式;可以很方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統(tǒng)。GP

22、IB測量系統(tǒng)的結構和命令簡單，主要應用于臺式儀器，適合于精確度要求高的，但不要要求對計算機高速傳輸狀況時應用。(3)并行口式虛擬儀器。最新發(fā)展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，把儀器硬件集成在一個數據采集盒內。儀器軟件裝在計算機上，通?？梢酝瓿筛鞣N測量、測試儀器的功能，如可以組成數字存儲示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計、數字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數據記錄儀和數據采集器。(4)PXI總線方式虛擬儀器。PXI總線方式是在PCI總線內核技術基礎上增加了成熟的技術規(guī)范和要求形成的，包括多板同步觸發(fā)總線的技術，增加了用于相鄰模塊的高速通信的局域總線。PXI具有高度可擴

23、展性。PXI具有8個擴展槽，通過使用PCI-PCI橋接器，可擴展到256個擴展槽。對于多機箱系統(tǒng)，現在則可利用MXI接口進行連接，將PCI總線擴展到20Om遠。而臺式機PCI系統(tǒng)只有3- 4個擴展槽。把臺式PC機的性能價格比和PCI總線面向儀器領域的擴展優(yōu)勢結合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。(5)VXI總線方式虛擬儀器。VXI總線是一種高速計算機總線VME總線在VI領域的擴展。它具有穩(wěn)定的電源、強有力的冷卻能力。由于它的標準開放，結構緊湊，數據吞吐能力強，定時和同步準確，模塊可重復利用，還有眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，很快得到廣泛的應用。經過十多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是

24、組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合，并有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢。然而，組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。(6)用于筆記本電腦的基于PCMCIA總線的虛擬儀器系統(tǒng)和基于USB的方便插拔的虛擬儀器系統(tǒng)。另外，基于網絡的虛擬儀器系統(tǒng)的發(fā)展也很迅猛。2.3虛擬儀器的系統(tǒng)組成2.3.1虛擬儀器硬件系統(tǒng)組成虛擬儀器系統(tǒng)是一種由計算機操作控制的模塊化儀器系統(tǒng)，主要由通用儀器硬件平臺和應用軟件兩大部分構成。構成虛擬儀器的硬件平臺有兩部分:圖2.2 虛擬儀器的硬件構成方式 (l)計算機一般為一臺PC機或者工作站，這是硬件平臺的核心。(2)I/O接口設備I/O接口

25、設備主要完成被測輸入信號的采集、放大、AD轉換。不同的總線有其相應的IO接口硬件設備，如利用PC機總線的數據采集卡(DAQ)，GPIB總線儀器、VXI總線儀器、串行總線儀器等。由圖2.2可知，無論哪種VI系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到PC機或工作站等各種計算機平臺加上應用軟件而構成的。因此，VI的發(fā)展己經完全跟上計算機技術的發(fā)展步伐，同時也顯示出VI的靈活性與強大的生命力。1)PC-DAQ系統(tǒng):以數據采集板、信號調理電路和計算機為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。采用計算機本身的總線PCI或ISA，故將數據采集卡/板(DAQ)插入計算機空槽中即可。2)GPIB系統(tǒng):以GPIB標準總線儀器與計算

26、機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。3)VXI系統(tǒng):以VXI標準總線儀器模塊與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。4)PXI系統(tǒng):以PXI標準總線儀器模塊與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。5)串口系統(tǒng):以Serial標準總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。無論上述哪種VI系統(tǒng)，都是通過應用軟件將儀器硬件與通用計算機相結合。其中，PC- DAQ測量系統(tǒng)是構成VI的最基本的方式，也是最廉價的方式。2.3.2虛擬儀器軟件系統(tǒng)組成虛擬儀器軟件由兩大部分構成，如圖2.3所示。(l)應用程序。它包含兩個方面的程序:圖2.3 虛擬儀器軟件構成1)實現虛擬面板功能的前

