隨著我國(guó)福利制度的改革，供暖制度也發(fā)生了相應(yīng)的變化。在供暖體制中，傳統(tǒng)的以住宅使用面積計(jì)算取暖費(fèi)的方式受到了越來(lái)越多住戶的質(zhì)疑。例如：在供暖季節(jié)內(nèi)，同樣面積的住戶，由于家里有人的時(shí)間不相等，而且由于樓層關(guān)系，各家的實(shí)際室內(nèi)溫度也不相同，但是按照傳統(tǒng)的方法，必須繳納相等的取暖費(fèi)，這就帶來(lái)了矛盾。國(guó)家建設(shè)部正在實(shí)施供暖制度改革，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱能按實(shí)際使用量收費(fèi)。本文給出了一種基于HT46R65單片機(jī)的智能IC卡預(yù)付費(fèi)熱能表的設(shè)計(jì)方案。
1 工作原理
該熱能表用于熱水作為傳熱媒介的戶用采暖系統(tǒng)，計(jì)量熱水通過(guò)進(jìn)水管道和回水管道所釋放的熱量；主要由流量計(jì)(水表)、數(shù)字式溫度傳感器、非接觸式IC卡讀卡模塊(ZLG500)、液晶顯示模塊等組成。流量計(jì)用于計(jì)量流過(guò)采暖設(shè)備的熱水的體積；兩片溫度傳感器分別用于測(cè)量進(jìn)水溫度和回水溫度；非接觸式IC卡用于方便用戶付費(fèi)購(gòu)暖和供暖部門(mén)管理，液晶用于顯示一些基本信息。原理是根據(jù)流量計(jì)提供的流經(jīng)管道的熱水體積和配對(duì)溫度傳感器測(cè)量進(jìn)水與回水的溫度數(shù)據(jù)送至計(jì)算器，計(jì)算出消耗的熱能，熱能數(shù)據(jù)經(jīng)處理后在LCD上顯示出來(lái)。非接觸式IC卡被識(shí)別后讀出卡中的熱能數(shù)值，然后把卡中的熱能數(shù)據(jù)清零。隨著使用的熱能量增加，剩余的熱能量相應(yīng)減小。當(dāng)剩余的熱能量為零時(shí)，水表閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，停止供暖，等待用戶購(gòu)暖充值，重新開(kāi)啟供暖。
消耗熱能Q的計(jì)算公式如下：
其中：C為水的比熱容(C=0.011 67 kWh／L·℃)；V為流過(guò)采暖設(shè)備的熱水體積；t進(jìn)水、t回水為流過(guò)采暖設(shè)備的兩個(gè)溫度。
剩余熱能Q2=Q1-Q(Q1為用戶所購(gòu)買(mǎi)熱能和)，一段時(shí)間內(nèi)屏幕所能顯示的總消耗熱能Q3=∑Q。
2 熱能表結(jié)構(gòu)
2.1 硬件部分
硬件部分主要由HT46R65、電源模塊、時(shí)鐘電路、溫度傳感器DS18B20、水表流量計(jì)、鍵盤(pán)和液晶LCD顯示電路、讀卡器、閥門(mén)電機(jī)控制電路等部分組成。外圍組件與MCU的相互關(guān)系如圖1所示，其中ZLG500與HT46R65的接線如圖2所示。
下面對(duì)圖1中各部分進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。
溫度采集模塊：采用2片Dallas公司的DS18B20溫度傳感器，分別采集進(jìn)水溫度和回水溫度。DS18B20屬于單總線(1-Wire)數(shù)字式溫度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作靈活，無(wú)須外接電路，對(duì)電源電壓波動(dòng)不敏感(在保證溫度轉(zhuǎn)換精度為±0.5℃的情況下，電源電壓可為+3.3～+5.5 V)等優(yōu)點(diǎn)。
流量檢測(cè)模塊：用干簧管傳感器水表來(lái)檢測(cè)熱水流量。每當(dāng)流過(guò)水管的水量達(dá)到1 L時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)；可以通過(guò)中斷或查詢的方法來(lái)檢測(cè)脈沖信號(hào)，然后根據(jù)采集的溫度來(lái)計(jì)算消耗的熱能量。
讀卡模塊：采用ZLG500，用來(lái)讀取非接觸式IC卡中的熱能數(shù)據(jù)(對(duì)熱能表充值)；然后與剩余的熱能相加存到熱能寄存器中，并在讀卡成功后將卡中的數(shù)據(jù)清零。驅(qū)動(dòng)蜂鳴器響表示讀卡成功。
控制閥門(mén)電機(jī)模塊：利用HT46R65的兩個(gè)端口直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。若正向通電，則開(kāi)啟電機(jī)；反之，則關(guān)閉電機(jī)，平時(shí)端口都設(shè)定為低電平。若熱能寄存器的值為零，則關(guān)閉閥門(mén)；否則，閥門(mén)是打開(kāi)的。
