1 引言 

    多年以來，集中供熱，統(tǒng)一收費(fèi)給供熱部門和用戶都帶來了很大的不便，而且也造成很大的浪費(fèi)。本文設(shè)計(jì)的IC 卡熱量表的分戶計(jì)量可以解決雙方的麻煩，采用預(yù)付費(fèi)使得供熱部門方便收費(fèi)，用戶也可以根據(jù)自己的需要調(diào)整暖氣的水流量，甚至在不需要的時(shí)候關(guān)掉暖氣，節(jié)約費(fèi)用。本文主要介紹了IC 卡熱量表的工作原理及主要模塊。

2 熱量表的工作原理 

2.1 熱量表工作原理圖：

圖1 IC 卡熱量表工作原理圖

    該熱量表主要由計(jì)算器、溫度傳感器和流量傳感器三部分組成。其中計(jì)算器則是由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、微處理器及顯示器三部分組成，模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能是把溫度傳感器測量的溫度（模擬信號）轉(zhuǎn)換成微處理器能夠處理的數(shù)字信號；微處理器則是對接收的流量傳感器和經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的溫度的信號進(jìn)行處理；顯示器的功能則是把測得的以及計(jì)算得到的數(shù)據(jù)顯示出來。如圖1 所示。 

2.2 熱量表的計(jì)量原理 

    根據(jù)流量傳感器給出的流量和配對溫度傳感器給出的供回水溫度，以及水流經(jīng)的時(shí)間，通過計(jì)算器計(jì)算出系統(tǒng)所釋放或吸收的熱量。其基本公式：

    由上式可知，要計(jì)算出指定時(shí)間內(nèi)水釋放或吸收的熱量，就必需知道流經(jīng)的水的質(zhì)量流量（或體積流量）、流經(jīng)的水的密度，以及熱量交換系統(tǒng)的入口和出口溫度下，水的焓值差。單位時(shí)間內(nèi)熱量的計(jì)算，則至少要知道入水口與出水口的溫度和體積流量。要得到一定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)釋放或吸收的熱量，只要對時(shí)間做積分就可得到。把得到的參數(shù)（包括測量得到的和計(jì)算得到的）通過LCD 按要求顯示出來。如：入水口溫度、出水口溫度、流量、熱量、累積流量、累積工作時(shí)間等的參數(shù)。 

    水的密度與溫度和壓力都有關(guān)系，在預(yù)知水的壓力前提下，查對應(yīng)的水密度表。 

    入出水口溫度是用鉑熱電阻Pt1000 溫度傳感器測量得到的；流量的測量是用流量傳器測量得到的。

3 溫度傳感器 

    配對溫度傳感器選用經(jīng)過精密配對的Pt1000 鉑熱電阻，測量溫度在0--850℃時(shí)，溫度與其阻值的滿足關(guān)系式：

    測傳感器的阻值，求得對應(yīng)的溫度時(shí)，可以通過以下方法；先求得上述函數(shù)的反函數(shù)：

    其中a、b 可以通過兩點(diǎn)標(biāo)定法得到。經(jīng)計(jì)算得到上式中。


4 計(jì)算器 

4.1 A/D 轉(zhuǎn)換器字長的確定 

    按照要求，常溫型熱量表的工作條件為：在壓力小于1.6MPa 時(shí)，溫度范圍為4--95℃。熱量表被測溫度值要求顯示到百分位，即0.01℃；精確到十分位，即0.1℃。從溫度傳感器的選擇中，我們可以知道0--100℃的溫度范圍,對應(yīng)的鉑熱電阻的阻值變化范圍是1000～1385 歐姆。對選用差分輸入的ADC 電路只要對該電阻兩端的電壓變化量ΔVPt 進(jìn)行ΔVPt×1/1000 量化，即可滿足系統(tǒng)要求。

    假設(shè)電流源是200μA，鉑熱電阻兩端的電壓變化量ΔVPt=77mV；最小值為200mV；最大值為277mV。 

    根據(jù)前面計(jì)算公式可得到，ADC 轉(zhuǎn)換器件的最小字長(精確度)為11.8 位（二進(jìn)制數(shù)）。要保證此精度，在數(shù)值轉(zhuǎn)換和計(jì)算時(shí)至少需要一位估計(jì)的十進(jìn)制數(shù)作保證，用二進(jìn)制數(shù)表示則需四位。故ADC 器件的字長不應(yīng)少于15.8 位。實(shí)際應(yīng)用中字長大于12 位的ADC 器件，均存在丟碼等現(xiàn)象。為此，選用更高分辨率的ADC 器件，本方案采用24 位。 

