热量表本科毕业设计Word文档格式.docx
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机电工程学院
专业名称:
电子信息工程
李双雨
学生学号:
0414090112
李艳萍
河北科技师范学院教务处制
学术声明
本人呈交的学位论文,是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于河北科技师范学院。
本人签名:
日期:
指导教师签名:
摘要
随着社会的发展,自然资源的浪费越来越严重,集中采暖按热量计量是城市住宅供暖发展的趋势,是建筑节能的一项基本措施。
本文设计了一种应用于集中供暖热量测量系统,整个硬件电路包括三大部分:
温度传感器、超声波流量传感器、单片机数据处理和控制部分。
温度传感器部分基于温度传感器的电阻随温度变化的原理,通过对电阻变化的检测得到温度的变化值。
超声波流量传感器部分测量暖气出水口的流量,通过特定公式利用温度的变化值和流量的测量值可得热量值。
通过单片机实现对数据的处理和对温度采集的实时控制,单片机输出的数据用液晶屏显示出来,并且能够通过RS-485通信接口将数据传递给计算机进行打印等处理。
通过扫描键盘可实现对热量测量系统的控制,实现计数暂停、计数停止和计数清零。
理论表明,该测温系统具有精度高,实时性好,体积小等优点,且测量流体的粘性、腐蚀性对该系统没有影响。
关键词:
单片机;
热量表;
温度;
流量;
热量
Abstract
Withthedevelopmentofthesociety,thewasteofnaturalresourcesismoreandmoreserious,centralheatingtoheatmeteringisthetrendofthedevelopmentoftheurbanresidentialheating,buildingenergyconservationisabasicmeasure.Thispaperdesignedakindofusedincentralheatingheatmeasurementsystem,thehardwarecircuitconsistsofthreeparts:
temperaturesensors,ultrasonicflowsensor,SCMdataprocessingandcontrolpart.Temperaturesensorpartbasedontheprincipleoftemperaturesensorresistancewiththetemperaturechange,basedonthedetectedbytemperaturechangesinthevalueoftheresistancechange.Ultrasonicflowsensormeasuretherateofflowofwarmairoutlet,throughspecificformulausingthechangeintemperatureandflowratemeasurementsavailableheatvalue.Bysingle-chipmicrocomputerfordataprocessingandthereal-timecontrolofthetemperaturecollecting,single-chipoutputdatadisplaywithLCDscreen,andcanthroughtheRS-485communicationinterfacetotransferdatatocomputerforprintingandotherprocessing.Byscanningthekeyboardcanrealizecontroloftheheatmeasurementsystem,torealizecountingcounting,pause,stopandreset.Theoryshowsthatthetemperaturemeasuringsystemhashighprecision,goodreal-timeperformance,theadvantagesofsmallvolume,andmeasurethefluidviscosity,corrosionresistancehasnoeffectonthesystem.
Keywords:
Singlechipmicrocomputer;
Heatmeter;
Temperature;
Theflow;
Heat
1绪论
1.1论文研究背景与意义
我国幅员辽阔,约有一半地区需要冬季供暖,冬季供暖是跟人们生活密切相关的大事。
从总体上来说,在20世纪60年代以前基本都是采用独立家庭型的分散落后的冬季采暖方式;
在60~70年代,城镇逐渐向单位福利型冬季集中供暖过渡;
在80~90年代,城镇基本都是单位福利型冬季集中采暖,普遍采用垂直单管系统;
在90年代以后,城镇冬季集中供暖逐渐由单位福利型向社会商品型转变,采用多种能源、区域供热和新型散热器逐步发展。
集中采暖按热量计量是城市住宅供暖发展的趋势,是建筑节能的一项基本措施。
在我国热量是商品已开始被人们接受,建设部已将集中供暖的民用建筑用热量表计量收费列为全国建筑节能“九五”计划和2010年规划的发展目标,把建筑按户计量和温控技术作为今后研究开发的内容。