鍵盤(pán)和液晶顯示模塊：液晶用于顯示一些相關(guān)的信息(如熱能和溫度)，按鍵用來(lái)切換顯示信息。充分利用HT單片機(jī)的液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊，直接驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏，不必購(gòu)買(mǎi)集成的液晶顯示模塊，降低了成本。
熱能表主要功能是對(duì)用戶的實(shí)際熱能使用量進(jìn)行計(jì)量。用戶購(gòu)買(mǎi)的熱能存儲(chǔ)在非接觸式IC卡中，然后讀卡對(duì)表進(jìn)行充值。通過(guò)這種方式繳納取暖費(fèi)，用多少支付多少，用完后自動(dòng)關(guān)閉供暖。該熱能表能快速、直觀地將剩余熱能量、消耗的熱能量、進(jìn)水溫度和回水溫度顯示在LCD上，用戶使用方便，也便于供暖部門(mén)管理和收取取暖費(fèi)。
2.2 軟件部分
軟件部分由數(shù)個(gè)子模塊組成。C語(yǔ)言主程序中內(nèi)嵌了讀卡模塊通信、讀卡后數(shù)據(jù)傳輸、溫度采集、熱能計(jì)算以及液晶顯示數(shù)個(gè)匯編程序，充分利用了HT-IDE3000的混合語(yǔ)言編程環(huán)境。軟件流程如圖3所示。在計(jì)算消耗的熱能量過(guò)程中，Q=C?V?△t。假設(shè)△t=26℃，V=1 L，則Q=0.011 67×1×26=0.303 42 kWh。HT-IDE3000不支持浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算操作，如果直接計(jì)算然后累加，則帶來(lái)很大的舍去誤差。為了提高計(jì)算的精度，在程序中編寫(xiě)了大量浮點(diǎn)數(shù)處理和計(jì)算的程序：把一個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的3字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)減法、浮點(diǎn)數(shù)乘法、浮點(diǎn)數(shù)加法，把浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行顯示等。浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算具有計(jì)算精度高、表示的數(shù)值范圍大等優(yōu)點(diǎn)。浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的法則說(shuō)明如下：浮點(diǎn)數(shù)加減法執(zhí)行前需要對(duì)齊階碼，然后尾數(shù)相加減；浮點(diǎn)數(shù)乘法是尾數(shù)相乘，階碼相加。以ZLG500與HT46R65之間通信的匯編程序模塊為例，簡(jiǎn)單說(shuō)明如下(系統(tǒng)的晶振頻率為4 MHz)：匯編程序SPI_INIT將SPI接口初始化為空閑狀態(tài)，接SS線的外部中斷1為下降沿觸發(fā)，且將定時(shí)器1配置成SPI接口的看門(mén)狗定時(shí)器。寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，首先是MCU在SS線上產(chǎn)生一個(gè)下降沿，發(fā)出請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)；等待ZLG500響應(yīng)后，本次數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始，ZLG500在SCLK為高時(shí)讀取SDA-TA線上的數(shù)據(jù)。傳輸完畢后，MCU在SS線上產(chǎn)生一個(gè)上升沿結(jié)束本次傳輸。(具體程序略——編者注。)
3 熱能表的功能
熱能表具有如下功能：
①測(cè)取進(jìn)水和回水管道中熱水的溫度。
②計(jì)算熱能Q、Q2、Q3。
③帶鍵盤(pán)操作和LCD顯示，通過(guò)按鍵切換屏幕顯示的內(nèi)容。顯示的數(shù)據(jù)有t高溫、t低溫、Q2、Q3。
④自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉供暖。
⑤HT46R65單片機(jī)和ZLG500讀卡模塊之間建立連接和通信，及時(shí)、準(zhǔn)確地讀卡和寫(xiě)卡，實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能。
結(jié) 語(yǔ)
