摘要：論述了熱量的測量原理，采用先進的傳感器設計了一種高可靠性熱量表，并給出了軟硬件設計方法。由于該系統采用了單總線技術，模擬信號在測量現場被轉換為數字信號，能夠遠距離測量，具有很高的測量精度和應用價值。
關鍵詞：熱量表；DS2450；DS18B20；單總線
0引言
近幾年由于能源緊張，各種能量計費系統相繼出現，空調是用戶的一個能源消耗大項，傳統的空調計費系統往往只考慮用電成本或按面積推算，這顯然不太合理。本系統以單總線技術為基礎，采用先進的傳感器，實現了網式分戶計費功能。
1 測量原理及系統構成
1.1測量原理
熱源供應的熱水以較高的溫度流入交換系統(散熱器等)，以較低的溫度流出；在此過程中，通過熱量交換向用戶提供熱量。根據熱力測量公式，用戶所獲得的熱量可由下列方程式計算得出:
K值用來對比重進行修正。流量計測量的是體積流量，需要換算成適合熱量計算的質量流量，水的比重是隨溫度的變化變化的，所以需要進行比重修正。通過K值也對比熱進行修正,水的溫度所對應的熱量值并非絕對線形的,因此即使兩個工況下的供、回水溫差相同,如果供水或回水的溫度不同,相應的熱量值也是不一樣的, K 值是一個同時取決于供、回水溫度值的變量。修正系數K的引入在熱量計算中是非常重要的。如果不引入該修正系數,由此而造成的計算誤差很大。
1.2 系統構成
如圖1所示，系統由主機和戶機構成，每個用戶只安裝一個戶機，戶機由流量傳感器、供水溫度傳感器、回水溫度傳感器、室內溫度傳感器、按鍵模塊和液晶顯示模塊構成。為使溫度傳感器能與被測水的溫度一致，減小誤差，兩溫度傳感器安裝在導熱環上，并分別固定在空調的供水管（冷端）和回水管（熱端）上，并敷有絕熱保溫材料，以減少熱損失；電磁閥安裝在進水管上，用流量計測量熱水的流量，室內溫度傳感器實時感應室內溫度，并和已設溫度相比較，微處理器根據比較結果決定電磁閥的啟閉。微處理器根據進水管和出水管溫差和流量計的值算出向用戶提供的熱量，讀出非易失性存儲器AT24C01中前一時間段的熱量值與當前值累加，將累加值送顯示模塊顯示，并保存于AT24C01，在上位機要求數據時傳送給上位機。當流量計的讀數為0時，計算出的熱量值為0，微處理器處于休眠狀態。
3 器件的選擇
3.1 流量傳感器
流量傳感器采用旋翼式結構,其原理是: 將翼輪置于被測流體中,液體沿翼輪的切線方向沖擊使翼輪轉動,其轉速與流量有如下關系:
當R 、A 和α為定值時, K 也為定值。在理想情況下,流量與轉速成線性關系。該傳感器的翼輪上共有7 片輪葉。每片輪葉上鑲嵌一塊磁鋼，翼輪的上方安裝一塊密封的聚四氟乙烯板, 板面和磁鋼同直徑的位置上有一個盲孔,用來放置霍爾開關探測器。當翼輪隨流體流動而旋轉時,7個磁鋼依次激勵霍爾開關,使其發出電脈沖信號，脈沖頻率與轉速成正比, 頻率信號經過F/ V 轉換, 輸出所需要的電壓信號，經過標定可測出其流量值。
3.2 溫度傳感器
溫度傳感器選用可組網式單總線數字溫度傳感器DS18B20，其具有結構簡單、體積小、功耗小、抗干擾能力強的特點。
3.3 單總線A/D芯片DS2450
DS2450是單總線式4通道逐次逼近式A/D轉換器，即A、B、C和D模擬電壓輸入通道，其輸入電壓范圍、轉換精度位數、報警門限電壓可編程；每個通道都有各自的存儲器以存儲電壓范圍設置、轉換結果、門限電壓等參數（詳細資料讀者可查看參考文獻[1]）。DS2450將流量傳感器輸出的電壓信號轉換為數字信號，傳送給微處理器。
3.4 液晶顯示模塊LCM12864ZK
LCM12864ZK是帶中文字庫圖形的液晶顯示模塊，其功能強，控制簡單，由于其本身自帶中文字庫，大大減少了編程的工作量。該模塊主要用來顯示當前的時間、室溫值及熱量值。
3.5 按鍵模塊
系統設置三個按鍵，按鍵1用來設置室溫，按鍵2和按鍵3分別為加、減鍵。
4 工作過程
在系統上電后，系統初始化DS2450、DS18B20和LCM12864ZK，依次發送每組傳感器的地址（即DS2450和DS18B20的序列號），啟動轉換，讀取溫度傳感器的值，比較室溫值與設定溫度值，如相等，則關熱水管閥門；如不等，則計算進水管和出水管的溫差，讀取A/D值（即流量傳感器的值），計算熱量，送液晶顯示模塊顯示并存于非易失性存儲器AT24C256內，同時下位機也可通過RS-485向上位機上傳數據，上位機也可向下位機傳送命令。
5 軟件設計
關鍵詞：熱量表；DS2450；DS18B20；單總線
0引言
