STC微控制器的能量集中分戶計(jì)量單元研究

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(1.云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2. 云南電網(wǎng)公司博士后科研工作站，云南 昆明 650217)

STC微控制器的能量集中分戶計(jì)量單元研究

曹敏1，王洪亮1,2，陳先富1，畢志周1，張少泉1

(1.云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2. 云南電網(wǎng)公司博士后科研工作站，云南 昆明 650217)

現(xiàn)行分戶熱計(jì)量收費(fèi)形式大多采用按面積收費(fèi)和按熱量收費(fèi)相結(jié)合的方法，這種熱量收費(fèi)制度存在其不合理性。目前，國(guó)家積極推行的分戶熱計(jì)量收費(fèi)方式，把每戶用熱量單獨(dú)計(jì)量并按實(shí)際用熱量計(jì)費(fèi)。為此，設(shè)計(jì)研究了一種基于STC 微控制器的能量集中分戶計(jì)量單元，并根據(jù)住戶的溫差為依據(jù)計(jì)算得出住戶用熱量，這樣既滿足了用戶的舒適性需求，又可以節(jié)省熱費(fèi)，具有實(shí)用性。

STC;能量計(jì)量;集中分戶

0 引言

我國(guó)既有居住建筑開(kāi)展供暖分戶熱計(jì)量改造和節(jié)能改造[1]，現(xiàn)行分戶熱計(jì)量收費(fèi)形式大多采用按面積收費(fèi)和按熱量收費(fèi)相結(jié)合的方法，按面積收費(fèi)就是按照住戶的住宅面積收取基本熱費(fèi)，而按熱量收費(fèi)就是根據(jù)用戶熱量?jī)x表測(cè)得的熱量收費(fèi)。分戶熱計(jì)量實(shí)施之后，供暖節(jié)能成為人們冬季取暖時(shí)的一種自覺(jué)行為。用戶可以根據(jù)自己對(duì)室溫的需要去調(diào)整溫控閥，既滿足了用戶的舒適性需求又節(jié)約了能源，而用戶又可以節(jié)省熱費(fèi)。研究的能量計(jì)量裝置，是對(duì)各用戶使用供暖設(shè)備時(shí)所消耗的能量進(jìn)行計(jì)量，同時(shí)顯示消耗能量的多少的系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1主控制器

主控制器是整個(gè)熱量表的核心，它根據(jù)流量計(jì)與配對(duì)溫度傳感器提供的流量和溫度信號(hào)計(jì)算溫度與流量，并且計(jì)算供暖系統(tǒng)消耗的熱量和其他統(tǒng)計(jì)參數(shù)，顯示記錄輸出[2]。設(shè)Δt時(shí)間內(nèi)流過(guò)熱交換器的流量為Q，這段時(shí)間內(nèi)進(jìn)出流體的溫差為ΔT。根據(jù)熱力學(xué)定理，在Δt時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)消耗的能量為：

E=ΔT×Δt

(1)

由積分原理可知用戶所消耗的熱量公式為：

(2)

E為熱交換系統(tǒng)輸出熱量;K為熱焓值修正系數(shù);ΔT為進(jìn)水和回水溫差;Q為瞬時(shí)熱水流;T為流量積累時(shí)間。

設(shè)計(jì)采用帶A/D轉(zhuǎn)化的單片機(jī)STC12C5410AD，省去了在外部電路加A/D轉(zhuǎn)換器的麻煩。在熱量表系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了價(jià)格低廉、編程方便和內(nèi)部集成資源豐富的STC12C5410AD單片機(jī)，由于此STC單片機(jī)具有內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器、EEPROM和高速計(jì)數(shù)器等優(yōu)點(diǎn)，所以無(wú)須外加A/D轉(zhuǎn)換芯片、EEPROM芯片電路，一片解決控制芯片、A/D轉(zhuǎn)換芯片、EEPROM等，即一片主控芯片就可以完成控制系統(tǒng)的全部任務(wù)。同時(shí)該芯片較普通單片機(jī)抗干擾能力更強(qiáng)，所以能夠滿足控制系統(tǒng)的穩(wěn)定要求[3]。

2.2溫度采集與測(cè)量電路

溫度測(cè)量電路用來(lái)測(cè)量進(jìn)出熱交換器水的溫度差,如圖2所示。圖中T1、T2分別為測(cè)量進(jìn)出熱交換器水溫的半導(dǎo)體溫度傳感器即AD590。當(dāng)不同水溫的水經(jīng)過(guò)溫度傳感器時(shí)，在AD590上發(fā)生電流的變化。溫度每變化1℃時(shí)，T1、T2變化1 μA。T1、T2分別接上電阻后形成變化的電壓U1,U2，然后輸入減法器U1A中，形成一個(gè)電壓差，從U1A的1端輸出。其電壓差反應(yīng)了進(jìn)出熱交換器的溫度差。由于U1A輸出的電壓差較小，不能直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，因此電路中加入運(yùn)算放大U1D為主的50倍放大器電路進(jìn)行放大。放大信號(hào)從U1D的14腳輸出。為了便于校正和調(diào)整，在電路中又加了由U1C和一些電阻組成的調(diào)整電路,以便消除溫度傳感器參數(shù)的分散性產(chǎn)生的誤差。經(jīng)過(guò)調(diào)整后電壓差由U1C的8腳輸出，送到單片機(jī)的A/D端口進(jìn)行轉(zhuǎn)換[4]。