要实现供热采暖系统按实际使用热量计量收费,必须使用户能自行调节室温并使室内温度保持在用户要求的范围,这是采暖系统按热量分别计量供热的基础,即室内采暖系统必须具有计量功能和可调节性。
随着此项技术的日臻成熟和不断应用到实践,必将在全社会取得推广应用,这是热量计量收费的前提,也是建筑节能的要求。
在能源短缺的我国尤其有着深远的意义。
长期以来,每到冬季,供暖的问题已经成为长江以北居民的热门话题,特别是近几年来随着国民经济的发展,环境的保护被广泛重视,能源利用由粗放式向节约式发展,现在普遍采用按建筑面积收费,这种收费方式的弊端越来越明显,建筑面积通常与实际采暖面积不符,按面积收费,容易引起用户和供热部门的纠纷。
而且现在普遍实行先交费后供暖的模式,使得用户欠费或不交费的状况时有发生,由此给国家造成巨大的经济损失,因此推行按热量收费是势在必行的。
中国目前的供热系统对中国热量表提出了比欧洲国家更为苛刻的要求,如水质很差、氧化、锈蚀问题无可避免的普遍存在;
多方面原因造成水中不仅存在大量化学物质,还有许多对热量既有破坏性的杂质。
全国许多地方和企业的“使用报告”和“试用、示范总结报告”都不同程度上反映了一些问题,由于国情的特殊性,我国对热量表需求量大,所以研究低功耗、低成本、适合中国国情的热量表很有必要。
1.2方案论证
1.2.1温度传感器部分方案论证
方案一:
采用温度传感器DS18B20
美国DALLAS公司的产品可编程单总线数字式温度传感器DS18B20可实现室内温度信号的采集,有很多优点:
如直接输出数字信号,故省去了后继的信号放大和模数转换部分,成本低;
单总线的接口,只有一根信号线作为单总线与CPU连接,且每一个元件都有自己唯一的64位系列号存储在其内部的ROM存储器中,故在一根信号线上可以挂接多个DS18820,便于多点测量且易于扩展。
DS18B20的测温范围较大,集成度较高,但需要串口来模拟其时序才能使用,故没有选用此方案。
方案二:
采用温度传感器Pt100
温度传感器就是将外界的温度信号转换成电信号的器件,它的种类比较繁多,但是总体而言,我们常用的只有两大类:
一种是热电偶式温度传感器;
一种是热电阻是温度传感器。
(1)热电偶式温度传感器是利用两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路,当接合点的温度不同时,在回路中就会产生热电势的原理进行温度测量的。
(2)热电阻温度传感器是利用电阻随温度的变化而变化的特性制作的测温元件。
在工业中应用最广是铂和铜,并已制作成标准测温热电阻,很大程度的方便了我们的应用,并且价格比较低、准确度高、性能稳定、应用范围广,因此我们选择典型的热电阻温度传感器Pt100本设计系统的温度传感器。
Pt100是铂热电阻,它的阻值跟温度的变化成正比,线性性好,易于计算。
温度的采集范围可以在-200℃~+200℃,湿度采集范围是0%~100%。
Pt100的阻值与温度变化关系为:
当Pt100温度为0℃时它的阻值为100
,在100℃时它的阻值约为138.5
。
它的工业原理:
当Pt100在0摄氏度的时候他的阻值为100
,它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。
因此它有很好的线性特性,易于处理数据。
Pt100还具有功耗低、测量范围大、储存条件低、体积小等优点。
故采用温度传感器Pt100采集温度,再把Pt100采集的差值信号经可直接送入带A/D转换功能的单片机内进行处理。
1.2.2流量传感器部分方案论证
集中供热按热量计费中常用的流量传感器主要有电磁流量传感器、超声波流量传感器、机械式流量传感器和压差式流量传感器几大类。
(1)超声波流量传感器
超声波流量传感器是非接触式测量流量的传感器。
超声波流量传感器是采用低电压多脉冲平衡发射接收的专利技术而设计的一种全新通用时差型多功能超声波传感器。
它是利用超声波在流体中的传播特性来测量流体的流速和流量,通常测量超声波在顺流与逆流中的传播速度差。
它没有插入被测流体管道的部件,故没有压头损失;
传感器不与流体接触,对腐蚀性很强的流体也同样可准确测量。
传感器可在管外壁安装,故安装和检修时对流体流动和管道都无影响。
(2)电磁流量传感器
电磁流量传感器是测量导电性流体流量的传感器。
根据法拉第电磁感应定理,导体在磁场中运动并切割磁感线时,导体中将产生感应电势,电磁流量传感器正是基于这个原理工作的。
可以测量含有固体颗粒或纤维的液体、腐蚀性及非腐蚀性液体。
(3)差压式流量传感器
差压式(也称节流式)流量传感器利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量。
它是工业生产中测量流量最成熟、最常用的传感器。
(4)机械式流量传感器:
从叶轮形式可以分成以下五种流量计:
①单束旋翼式②多束旋翼式③垂直螺翼式④水平螺翼式⑤涡轮式
超声波流量传感器由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。
超声波发射换能器将电能转换为超声波能量,并将其发射到被测量的流体中,接收器将接收到的超声波信号转换成电能信号,经电子线路处理并转换为代表流量的电信号供给直接显示、积算仪表进行显示和积算。
这样就实现了流量的检测和显示。
根据检测的方式,可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量传感器。