27、面板軟件程序。2)定義儀器測試功能的流程圖軟件程序。(2)I/O接口儀器驅動程序。這類程序用來完成特定外部硬件設備的擴展、驅動與通信。 NI的虛擬儀器的開發(fā)平臺助LabVIEW作為目前國際上唯一的編譯性圖形化編程語言，把復雜的語言編程簡化為用菜單或圖表提示的方法選擇功能，并用線條把各種功能連接起來的圖形編程方式。LabVIEW中編寫的源代碼接近程序流程圖。除了具備其他語言所提供的常規(guī)函數外，LabVIEW中還集成了大量的生成圖形界面的模板以及多種硬件設備驅動功能(包括RS232，GPIB，VXI，數據采集板卡)，另外還提供了幾十家儀器廠商的源碼級儀器驅動程序，為用戶開發(fā)儀器控制系統(tǒng)時節(jié)省大量的

28、編程時間。將LabVIEW編程環(huán)境應用于儀器儀表測試領域有它的優(yōu)越性:1)LabVIEW具有友好的用戶界面:由于測試人員需要通過不同的按鈕及控制方式來進行測試，同時還需要通過不同的曲線和顏色來顯示經過科學計算及分析出的測試結果，因而通過這種圖形化的編程方式可以更直觀有效的完成測試任務。2)LabVIEW不僅是一種圖形化的編程語言，更是一種圖形編程環(huán)境。LabVIEW具有和常規(guī)編程語言等價的語言能力，包含了基本的數據類型、數據結構、程序控制結構、函數庫等要素。同時還提供了兩種運行狀態(tài)，即編輯狀態(tài)(Edit)和運行狀態(tài)(Run)，給出了多種調試方法，如數據流動態(tài)顯示等，從而將系統(tǒng)的開發(fā)與運行環(huán)境有

29、機地統(tǒng)一起來。 3)LabVIEW擁有豐富的儀器驅動庫及統(tǒng)計分析庫，因而特別適合儀器儀表測試領域的數據采集及分析。4)LabVIEW具有很強的數據統(tǒng)計和分析功能。這些軟件開發(fā)工具為用戶設計虛擬儀器應用軟件提供了最大限度的方便條件與良好的開發(fā)環(huán)境。綜合這些開發(fā)平臺的優(yōu)缺點，本課題采用的是NI公司的圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW8.2。3系統(tǒng)總體規(guī)劃3.1 系統(tǒng)總體設計整個系統(tǒng)由物業(yè)管理中心PC 機及管理軟件、采集器和用戶熱能表等組成，其中物業(yè)管理中心PC 機通過 RS-485/RS-232 轉換接口與各采集器通信，完成對采集器送來的各用戶熱能表數據的加工處理、報表生成，對采集器中的儀表數據

30、進行遠程監(jiān)測、召喚和用戶管理；采集器為單片機應用系統(tǒng)，接收用戶熱能表送來的數據和工作狀態(tài)信息，并負責 PC 機和各用戶熱能表之間信息的傳遞；熱能表進行各種消耗能源的計量與顯示，采集器實現計量數據的轉換和采集。 采集器由單片機系統(tǒng)構成。采集器定時或實時巡檢各戶機，接收各表具送來的數據信息和工作信息。采集器利用RS-485串行接口完成與 PC 機通信或與下位機的各表具通信的功能。智能熱能表(或采集器)安裝于每個用戶家中，包括流量傳感器、溫度傳感器、單片機系統(tǒng)等部分，其原理框圖見第四章。流量傳感器用以檢測熱媒的流量，兩只溫度傳感器分別測量供暖裝置的進水溫度和回水溫度。三個信號在單片機中進行處理和積算

31、后得到用戶的耗用熱能。3.2熱量計算方法當熱媒以一定溫度從進水管流入一個熱交換器（散熱片、換熱器等），用戶在通過熱交換而獲取熱量的同時，熱媒便以較低(高)的溫度從回水管流出。在一定的時間內，用戶所獲得的熱量可以下列方程計算出： (3.1) 式中：Q-熱交換的熱量； K熱水比重、熱焓修正系數；T進、回水溫度差； V流過供熱系統(tǒng)的熱水流量。引入修正系數 K 是因為進水（或回水）溫度不同，即使在進回水溫差相同的條件下，從流進系統(tǒng)等量熱水中獲得的熱量也是不同的，此外相同體積的比重是隨水溫變化的。由式(3.1)可知,交換熱量大小主要由流量 V 和溫差T 確定。由于供暖系統(tǒng)的負荷是季節(jié)性的,其大小隨室外溫