試驗(yàn)證明，本熱能表能準(zhǔn)確計(jì)算用戶消耗的熱能量，實(shí)現(xiàn)了先交費(fèi)后使用的功能，并在2006年天津市“盛群”杯競(jìng)賽中獲一等獎(jiǎng)；但仍有一些需要改進(jìn)的地方，如靈敏度不夠高。該熱能表安裝操作簡(jiǎn)單，計(jì)算準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了按實(shí)際熱能使用量收取暖費(fèi)。采用非接觸式IC卡預(yù)付費(fèi)技術(shù)，是一種發(fā)展趨勢(shì)，既方便用戶，也解決了長(zhǎng)期困擾供應(yīng)部門(mén)的“收費(fèi)難”問(wèn)題，可廣泛應(yīng)用于集中供熱、分戶計(jì)量的采暖設(shè)施中。
1 工作原理
該熱能表用于熱水作為傳熱媒介的戶用采暖系統(tǒng)，計(jì)量熱水通過(guò)進(jìn)水管道和回水管道所釋放的熱量；主要由流量計(jì)(水表)、數(shù)字式溫度傳感器、非接觸式IC卡讀卡模塊(ZLG500)、液晶顯示模塊等組成。流量計(jì)用于計(jì)量流過(guò)采暖設(shè)備的熱水的體積；兩片溫度傳感器分別用于測(cè)量進(jìn)水溫度和回水溫度；非接觸式IC卡用于方便用戶付費(fèi)購(gòu)暖和供暖部門(mén)管理，液晶用于顯示一些基本信息。原理是根據(jù)流量計(jì)提供的流經(jīng)管道的熱水體積和配對(duì)溫度傳感器測(cè)量進(jìn)水與回水的溫度數(shù)據(jù)送至計(jì)算器，計(jì)算出消耗的熱能，熱能數(shù)據(jù)經(jīng)處理后在LCD上顯示出來(lái)。非接觸式IC卡被識(shí)別后讀出卡中的熱能數(shù)值，然后把卡中的熱能數(shù)據(jù)清零。隨著使用的熱能量增加，剩余的熱能量相應(yīng)減小。當(dāng)剩余的熱能量為零時(shí)，水表閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，停止供暖，等待用戶購(gòu)暖充值，重新開(kāi)啟供暖。
消耗熱能Q的計(jì)算公式如下：
其中：C為水的比熱容(C=0.011 67 kWh／L·℃)；V為流過(guò)采暖設(shè)備的熱水體積；t進(jìn)水、t回水為流過(guò)采暖設(shè)備的兩個(gè)溫度。
剩余熱能Q2=Q1-Q(Q1為用戶所購(gòu)買(mǎi)熱能和)，一段時(shí)間內(nèi)屏幕所能顯示的總消耗熱能Q3=∑Q。
2 熱能表結(jié)構(gòu)
2.1 硬件部分
硬件部分主要由HT46R65、電源模塊、時(shí)鐘電路、溫度傳感器DS18B20、水表流量計(jì)、鍵盤(pán)和液晶LCD顯示電路、讀卡器、閥門(mén)電機(jī)控制電路等部分組成。外圍組件與MCU的相互關(guān)系如圖1所示，其中ZLG500與HT46R65的接線如圖2所示。
下面對(duì)圖1中各部分進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。
溫度采集模塊：采用2片Dallas公司的DS18B20溫度傳感器，分別采集進(jìn)水溫度和回水溫度。DS18B20屬于單總線(1-Wire)數(shù)字式溫度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作靈活，無(wú)須外接電路，對(duì)電源電壓波動(dòng)不敏感(在保證溫度轉(zhuǎn)換精度為±0.5℃的情況下，電源電壓可為+3.3～+5.5 V)等優(yōu)點(diǎn)。
流量檢測(cè)模塊：用干簧管傳感器水表來(lái)檢測(cè)熱水流量。每當(dāng)流過(guò)水管的水量達(dá)到1 L時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)；可以通過(guò)中斷或查詢的方法來(lái)檢測(cè)脈沖信號(hào)，然后根據(jù)采集的溫度來(lái)計(jì)算消耗的熱能量。
讀卡模塊：采用ZLG500，用來(lái)讀取非接觸式IC卡中的熱能數(shù)據(jù)(對(duì)熱能表充值)；然后與剩余的熱能相加存到熱能寄存器中，并在讀卡成功后將卡中的數(shù)據(jù)清零。驅(qū)動(dòng)蜂鳴器響表示讀卡成功。
控制閥門(mén)電機(jī)模塊：利用HT46R65的兩個(gè)端口直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。若正向通電，則開(kāi)啟電機(jī)；反之，則關(guān)閉電機(jī)，平時(shí)端口都設(shè)定為低電平。若熱能寄存器的值為零，則關(guān)閉閥門(mén)；否則，閥門(mén)是打開(kāi)的。
鍵盤(pán)和液晶顯示模塊：液晶用于顯示一些相關(guān)的信息(如熱能和溫度)，按鍵用來(lái)切換顯示信息。充分利用HT單片機(jī)的液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊，直接驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏，不必購(gòu)買(mǎi)集成的液晶顯示模塊，降低了成本。