超声波流量传感器是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种。
超声波流量传感器的优点:
(1)、超声波流量传感器的发射晶体与被测量液体不用直接接触,提高了测量精度和机器的运行稳定性;
(2)、解决了由于管道内壁结垢或腐蚀严重时,使用外缚式传感器信号弱、测量不正常的难题;
也可以在水泥管路上安装(须知道管道实际外径向厂家订做管箍);
(3)、解决了由于外夹式传感器长时间使用,造成耦合剂干燥而影响超声波信号不能正常传输、不能正常工作等问题;
(4)、使用的专用开孔工具可以使超声波流量传感器在带压不停水的情况下安装,保证生产正常稳定运行,日后维护也无需停水;
(5)、相对电磁流量计,在大口径管道上使用既经济又可靠准确。
鉴于以上原因,系统选用的是超声波流量传感器。
1.2.3单片机控制部分方案论证
(1)显示模块的方案选择
显示时间温度、热量等信息有多种方案,可以用数码显示器(LED)、液晶显示器(LCD)。
LED显示器是一种通过控制半导体发光的二极管显示方式来显示相关信息。
LCD显示器利用的是一种数字显示技术,可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源,在平面面板上产生图象。
LED与LCD显示方案的比较:
虽然与LCD显示器相比,LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面,都更具优势。
但是数码管显示内容单一,一般就是7段或8段的,当然多的有16段的中间米字型的;
液晶则比较丰富,可以显示数字、文字、图像等各种内容。
数码管是自发光的,利用LED发光的效果;
液晶是靠背光(环境)的,利用的是分子偏转引起的暗影效果,所以液晶屏显示比数码管显示更省电。
由于本次设计的热量表热量测量系统要求显示部分能同时显示出测温时间、进水口温度、热量值和收费信息,进而设计出一个功能完善的热量表热量测量系统,因此本次设计选用了显示内容丰富且省电的LCD显示器,而未用LED显示器。
综上,液晶显示器件(LCD)由于具有显示信息多、体积小、重量轻、功耗低、寿命长、价格低、接口控制方便等优点,因此本次设计的显示模块选用了液晶显示。
但是液晶显示器按字型显示方式还可细分为字段式和点阵式液晶显示器,点阵式液晶屏显示器又可以分为字符点阵式和图形点阵式液晶显示器。
图形点阵式液晶显示器不仅可显示数字、字符等内容,还能显示汉字和任意图形。
由于本次设计的显示部分需要同时显示的内容包括温度、热量、时间和费用,所以选择了LCM2401281图形点阵式液晶显示器,其主要参数如下:
显示内容为240×
128点阵,采用黑白显示的模式,工作电压为+5V,内设控制器T6963C,属于内藏T6963C型液晶显示器件。
(2)单片机型号的选择
本次设计选用的单片机型号是STC12C5A32S2,它是属于STC12C5A60S2系列单片机的一种,STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,它是具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统的8051,但其速度比8051快8~12倍,8路高速10位A/D转换(速度可高达25万次/秒)。
STC12C5A32S2单片机引脚图如下:
图1STC12C5A32S2单片机引脚图
本次设计选用STC12C5A32S2单片机主要有以下三个原因:
①LCM2401281图形点阵式液晶屏内部结构复杂,显示内容丰富,为能顺利驱动其正确显示,应选用高速率的单片机。
②STC12C5A32S2的单片机内部能够快速自行完成A/D转换,减少了外围硬件电路的复杂性。
③热量表热量测量系统中流量测量模块需要对微小时间测量,而STC12C5A32S2单片机的机械周期小,而为保证热量的精确测量,STC12C5A32S2单片机是最佳方案。
STC12C5A32S2单片机的主要性能和参数如下:
(1)增强型8051CPU,1T单时钟/机器周期,指令代码完全兼容传统8051;
(2)工作电压:
5.5V~3.3V(5V单片机);
(3)工作频率范围:
0~35MHz,相当于普通8051的0~420MHz;
(4)用户应用程序空间32K;
(5)片上集成1280字节RAM;
(6)通用I/O口(36/40/44个),复位后为:
准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O口)可设置成四种模式:
准双向口/弱上拉,推挽/强上拉,仅为输入/高阻,开漏。
每个I/O口驱动能力均可达到20mA,但整个芯片最大不要超过55mA;
(7)时钟源:
外部高精度晶体/时钟,内部R/C振荡器(温漂为
5%到
10%以内),用户在下载用户程序时,可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟,常温下内部R/C振荡器频率为:
11MHz~15.5MHz。
精度要求不高时,可选择使用内部时钟,但因为有制造误差和温漂,以实际测试为准;
(8)外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块,PowerDown模式可由外部中断唤醒,INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2),CCP1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3);