32、度的變化而變化。同時,為了保證供暖質量,防止水壓失調,又要求供暖系統(tǒng)分階段改變流量調節(jié)運行。因此,系統(tǒng)中熱交換的熱量的兩個參數 V 和T 都是變量,其大小應由積分計算得到,即 (3.2)實際測量時,假設測量的時間間隔 dt 很小,則水溫變化也很小,可近似認為溫差T 為一定值,因此積分計算可由累加和求得： (3.3) (3.4)第 i 次測量的瞬時流量； 第 i 次測量的瞬時溫差第 i 次測量的瞬時用熱量； Qn 次測量所得的累積用熱量實際測量時，可以定時間間隔 dt 進行測量，也可以定瞬時流量進行測量，第二種方法具體來講就是當流量測量儀計量到一定量的水量流過時就對進、回水管道中的水溫之差進行一

33、次測量，按式(3.4)計算出 ，并對累計用熱量進行一次累加計算，一定的水量可由程序設定。顯然，定流量測量方法比定時間間隔測量更為簡便，而且在水流量大時測量間隔較短，水流量小時測量間隔長，可保證熱量計量精確。因此，本系統(tǒng)采用定流量的方法進行測量。3.3 流量的測量3.3.1 流量的概念單位時間內通過流動的流體中任意一橫截面的流體數量，稱為“瞬時流量”，用 q 表示；在一定的時間間隔內流過該截面的流體總量，稱為“累積總量”，用Q 表示。兩者之間的關系是： (3.5)根據計算流體數量的辦法或單位不同，可分為質量流量(表示為 ，單位為 Kg/h)和體積流量(表示為 ，單位為 )。兩者之間的關系是： (

34、3.6)為流體的密度，隨流體的溫度、壓力而變化的。與之相對應，累積總量Q 也可分為累積總質量 (單位為 Kg)及累積總體積 (單位為) 。質量流量不受溫度或密度等流體諸條件的影響，但由于不容易測定，所以一般是先測定體積流量，必要時加以密度修正，然后求質量流量。流量測定大致可分為兩大類，即直接測定流量的方式和先求流速再通過流速乘以橫截面積來求流量等方式。由于流量測量儀表比溫度、壓力儀表受介質特性的影響要突出的多，流體的粘度、腐蝕性、導電性的不同都對流量測量儀表有不同的要求，因此，要根據科研和生產的具休目的，合理選用原理和儀器。3.3.2 流量傳感器的分類按照測量的方法可分為速度式、容積式和質量式

35、流量傳感器。(1)速度式傳感器以測量流體在管道內的速度作為測量依據，有差壓式、轉子式、機械式、電磁式、靶式、超聲波式和渦街式流量傳感器等。(2)容積式傳感器以單位時間內所排出流體的固定容積的數量作為測量依據，有橢圓齒輪式、活塞式、腰輪和刮板式流量傳感器等。(3)質量式傳感器是一種以測量流過的質量為依據，有慣性力式質量流量傳感器和補償式質量流量傳感器。3.3.3流量傳感器的選擇集中供熱供冷計費中常用的流量傳感器主要有電磁及超聲波流量傳感器、機械式流量傳感器和壓差式流量傳感器幾大類。（1）、超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器是非接觸式測量流量的傳感器。利用超聲波在流體中的傳播特性來測量流體的流速和流

36、量，通常測量超聲波在順流與逆流中的傳播速度差。它沒有插入被測流體管道的部件，故沒有壓頭損失；傳感器不與流體接觸，對腐蝕性很強的流體也同樣可準確測量。傳感器可在管外壁安裝，故安裝和檢修時對流體流動和管道都無影響。其缺點為造價太貴。（2）、電磁流量傳感器電磁流量傳感器是測量導電性流體流量的傳感器。根據法拉第電磁感應定理，導體在磁場中運動并切割磁力線時，導體中將產生感應電勢，電磁流量傳感器正是基于這個原理工作的。傳感器無阻流元件，阻力損失極微，流場影響小，精確度高，可以測量含有固體顆?；蚶w維的液體、腐蝕性及非腐蝕性液體。（3）、差壓式流量傳感器差壓式(也稱節(jié)流式)流量傳感器利用流體流經節(jié)流裝置時產生