4.2 微處理器字長的確定 

微處理器字長的選用依據(jù)： 

    （1）量化誤差：有限位字長會影響ADC 的量化誤差；理論上講微處理的字長越長，量化誤差越小，信噪比越高。
    （2）與ADC 電路的字長有關(guān)：微處理器的字長

    （3）系統(tǒng)輸入信號的動態(tài)范圍：本系統(tǒng)的輸入信號最小值是200mV、最大值是277mV。


    由此可知一般微處理器的字長都能滿足要求。 

    綜合以上幾個(gè)要求。兼顧功耗、價(jià)格等因素，又考慮到該系統(tǒng)對計(jì)算的實(shí)時(shí)性要求不高，所以微處理器字長確定為16 位。對于計(jì)算精度不夠的缺陷采用改變數(shù)據(jù)類型的辦法加以補(bǔ)償。如數(shù)據(jù)類型采用浮點(diǎn)型。 

4.3 顯示部分 

    本方案采用LCD 顯示，這部分比較簡單。主要顯示以下內(nèi)容：進(jìn)水溫度(℃)、出水溫度(℃)、溫差(℃)、積累流量（m3）、熱量（kW.h 或MW.h）、熱量（MJ 或GJ）、瞬時(shí)流量（m3/h）、供熱時(shí)間（h）、電池欠壓等。

5 軟件部分 

    作為使用微處理器的智能系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)的性能必須有與之相配合的軟件才能使其達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。限于篇幅，本文不再介紹。

6 本方案中特別注意的問題 

    （1）在硬件設(shè)計(jì)和電路制作上應(yīng)注意： ADC 電路在PCB 板設(shè)計(jì)中整個(gè)電路的接地；模擬信號與數(shù)字信號的隔離；恒流源的穩(wěn)定性。
    （2）傳感器信號的輸入和處理電路。這部分電路需要滿足信號的輸入、調(diào)理和放大以及抗干擾的能力。同時(shí)在電路的設(shè)計(jì)中還要兼顧放大倍數(shù)與放大器的穩(wěn)定性這兩方面的問題。信號的變換時(shí)，為了能將采集到的信號輸入單片機(jī)進(jìn)行信號的處理和輸出顯示，必須將從RTD 處采集到的模擬信號變換為數(shù)字信號。
    （3）低功耗。作為一種消費(fèi)型的計(jì)算儀表，一個(gè)簡單的使用要求是必需的，首當(dāng)其沖的是功耗。
    （4）ADC 電路的所有電源供電端（V+，V-和數(shù)字電源VCC）和基準(zhǔn)電壓端都應(yīng)該分別并聯(lián)一個(gè)0.1uF 和一個(gè)等效串聯(lián)電阻較低的電容（容值介于4.7uF 至100uF 之間，推薦使用鉭電容）；
    （5）如果模擬和數(shù)字電源共用，則最好對數(shù)字電源進(jìn)行濾波（模擬電源經(jīng)RC 低通濾波后接至數(shù)字電源，R 可取幾歐姆至幾十歐姆，C 取幾μF 至上百μF），盡量減小數(shù)字電源產(chǎn)生的影響；
    （6）避免數(shù)字信號和模擬信號平行布線，如果無法避免，則應(yīng)該在它們之間用地線隔離；
    （7）A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字地和模擬地應(yīng)該在本地一點(diǎn)接地后，直接連至電源的地線輸入端，其它數(shù)字信號的地不要在其中間接入，而也應(yīng)該直接連至電源的地線輸入端。 

參考文獻(xiàn)：
[1] 姚天任，孫洪． 現(xiàn)代數(shù)字信號處理[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社．1999（6），P5471，P137149．
[2]康華光，陳大欽．電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）［Ｍ］．北京：高等教育出版社． 1998(8)，P397415

作者簡介：
彭會萍：（1971）， 女，講師，主要從事電子技術(shù)和信號處理方面的教學(xué)與科研。
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