(9)A/D转换,10位精度ADC,共8路,转换速度可达每秒钟25万次;
2系统的原理介绍
2.1Pt100温度传感器原理介绍
Pt100是铂热敏电阻,正温度系数,它的阻值会随着温度的变化而改变。
Pt后的100即表示它在0℃时阻值为100
当Pt100在0℃的时候它的阻值为100
,它的阻值会随着温度上升而匀速增长。
都是用高纯度铂做电阻的导体,具有非常好的线性、高温稳定性和复现性。
在-200℃—+650℃高精度测温范围内应用广泛。
金属铂具有电阻温度系数大、感应灵敏、电阻率高、元件尺寸小、电阻值随温度变化而变化基本呈线性关系等优点。
在测温范围内,物理、化学性能稳定;
长期复现性好;
测量精度高,是目前公认制造热敏电阻的最好材料。
铂电阻传感器有良好的长期稳定性,典型实验数据为:
在400℃时可持续30小时,00C时的最大温度漂移为0.020C。
铂电阻温度传感器是利用其电阻与温度成一定函数关系而制成的温度传感器。
Pt100铂电阻的测温范围是-2000C~+6000C,而在热量表热量测量系统中只会工作在00C~1000C。
在00C~8500C范围内,铂电阻与温度的关系为:
R(t)=R0(1+at+b
)
(1)
式
(1)中:
a=3.910802E-3/0C;
b=-5.802-7E/0C;
R(1000C)/R(00C)=1.38500。
借助式
(1)并不能立即求出温度t值,可以将其进行变换,求解类似“逆函数”性质,求出温度值。
变换后可得:
=
+[R-100(1+at+b
)]/100(a+2bt)
(2)
为了减少运算次数,需一个较好的近似值。
显而易见,假定R、t为纯线性关系就可算出一个初值
=(R/100-1)/a。
铂电阻温度传感器Pt100在00C~3000C温度范围内有很好的线性特性,其近似情况如图2所示,因为热量表热量测量系统的测温范围为00C~1000C,所以此系统可用温度传感器Pt100的线性特性来编程实现温度的准确测量。
在00C~1000C温度范围内温度与电阻的关系为:
t=2.5974R-259.74
进水口与出水口的温度差为:
-
=2.5974(
)(3)
表1Pt100分度表
温度℃
1
2
3
4
5
6
7
9
电阻值(Ω)
-40
-30
-20
-10
84.27
88.22
92.16
96.09
100.00
83.87
87.83
91.77
95.69
99.61
83.48
87.43
91.37
95.30
99.22
83.08
87.04
90.98
94.91
98.83
82.69
86.64
90.59
94.52
98.44
82.29
86.25
90.19
94.12
98.04
81.89
85.85
89.80
93.73
97.65
81.50
85.46
89.40
93.34
97.26
81.10
85.06
89.01
92.95
96.87
80.70
84.67
88.62
92.55
96.48
10
20
30
40
103.90
107.79
111.67
115.54
100.39
104.29
108.18
112.06
115.93
100.78
104.68
108.57
112.45
116.31
101.17
105.07
108.96
112.83
116.70
101.56
105.46
109.35
113.22
117.08
101.95
105.85
109.73
113.61
117.47
102.34
106.24
110.12
114.00
117.86
102.73
106.63
110.51
114.38
118.24
103.12
107.02
110.90
114.77
118.63
103.51
107.40
111.29
115.15
119.01
50
60
70
80
90
119.40
123.24
127.08
130.90
134.71
119.78
123.63
127.46
131.28
135.09
120.17
124.01
127.84
131.66
135.47
120.55
124.39
128.22
132.04
135.85
120.94
124.78
128.61
132.42
136.23
121.32
125.16
128.99
132.80
136.61
121.71
125.54
129.37
133.18
136.99
122.09
125.93
129.75
133.57
137.37
122.47
126.31
130.13
133.95
137.75
122.86
126.69
130.52
134.33
138.13
100
110
120
130
140
138.51
142.29
146.07
149.83
153.58
138.88
142.67
146.44
150.21
153.96
139.26
143.05
146.82
150.58
154.33
139.64
143.43
147.20
150.96
154.71
140.02
143.80
147.57
151.33
155.08
140.
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