37、的壓力差而實現流量測量的。它是工業(yè)生產中測量流量最成熟、最常用的傳感器。（4）機械式流量傳感器：從葉輪形式可以分成以下五種流量計： 1)單束旋翼式 2)多束旋翼式 3)垂直螺翼式 4)水平螺翼式 5)渦輪式超聲波流量傳感器的測量精度高，使用壽命長，雖然價格較貴，但將來應有一定的前途。四種傳感器中，機械式流量傳感器因其價格便宜、維修方便和對工作條件的要求相對不高，使得現在世界上 80%以上的集中供熱供冷計費系統(tǒng)的流量計量裝置采用的是機械式流量傳感器。其具有以下的優(yōu)點：1)壓損小，量程比大：由于其他原理的傳感器需要較高的啟動流速，安裝時需要大幅度地縮徑，造成很大的壓損。由于機械式流量傳感器的啟動流

38、速小，故量程比(Qmax：Qmin)可達 40：1 甚至 480：1。2)測量精度高，抗干擾性好：超聲波和電磁式流量傳感器的測量精度受水質和管道形狀的影響很大。當管網中有微小的焊渣和其它顆粒時，管道中的超聲波和電磁信號會被嚴重擾亂。管道振動和周圍電磁波強度對非機械式流量傳感器的正常工作都有影響，而機械式流量傳感器有良好的適應性和測量精度。3)安裝維修方便：機械式傳感器安裝時，直管段要求較低，可以選擇水平或垂直位置安裝。當傳感器發(fā)生故障，維修十分方便。4)結構簡單、生產批量大，價格比其它原理的流量傳感器低廉得多。系統(tǒng)設計中，智能熱能表需要測量瞬時流量，若流量測量儀的輸出是與流量成正比的頻率信號，

39、就可以通過計數器簡單的得到累計值。由于流量測量儀需安裝在每個暖氣用戶家中的供暖管道上，要考慮到成本及工藝等問題。鑒于以上原因，系統(tǒng)選用的是機械式流量傳感器。具體型號為可遠傳脈沖水表：當流體沖擊葉輪旋轉時，葉輪的轉速與瞬時流量成正比，一段時間內的轉速與該時間段內的累積總流量成正比。水表全部材料均采用高強度，耐腐蝕，耐高溫，耐磨損材料，能長久承受高溫高壓。量程大，計量準確，靈敏度高，低啟動水流性能，低壓頭損失，可靠耐用，調整維修簡易方便。同時可配裝遠距離傳輸用水量信號裝置，實現遠程計量，其參數為：工作水溫不大于 900；公稱壓力；1.6 Mpa；可在潮濕環(huán)境中使用；遠傳信號為開關脈沖信號，每流過2

40、.5 升或 25 升(任選)發(fā)送一個脈沖信號；脈沖信號高電平15ms，低電平多 15ms。3.4 溫度的測量3.4.1 溫度傳感器的分類在不同的測溫范圍和不同的使用場合，有下列幾種測量原理和方法。(1)利用液體或固體熱脹冷縮的特性，以液體的體積變化或固體的變形來測量溫度，如玻璃管液體溫度傳感器和雙金屬溫度傳感器等。(2)利用液體或氣體在定容下熱脹冷縮后的壓力變化或液體的飽和蒸氣壓力隨溫度變化的特性，如充液、充氣和充蒸氣的壓力表式溫度傳感器。(3)利用導體或半導體熱電效應的特性測量溫度，如熱電偶溫度傳感器。(4)利用導體或半導體的電阻隨溫度而變化的特性來測量溫度，如熱電阻溫度傳感器和熱敏電阻溫度

41、傳感器。(5)利用晶體二極管或三極管 P-N 結電壓隨溫度變化的特性測量溫度。如P-N 結溫度傳感器和集成溫度傳感器(半導體集成電路溫度傳感器)等。(6)利用物體熱輻射強度隨溫度而變化的特性來測量溫度，如光學高溫計、光電高溫計、全輻射式高溫計和紅外線高溫計等。3.4.2溫度傳感器的選擇集中供熱供冷計費中常用熱電阻式、熱敏電阻式和集成溫度傳感器等幾大類溫度傳感器，它們各有其獨自的特點。(1)熱敏電阻溫度傳感器是以金屬導體制成的熱電阻作為感溫元件。其電阻隨溫度變化而變化，通過測量其電阻得到與其對應的介質的溫度值。根據溫度系數分為兩類：電阻系數為正的 PTC 熱敏電阻和系數為負的 NTC 熱敏電阻。