近幾年由于能源緊張，各種能量計費系統相繼出現，空調是用戶的一個能源消耗大項，傳統的空調計費系統往往只考慮用電成本或按面積推算，這顯然不太合理。本系統以單總線技術為基礎，采用先進的傳感器，實現了網式分戶計費功能。
1 測量原理及系統構成
1.1測量原理
熱源供應的熱水以較高的溫度流入交換系統(散熱器等)，以較低的溫度流出；在此過程中，通過熱量交換向用戶提供熱量。根據熱力測量公式，用戶所獲得的熱量可由下列方程式計算得出:
K值用來對比重進行修正。流量計測量的是體積流量，需要換算成適合熱量計算的質量流量，水的比重是隨溫度的變化變化的，所以需要進行比重修正。通過K值也對比熱進行修正,水的溫度所對應的熱量值并非絕對線形的,因此即使兩個工況下的供、回水溫差相同,如果供水或回水的溫度不同,相應的熱量值也是不一樣的, K 值是一個同時取決于供、回水溫度值的變量。修正系數K的引入在熱量計算中是非常重要的。如果不引入該修正系數,由此而造成的計算誤差很大。
1.2 系統構成
如圖1所示，系統由主機和戶機構成，每個用戶只安裝一個戶機，戶機由流量傳感器、供水溫度傳感器、回水溫度傳感器、室內溫度傳感器、按鍵模塊和液晶顯示模塊構成。為使溫度傳感器能與被測水的溫度一致，減小誤差，兩溫度傳感器安裝在導熱環上，并分別固定在空調的供水管（冷端）和回水管（熱端）上，并敷有絕熱保溫材料，以減少熱損失；電磁閥安裝在進水管上，用流量計測量熱水的流量，室內溫度傳感器實時感應室內溫度，并和已設溫度相比較，微處理器根據比較結果決定電磁閥的啟閉。微處理器根據進水管和出水管溫差和流量計的值算出向用戶提供的熱量，讀出非易失性存儲器AT24C01中前一時間段的熱量值與當前值累加，將累加值送顯示模塊顯示，并保存于AT24C01，在上位機要求數據時傳送給上位機。當流量計的讀數為0時，計算出的熱量值為0，微處理器處于休眠狀態。
3 器件的選擇
3.1 流量傳感器
流量傳感器采用旋翼式結構,其原理是: 將翼輪置于被測流體中,液體沿翼輪的切線方向沖擊使翼輪轉動,其轉速與流量有如下關系:
當R 、A 和α為定值時, K 也為定值。在理想情況下,流量與轉速成線性關系。該傳感器的翼輪上共有7 片輪葉。每片輪葉上鑲嵌一塊磁鋼，翼輪的上方安裝一塊密封的聚四氟乙烯板, 板面和磁鋼同直徑的位置上有一個盲孔,用來放置霍爾開關探測器。當翼輪隨流體流動而旋轉時,7個磁鋼依次激勵霍爾開關,使其發出電脈沖信號，脈沖頻率與轉速成正比, 頻率信號經過F/ V 轉換, 輸出所需要的電壓信號，經過標定可測出其流量值。
3.2 溫度傳感器
溫度傳感器選用可組網式單總線數字溫度傳感器DS18B20，其具有結構簡單、體積小、功耗小、抗干擾能力強的特點。
3.3 單總線A/D芯片DS2450
DS2450是單總線式4通道逐次逼近式A/D轉換器，即A、B、C和D模擬電壓輸入通道，其輸入電壓范圍、轉換精度位數、報警門限電壓可編程；每個通道都有各自的存儲器以存儲電壓范圍設置、轉換結果、門限電壓等參數（詳細資料讀者可查看參考文獻[1]）。DS2450將流量傳感器輸出的電壓信號轉換為數字信號，傳送給微處理器。
3.4 液晶顯示模塊LCM12864ZK
LCM12864ZK是帶中文字庫圖形的液晶顯示模塊，其功能強，控制簡單，由于其本身自帶中文字庫，大大減少了編程的工作量。該模塊主要用來顯示當前的時間、室溫值及熱量值。
3.5 按鍵模塊
系統設置三個按鍵，按鍵1用來設置室溫，按鍵2和按鍵3分別為加、減鍵。
4 工作過程
在系統上電后，系統初始化DS2450、DS18B20和LCM12864ZK，依次發送每組傳感器的地址（即DS2450和DS18B20的序列號），啟動轉換，讀取溫度傳感器的值，比較室溫值與設定溫度值，如相等，則關熱水管閥門；如不等，則計算進水管和出水管的溫差，讀取A/D值（即流量傳感器的值），計算熱量，送液晶顯示模塊顯示并存于非易失性存儲器AT24C256內，同時下位機也可通過RS-485向上位機上傳數據，上位機也可向下位機傳送命令。
5 軟件設計
圖2為系統的軟件流程圖，由于系統采用單總線協議，必須嚴格遵守單總線協議的時序（見參考文獻[1]）
6結束語
用標準儀器對冷熱表的溫度、流速、熱功率進行檢驗,溫差誤差小于0.115℃, 實際流量積算誤差小于5% , 熱量積算誤差小于2%。
參考文獻
[1]http://www.maxim-ic.com.cn/pdfserv/en/ds/DS2450.pdf