圖2 溫差測(cè)量電路

2.3流量測(cè)量電路

RQ6、T3組成了流量測(cè)量電路,如圖3所示。T3為旋轉(zhuǎn)式流量傳感器的接口，在流量傳感器下端裝有一塊葉片，與水接觸。在上端裝有一個(gè)小圓盤(pán)，圓盤(pán)上固定有一塊永久性磁鋼。在圓盤(pán)的旁邊連接有磁敏感元件UGN3120。當(dāng)水流通過(guò)流量傳感器時(shí)，將推動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，葉片旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)小圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)，小圓盤(pán)每旋轉(zhuǎn)一圈，磁鋼接近磁敏感元件一次，磁敏感元件就發(fā)出一個(gè)低電平脈沖。當(dāng)水量小時(shí)，葉片旋轉(zhuǎn)慢，單位時(shí)間內(nèi)磁鋼發(fā)出的脈沖少，當(dāng)水量大時(shí)，葉片旋轉(zhuǎn)快，單位時(shí)間內(nèi)磁鋼發(fā)出的脈沖多。此外，水的流量還與供熱水管的直徑有關(guān)，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試校準(zhǔn)，磁敏感元件發(fā)出2個(gè)低脈沖之間流水量為10L。故確定為流量傳感器的定標(biāo)值。脈沖經(jīng)過(guò)T3的2端進(jìn)入到單片機(jī)的外部中端口進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)[4]。

圖3 流量測(cè)量電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1主程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 主程序設(shè)計(jì)流程

3.2流量測(cè)量模塊

在設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的外部中斷口INT1，接收外部流量脈沖信號(hào)，采用下降沿觸發(fā)方式，來(lái)一個(gè)脈沖，脈沖計(jì)數(shù)存儲(chǔ)器里的數(shù)加1。流量脈沖數(shù)就對(duì)應(yīng)供暖設(shè)備中水的流量,到1 min后，單片機(jī)讀取脈沖數(shù)，進(jìn)行熱量值計(jì)數(shù)。此時(shí)，流量計(jì)數(shù)存儲(chǔ)器清零，接著進(jìn)行下1 min的流量計(jì)數(shù)。程序框圖如圖5所示。

圖5 流量測(cè)量程序框圖

4 結(jié)束語(yǔ)

能量集中分戶計(jì)量單元顯示的是用戶所用熱量的累計(jì)值，用戶根據(jù)熱量的累計(jì)值對(duì)所用熱量進(jìn)行付費(fèi)，基本實(shí)現(xiàn)用戶按實(shí)際使用熱量進(jìn)行付費(fèi)的目的。此外，還可以通過(guò)該電路與PC機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，通過(guò)聯(lián)網(wǎng)形成遠(yuǎn)程抄表，避免了傳統(tǒng)就地人工抄表的麻煩。因此,研究為其他類(lèi)型的熱量表、水表等設(shè)計(jì)提供新的思路和參考，具有一定的推廣性。

[1] 潘琢金,施國(guó)君.C8051Fxxx高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[2] 王洪亮,董浩斌,王軍民,等.井中過(guò)金屬套管瞬變電磁脈沖采集單元研究[J].石油地球物理勘探,2013(5):804-808.

[3] 曾剛,賀蓉,徐成,等.DTMF遠(yuǎn)程通信的軟硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2000(05):44-46.

[4] 王洪亮,董浩斌,蔣國(guó)盛,等.基于相關(guān)自適應(yīng)器EM-MWD信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2012,33(5):1013-1018.

Study of Energy Centralized Household Energy Metering Unit of STC Microcontroller

CAOMin1,WANGHongliang1,2,CHENXianfu1,BIZhizhou1,ZHANGShaoquan1

(1.Yunnan Power Grid Electric Research Institute ,Kunming 650217，China;2.Postdoctoral Research Workstation of Yunnan Power grid Corporation,Kunming 650217,China)

Existing household heat metering charges mostly used in the form of fees by area and methods charge on heat combining its existence unreasonable this heat charging system. Currently household heat metering mode state actively pursued,the household with the heat measured separately according to the actual use of heat billing.For this reason this paper,a design based on STC microcontroller energy concentrated household metering unit and is calculated based on households with heat,so that both meets the needs of users comfortable temperature difference according to the household, and can save heating costs,it has a strong practical significance.

STC;energy metering;centralized household

2014-04-29

中國(guó)博士后科學(xué)基金特別資助項(xiàng)目(2014T70891)

TP368

A

1001-2257(2014)11-0006-03

曹敏(1961-)，男，云南昆明人，教授級(jí)高級(jí)工程師，云南電網(wǎng)公司首席技術(shù)專(zhuān)家，研究方向?yàn)橛?jì)量測(cè)試技術(shù);王洪亮(1984-)，男，山東棗莊人，博士，博士后,研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)及計(jì)量測(cè)試技術(shù)。