42、其靈敏度高、體積小、熱慣性小、價格低、但非線形嚴重、穩(wěn)定性較差、有老化現象、參數一致性較差，一般用于溫度補償，或用于精度不高的溫度測量。(2)集成溫度傳感器是半導體集成電路，利用晶體管的 b-e 結壓降的不飽和值V 與熱力學溫度 T 和通過發(fā)射極電流 I 的關系實現對溫度的檢測。 （3.7）式中 K 為玻爾茲常數，q 為電子電荷絕對值。其線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便，應用廣泛。缺點為對量程和時間的穩(wěn)定性較差，無法滿足長期溫度測量的精度要求。 (3)熱電阻式溫度傳感器也是電阻式溫度傳感器。其具有較高的測量精度和靈敏度，便于信號的遠距離傳送，適宜于低、中溫的測量。綜上所述，熱電阻式

43、傳感器能較好地用于本系統(tǒng)。在熱電阻式溫度傳感器中，主要有銅電阻、鉑電阻和鎳電阻溫度傳感器三種。鉑電阻有很好的穩(wěn)定性和測量精度，測溫范圍寬，性能可靠。其缺點為價格較貴。銅電阻的電阻值與溫度的關系是線性的，電阻溫度系數也比較大，價格較便宜。其缺點為電阻率低，易于氧化，故只適用于溫度不高，對傳感器體積無特殊要求的場合。歐洲標準熱量表的第二部分“對設計的要求”中，規(guī)定作為熱量表的部件，溫度傳感器必須采用鉑電阻作為測溫元件，并且配對使用。本系統(tǒng)既用于集中供冷又用于集中供熱，因此選用鉑電阻溫度傳感器?，F有計量裝置大多采用的是 PT100(0時電阻即 Ro 為 100)或 PT500 (0時電阻即 Ro 為

44、 500)型鉑電阻溫度傳感器。當鉑溫度傳感器的引出導線的電阻為 1時，就可能帶來 1%至 0.2%的誤差。當使用 PT100 或 PT500 型鉑電阻溫度傳感器時，必須嚴格規(guī)定許可導線的長度。系統(tǒng)采用 PT 1000 (0時電阻即 Ro 為 1000)型鉑電阻溫度傳感器。相同的電流偏置下，PT1000 的信號電壓增加了 2-10 倍，相同長度的導線電阻可能引起的誤差減少到 0.1%至 0.2%以下。4 系統(tǒng)硬件設計4.1 智能熱能表的硬件設計4.1.1 CPU 主系統(tǒng)智能熱能表實時測量熱水的瞬時流量Vi，進水溫度 T1 和出水溫度T2，計算得到用戶在一段時間內的實際用熱量。其硬件結構框圖如圖4

45、.1 所示。采用美國公司生產的AT89C52微處理器芯片，由 CPU主系統(tǒng)、溫度數據采集通道、流量脈沖數據采集通道、通信接口、系統(tǒng)監(jiān)控、電源、地址模塊、顯示等模塊構成。熱能表正常工作時，每當流量達到設定值時測量一次各用戶集中供熱末端設備的進出口水溫差和累計熱水流量，然后由此積算出用戶集中供熱系統(tǒng)消耗的能量并存儲，同時根據所測量的數據來判斷用戶各傳感器的狀態(tài)。圖 4.1 智能熱能表結構4.1.2溫度和流量數據采集通道(1)溫度數據采集通道本設計所用溫度傳感器為Pt1000，將兩個溫度傳感器的輸出分別MAX1247的IN1,IN2通道，將溫度模擬信號轉換為數字信號。MAX1247與單片機的連接如圖

46、4.2所示。圖4.2 MAX1247與單片機的連接(2)流量脈沖數據采集通道流量脈沖輸入電路原理如圖4.3所示，圖中MC接機械式流量計的脈沖輸出。流量傳感器選用脈沖流量表，磁感體為干簧管。帶有磁鋼的葉輪在水流圖4.3 流量脈沖輸入電路原理沖擊下轉動，干簧管的合、斷產生脈沖經整型后輸入單片機的P3.2,輸入脈沖的個數可知流量的大小。整形電路的輸入信號來自前端光敏輸出的信號，其輸出信號是具有一定寬度的脈沖。脈沖數據采集通道將脈沖流量表的脈沖信號送至單片機的P3.2端。4.1.3 顯示模塊設計 本設計選用的是北京精電蓬遠顯示技術有限公司生產的MGLS12032A，點陣數為120*32，規(guī)格6*2漢字