熱能表主要功能是對(duì)用戶的實(shí)際熱能使用量進(jìn)行計(jì)量。用戶購(gòu)買(mǎi)的熱能存儲(chǔ)在非接觸式IC卡中，然后讀卡對(duì)表進(jìn)行充值。通過(guò)這種方式繳納取暖費(fèi)，用多少支付多少，用完后自動(dòng)關(guān)閉供暖。該熱能表能快速、直觀地將剩余熱能量、消耗的熱能量、進(jìn)水溫度和回水溫度顯示在LCD上，用戶使用方便，也便于供暖部門(mén)管理和收取取暖費(fèi)。
2.2 軟件部分
軟件部分由數(shù)個(gè)子模塊組成。C語(yǔ)言主程序中內(nèi)嵌了讀卡模塊通信、讀卡后數(shù)據(jù)傳輸、溫度采集、熱能計(jì)算以及液晶顯示數(shù)個(gè)匯編程序，充分利用了HT-IDE3000的混合語(yǔ)言編程環(huán)境。軟件流程如圖3所示。在計(jì)算消耗的熱能量過(guò)程中，Q=C?V?△t。假設(shè)△t=26℃，V=1 L，則Q=0.011 67×1×26=0.303 42 kWh。HT-IDE3000不支持浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算操作，如果直接計(jì)算然后累加，則帶來(lái)很大的舍去誤差。為了提高計(jì)算的精度，在程序中編寫(xiě)了大量浮點(diǎn)數(shù)處理和計(jì)算的程序：把一個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的3字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)減法、浮點(diǎn)數(shù)乘法、浮點(diǎn)數(shù)加法，把浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行顯示等。浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算具有計(jì)算精度高、表示的數(shù)值范圍大等優(yōu)點(diǎn)。浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的法則說(shuō)明如下：浮點(diǎn)數(shù)加減法執(zhí)行前需要對(duì)齊階碼，然后尾數(shù)相加減；浮點(diǎn)數(shù)乘法是尾數(shù)相乘，階碼相加。以ZLG500與HT46R65之間通信的匯編程序模塊為例，簡(jiǎn)單說(shuō)明如下(系統(tǒng)的晶振頻率為4 MHz)：匯編程序SPI_INIT將SPI接口初始化為空閑狀態(tài)，接SS線的外部中斷1為下降沿觸發(fā)，且將定時(shí)器1配置成SPI接口的看門(mén)狗定時(shí)器。寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，首先是MCU在SS線上產(chǎn)生一個(gè)下降沿，發(fā)出請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)；等待ZLG500響應(yīng)后，本次數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始，ZLG500在SCLK為高時(shí)讀取SDA-TA線上的數(shù)據(jù)。傳輸完畢后，MCU在SS線上產(chǎn)生一個(gè)上升沿結(jié)束本次傳輸。(具體程序略——編者注。)
3 熱能表的功能
熱能表具有如下功能：
①測(cè)取進(jìn)水和回水管道中熱水的溫度。
②計(jì)算熱能Q、Q2、Q3。
③帶鍵盤(pán)操作和LCD顯示，通過(guò)按鍵切換屏幕顯示的內(nèi)容。顯示的數(shù)據(jù)有t高溫、t低溫、Q2、Q3。
④自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉供暖。
⑤HT46R65單片機(jī)和ZLG500讀卡模塊之間建立連接和通信，及時(shí)、準(zhǔn)確地讀卡和寫(xiě)卡，實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能。
結(jié) 語(yǔ)
試驗(yàn)證明，本熱能表能準(zhǔn)確計(jì)算用戶消耗的熱能量，實(shí)現(xiàn)了先交費(fèi)后使用的功能，并在2006年天津市“盛群”杯競(jìng)賽中獲一等獎(jiǎng)；但仍有一些需要改進(jìn)的地方，如靈敏度不夠高。該熱能表安裝操作簡(jiǎn)單，計(jì)算準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了按實(shí)際熱能使用量收取暖費(fèi)。采用非接觸式IC卡預(yù)付費(fèi)技術(shù)，是一種發(fā)展趨勢(shì)，既方便用戶，也解決了長(zhǎng)期困擾供應(yīng)部門(mén)的“收費(fèi)難”問(wèn)題，可廣泛應(yīng)用于集中供熱、分戶計(jì)量的采暖設(shè)施中。
