基于单片机的热能表设计毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的热能表设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

感器。 温度传感器应经过测量选择配对。 10)热量表的最大温差与最小温差之比应大于 10，供货厂家必须提供最小温差值。 11)热量表的电源宜采用内装电池，内装电池的使用寿命应大于 5 年。 12)热量表计量准确度分为三级，采用相对误差限 E 表示，相对误差限 E 定义如下： E= %100ccdV VV (21) 式中 : Vd——显示的测量 Vc——常规真实值。 1 级 E=177。 (2+4 ttmin + qqp ) (22) 2 级 E=177。 (3+4 ttmin + qqp ) (23) 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 5 3 级 E=177。 (4+4 ttmin +qqp) (24) 式中 : E——相对误差限 %； Δtmin——最小温差 ℃ ； Δt——使用范围内的温差 ℃ ； qp——常用流量 m3/h； q——使用范围内的流量 m3/h。 整体式热量表准确度应按上述三个等级执行。 13)组合式热量表准确度等级可按分部 件误差限执行。 热量表总误差为三项误差的算术和值 (绝对值和 )。 计算器误差限 Ec Ec =177。 (+ ttmin ) (25) 配对温度传感器误差限 Et Et =177。 (+3 ttmin ) (26) 流量传感器误差限 Eq 1 级 Eq =177。 (1+ qqp ) (27) 2 级 Eq =(2+ qqp ) (28) 3 级 Eq =(3+ qqp ) (29) 各级流量传感器误差限最大不应超过 5%。 热量计算原理 热量的计算公式 热量的计算公式习惯上分为两种：直接计算法也称焓差法见式 (210)和 K 系数计算法见式 (211)。 h d tqh d tqQ tttt m   1010  (210) 式中： Q ──释放或吸收的热量 (J 或 hW )； 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 6 mq ──流经热能表中载热液体的质量流量 ( hkg/ )； q ──流经热能表的水的体积流量 ( hm/3 )；  ──流经热量表的水的密度 ( 3/mkg )； h ──在热交换系统的入口和出口温度下，水的比焓值 ( kgkJ/ )； t ──时间 (h )。   10VV Td VKQ (211) 式中： Q ──释放或吸收的热量 (J 或 hW )； V ──载热液体流经热交换系统水的体积 ( 3m )； T ──热交换系统中载热液体入口处和出口处的温度差 (℃ )； K ──热系数，它是载热液体在相应温度和压力下的函 [ /J ( 3m ℃ )或/hkW ( 3m ℃ )]。 由于第 1 种方法采用不同温度 (和压力 )下比焓值差和密度值，直接计算出热量，从理论上说，它较第 2 种 K 系数方法补偿更直接和明确。 将式 210 化为求和式 120 ()nvi t tiQ q h h (212) 式中： viq ──第 i 时刻流经热能表水的体积流量； 1th ， 2th ──分别为供水、回水的温度下对应的比焓值； ──流经热能表的水的密度 ( 3kg/m )。 本热能表的热量计算和累积就是根据式 212 进行的。 热量计算公式的对比分析选择 我国供热体制改革 是借鉴了欧洲的经验下推行的，热量表行业的相关标准以及热量表鉴定方法及流程是以欧洲标准 EN1434“热能表 ”为范本，结合我国具体国情状况进行制定。 根据欧洲标准下 EN1434“热能表 ”的 K 系数的计算公式是： rfrf hhvk   1 (213) 式中： fh ──热交换回路中入口温度对应的载热液体的比焓值 ( kgkJ/ )； rh ──热交换回路中出口温度对应的载热液体的比焓值 ( kgkJ/ )； f ──热交换回路中载热液体入口处的温度 (℃ )； r ──热交换回路中载热液体出口处的温度 (℃ )； v──比容 ( kgm/3 )。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 7  p rRv  (214) 式中： R=  KkgJ / ；  = f (当体积计量位置在入口处 )或 r (当体积计量位置在出口处 )。     ii JIii i Inr 134 1    (215) 其中： in 、 iI 、 iJ 为常数；  M p appp   ；  /. (  =1386K )。 由式 (213)、 (214)、 (215)可以看出热系数 K 是由焓差计算得出来的，因此可以说焓差法和热系数法在本质上是相同的。 如果假设入口温度为 80℃ ，出口温度为 50℃ ，压力为 ，质量流量为 6 hkg/ ，在 1h 的时间内释放的热量。 焓差法： 1Q = ；热系数法： 2Q = hkW =。 两种方法的计算差别：  =%。 可以看出两种计算方法间的计算差别远小于 1 级热能表的误差限 ，所以采用不同方法引起的计算差别是完全可以忽略的。 在测量过程中为了计算方便往往在流量传感器输出质量流量时采用焓差法计算而流量传感器输出体积流量时采用热系数法计算。 总的来说热能表热量计算方法主要有 K 系数法和焓差法， K 系数法和焓差法有着相当紧密的联系，同时两种计量方法之间存在着一定的差值，但对于热能表来说，这一点不一致对计量精度产生的影响，可以忽略不计。 根据实际情况我们选用焓差法进行热能计算。 流量传感器的选择 流量传感器的选型分析 流量传感器按照国内外市场的情况，主要分为超声波式、电 磁式、机械式 (其中包括：涡轮式、孔板式、涡街式 )。 为此，对比这三种方案的热能表，各自具有以下优缺点： (1)超声波式热能表 采用超声波式流量计的热能表的统称。 它是利用超声波在流动的流体中传播时，顺水流传播速度与逆水流传播速度差计算流体的流速，从而计算出流体流量。 