47、，即每行6字共2行。顯示電路如4.4所示。圖4.4 LCD顯示接口電路原理4.1.4電源模塊設計 在本設計中，為了方便設計，統(tǒng)一用設計的+5V電源，如圖4.5所示，電源電路由電源變壓器，橋式整流器件，濾波電容，固能保護器件，TVS的重圖4.5 電源電路參數為額定斷態(tài)工作電壓，額定斷態(tài)工作電壓要大于正常工作的最高電壓。這里額定斷態(tài)工作電壓選作5.2V。4.2 集中器的硬件設計集中器主要的功能是實現用戶熱能表和計費主站 PC 機的通信，實質上集中器循環(huán)采集、集中各用戶熱能表的數據信息,同時根據要求將數據轉發(fā)給物業(yè)管理中心的PC機。集中器的硬件結構如圖 4.6所示，其中電源模塊與熱量表的一樣。圖4.

48、6集中器的硬件結構圖4.2.1時鐘模塊設計本設計采用DS1302，DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數據。DS1302內部有一個318的用于臨時性存放數據的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。DS1302與單片機的連接如圖4.7所示。 圖4.7 DS130

49、2與單片機的連接 4.2.2存儲器模塊設計AT24C512與單片機的連接如圖4.8所示. 圖4.8 AT24C512與單片機的連接因系統(tǒng)中要求存放大量的數據，擴充了一片EEPROM，型號為AT24C512，串行存取的，其容量為64KB。它在系統(tǒng)中的作用是存放從各熱量表搜集來的數據，供上位機隨時取用。5上位機系統(tǒng)軟件設計軟件設計采用自頂向下、模塊化、結構化的程序設計方法，把總的編程過程逐步細分，分解成一個個功能模塊，每個模塊相互獨立，其正確與否不依賴其它模塊，每個模塊都能完成一個明確的任務、實現某個具體的功能。這樣編制的程序易于調試、修改，可讀性好。5.1 智能熱能表軟件設計智能熱能表軟件設計分

50、主程序、定時中斷子程序、串行通信中斷子程序，定時中斷子程序完成的任務有實時時鐘、流量測量、溫度測量以及各種定時任務，串行通信中斷子程序完成熱能表和集中器之間的數據傳輸任務，而主程序則檢測各項標志，完成各項任務的后續(xù)處理。智能熱能表計量時的工作過程：用戶用熱(冷)時，熱媒由水表進水口流入表殼內，經過整流器整流后沖擊葉輪，葉輪開始轉動，葉輪帶動蝸桿轉動，蝸桿的旋轉經由轉軸減速后傳遞到固定有小磁鋼的外部轉盤，轉盤的旋轉，帶動小磁鋼旋轉，當轉盤旋轉時，安放于小磁鋼上方的雙干簧管傳感器在磁力的作用下將反復接通，產生計數脈沖。定時子程序中對流量脈沖進行計數，當脈沖達到設定的次數時，開始對進水溫度、回水溫度

51、的巡回檢測，同時根據測量值完成一次熱量的積算。初始化開始熱能量標志=1？否顯示志=1？否通信標志=1？否是是是通信后續(xù)處理顯示子程序進行一次熱能積算并存儲保護現場圖5.1 主程序流程圖數據接收標志=1？否否RB=1是是數據接收正確嗎？否否接收的地址和自己的地址相等嗎？是是數據等于結束位？否數據接收標志=1是通信標志？恢復現場返回圖5.2串口中斷子程序流程圖保護現場流量標志IE0=1？延時標志=1？否否是是否IE0=0，流量計數加1且等于設定值？延時計數加1是溫度測量標志=1測量子程序完？否是溫度測量標志=0熱能測量標志=1恢復現場返回圖5.3定時中斷子程序5.2 采集器軟件設計采集器部分的軟件

52、包括W77E58的主程序、中斷服務程序以及與PC機通訊的子程序等，本節(jié)給出了部分程序的流程圖。初始化開始通信標志=1？定時或實標志=1？否否是是顯示子程序通信后續(xù)處理圖5.4主程序流程圖保護現場延時標志=1？計數時間到？否否是是延時計數加1計數清零恢復現場返回圖 5.4 定時中斷子程序保護現場RB=1否數據接收標志=1？否是接收的地址和自己的地址相等嗎？ 是否否每位數據接收正確嗎？是數據等于結束位？是否數據接收標志=1是通信標志？恢復現場返回圖5.5串口中斷子程序流程圖6遠程抄表系統(tǒng)通信設計6.1 通信實現目標遠程抄表系統(tǒng)采用集散型測控系統(tǒng)的形式:智能化物業(yè)管理中心的PC機作為上位機可以按照設

53、定的抄存項目、起始時間和時間間隔，定時抄收存儲在采集器中的凍結數據或實時數據，可以打印成報表，也可以生成數據文件提交給其它應用系統(tǒng)，進行數據管理，采集器作為下位機接收上位機發(fā)來的命令，根據命令將各臺戶機的測量值及工作狀態(tài)報送上位機.采集器是聯系用戶家中的戶機和管理中心的PC機之間的紐帶。顯然，實現這樣一個遠程抄表系統(tǒng)，必須合理地解決PC機與采集器之間的通訊問題。設計通訊方案時必須考慮下列幾個問題:1.通訊接口有一定的抗干擾能力，誤碼率低，即通訊質量要求高；2.各采集器與PC機之間的距離不等，因而要求數據能在較遠距離內準確傳輸；3.PC機與采集器要在電氣上隔離以防損壞器件。6.2通信方式的選擇由

54、于串行通信所占用的傳輸線少，導線相互之間產生電磁干擾的機會比并行通信大大減少，因而適用于遠距離數據傳送。在實時控制和管理系統(tǒng)中，各處理器之間的通信一般都采用串行方式。根據對數據流的分界、定時及同步的方法不同，串行通信又可分為異步串行通信方式和同步串行通信方式。異步串行通信是以字符為信息單位傳送的，一幀信息只包含一個字符；而同步串行通信是以數據塊為信息單位傳送，每幀信息包含成百上千個字符。因而異步串行通信一般用在數據傳送時間不能確知、發(fā)送數據不連續(xù)、數據量較少和數據傳輸速率較低的場合，而同步串行通信則用在要求快速、連續(xù)傳輸大批量數據的場合?，F有的串行通信接口包括RS-232、RS-422A、RS

55、485、20mA電流環(huán)、I2C總線等幾種。(1)RS-232接口標準RS-232是目前最常用的串行接口標準，它最初是為遠程通信連接數據終端設備DTE與數據通信設備DCE而制訂的。該標準適用于DCE和DTE之間點對點的串行二進制通信，最高的通信速率為19.2kbPs，在通信速率不高于20kbPs時，RS-232所能直接連接的最大物理距離為15m(碼元畸變小于4%)，驅動器的負載電容應小于2500PF。為保證二進制數據能夠正確傳送、設備控制準確的完成，有必要使所用的信號電平保持一致。為此，RS-232規(guī)定+3+15V之間的任意電壓表示邏輯“O”電平，-3-15V之間的任意電壓表示邏輯“l(fā)”電平。(

56、2)RS-422A接口標準RS-232 接口雖然應用廣，但它有傳輸速率低，通信距離短，接口處信號易產生串擾等缺點，因此EIA制定了RS-422A標準。RS-422A標準是一種平衡方式傳輸，即雙端發(fā)送和雙端接收，所以傳送信號要用兩條線，發(fā)送端和接收端分別采用平衡發(fā)送器和差動接收器，相當于兩個單端驅動器，輸入同一個信號時，其中一驅動器的輸出率永遠是另一個驅動器的反相信號，于是兩條線上傳輸信號電平，當一個表示邏輯“1”時，另一條一定表示邏輯“0”，當干擾信號作為共模信號出現時，接收器接收差分輸入電壓，只要接收器有足夠的抗共模電壓工作范圍，就可以識別兩個信號，并正確接收傳輸的信息。RS-422A標準由于采用了雙線傳輸，大大增