优点：对介质无特殊要求；流量测量的准确度不受被测流体温度、压力、密度等参数的影响，流量测量范围比一般的机械式热能表宽，尤其是在测量小流量时准确度比机械式热能表高。 一般 DN40 以上的 热能表 多采用这种流量计。 具有压损小，不易堵塞，精度高等特点。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 8 缺点 ：初投资相对较高，对于用户来说要考虑成本因素。 气泡对准确测量干扰很大，安装时要求进行排气措施。 (2)电磁式热能表 采用电磁式流量计的 热能表 的统称。 是一种测量热变换系统中载热流体所释放的热量的计量仪表。 它使用了高精度、高可靠性电磁流量计作为流量测量，采用高精度、高稳定性的铂金热电阻做温度测量。 优点：该热能表具有非常优异的测量性能。 缺点：由于成本极高，需要外加电源等原因，所以很少有 热能表 采用这种方案。 (3)机械式热能表 采用机械式流量计的 热能表 的统称。 机械式流量计的结构和原理与热水表类似。 优点：具有制 造工艺简单，相对成本较低，性能稳定，计量精度相对较高等。 目前在 DN25 以下的户用 热能表 当中，无论是国内还是国外，几乎全部采用机械式流量计。 缺点：受水质影响比较大。 以上三种方案中，电磁式热能表成本极高并且需要外加电源，所以排除这种方案，超声波式热能表虽然比机械式热能表计量精密，但是维护复杂，初期成本高，故障后只能整体替换，进一步提高了使用该方法的成本。 不仅如此，由于采暖过程中，高温会使管道壁上形成气泡，这些都会给超声波热能表流量计的计量精度带来巨大影响。 机械式流量计对于所处环境要求较为宽松，价格也较为合理 ，所以三种流量计比较起来选择机械式热能表无论是在经济方面还是精度方面均有较大优势。 综上所述，设计中采用 LCT9273 系列流量传感器中的 LCT9273B。 LCT9273B 型流量传感器简介 LCT9723 系列 无磁流量传感器 ，主要用于测量物体的平动位移或转动位移、平动速度或转动速度，输出数字信号，优良的远距离传输功能，功耗极低 (小于 7μA)，能有效满足工程测量应用的要求。 因此可以 解决 上述无磁流量计的诸多弊端 ， 且 具有微功耗(5～ 6μA)，高精度，不受叶轮上下窜动影响，可靠性高，抗干扰能力强 ，耐大温差等特点，并具有相当好的远传能力，详细指标 可以 参考有关应用说明书。 另外 本 模块 采用微功耗、高可靠性、大温差、宽电压设计，本芯片尤其是适用于在要求微功耗、高可靠性、大温差的应用环境中，应是优良的首选器件，其潜在的及尚未开发的应用领域也很广泛，具有一系列的潜在效益和应用前景， 并在 各领域中都具有很大的开发与应用价值。 本设计选用的 LCT9723B：蓝色圆形封装 ，内含探头，外带三芯屏蔽线和接地线，适用基表类型为浪花、连利的小口径基表，暂无可选配件。 其外接 17cm 长的三芯屏蔽线， 5cm 长的接地线。 其外观如 下图 23 所示。 三芯屏蔽线中： 1 白色线：电源－； 2 红石家庄铁道大学四方学院毕业设计 9 色线：电源＋； 3 黄绿线：接地线， 4 黄色线：信号。 图 23 LCT9723B 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 10 第 3 章 热能表硬件系统设计 STC12LE5616AD 单片机的选择和简介 STC12LE5616AD 是 STC12C5620AD 系列单片机之一，该系列单片机由 STC 生产的单时钟 /机器周期 (1T)的单片机，是具有高速、低功耗、超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统的 8051，但速度快 812 倍。 内部 集成 MAX810 专用复位电路， 4 路 PWM， 8 路高速 10 位 A/D 转换，针对电机控制，强干扰场合。 其它特点如下： 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： STC12LE5620AD 系列工作电压： (3V 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 16K 字节。 5. 片上集成 768 字节 RAM。 6. 通用 I/O 口 23 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，强推挽 /强上拉，仅为输入 /高阻，开漏每个 I/O 驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不要超过 55mA。 7. 有 ISP(在系统可编程 )/IAP(在应用可编程 )，无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口 ()直接下载用户程序，数秒即可完成一片。 8. 有 EEPROM 功能。 9. 看门狗。 10. 内部集成 MAX810 专用复位电路 (外部晶体 20M 以下时，可省外部复位电路 )。 11. 时钟源：外部高精度晶体 /时钟，内部 R/C 振荡器。 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： ~。 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。 12. 共 6 个 16 位定时器。 两个传统 8051 兼容的定时器 /计数器， 16 位定时器 T0 和 T1，没有定时器 2， PCA模块可再实现 4 个 16 为定时器。 13. 2 个时钟输出口，可由 T0 的溢出在 输出时钟，可由 T1 的溢出在 输出时钟。 14. 外部中断 9 路，下降沿中断或低电平触发中断， PAC 模块可分别或同时支持上石家庄铁道大学四方学院毕业设计 11 升沿中断 /下降沿中断， Power Down 模式可由外部中断唤醒， 0INT /， 1INT /，T1/， RxD/， PCA0/， PCA2/， PCA3/。 15. PWM(4 路。