1、目 录摘要 .IABSTRACT II1 前言 11.1 热量表的应用背景 11.2 热量表的发展状况与趋势 21.3 论文研究意义 32 热量表系统设计方案 52.1 热量表的总体要求 52.2 热量表设计原理 52.2.1 热量计量原理 52.2.2 热量表工作原理 72.3 热量表系统总体结构及各部分功能 82.3.1 热量表系统总体结构 82.3.2 热量表的功能 82.3.3 热量表系统工作工程 93 系统硬件设计及实现3.1 热量表硬件结构框图3.2 热量表单片机的选择3.3 温度传感器的选择与电路设计3.3.1 温度传感器的选择3.3.2 温度采集电路的设计3.4 流量测量硬件电
2、路设计3.4.1 流量测量的方法4 智能热量表的软件设计4.1 智能热量表的软件总体构成4.2 主程序设计4.3 中断服务程序4.4 子程序设计4.4.1 流量检测程序4.4.2 热量计算子程序4.4.3 按键处理子程序结论 29参考文献 30致谢 32附录 33附录 1：热量表设计硬件电路图 33附录 2：部分程序代码 343.2 热量表单片机的选择 （AT89C52）3.3 温度传感器的选择与电路设计3.3.1 温度传感器的选择温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件，是温度测量仪表的核心部分，具有应用多、种类多、发展快等特点。但用在热量仪表中的温度传感器必须要满足以下条件：（1） 特性与
3、温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，且随温度呈线性变化；（2） 除温度以外，特性对其他物理量的灵敏度要低；（3） 特性随时间变化要小；（4） 重复性好，没有滞后和老化；（5） 灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小；（6） 机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；（7） 能大批量生产，价格便宜；（8） 无危险性，无公害等。在种类繁多的传感器中，常用的温度传感器有热电偶、热电阻、热敏电阻、数字式温度传感器，它们各自有独自的特点。热电偶是利用物理学中的塞贝克效应制成的温敏传感器【1】 。它除具有结构简单、测量范围宽、热惯性小、输出信号便于远传、准确度高、制造方便等优点外，还可用来测量流体
4、的温度、测量固体以及固体壁面的温度。但是它的灵敏度较低，误差较大，电动势小，在高温或长期使用时需要定期检查与更换，而且在实际应用中需要加冷端温度补偿，使用起来很不方便。热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。其特点是稳定性好、性能可靠、测量精度高，尤其是测量常温下的温度比热电偶温度计更适合。目前应用最广泛的热电阻材料是铂，铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小，中国最常用的有 R0=10、R0=100 和 R0=1000 等几种，它们的分度号分别为
5、Pt10、Pt100 、Pt1000；与热电阻相比，热敏电阻具有电阻温度系数范围宽（约为热电阻的 10 倍） 、结构简单、体积小坚固、稳定性好、灵敏度高、热惯性小、使用寿命长、价格低廉，是一种重要的低温传感器。其不足之处是测量范围窄、互换性较差，非线性严重。 总之温度传感器的作用就是将温度信息转换为电流或电压输出，如果转换后的电流或电压输出是模拟信号，那么还必须进行 A/D 转换，以满足单片机接口的需要。以上的温度传感器，大多都是要经过专门的接口电路转换成数字信号后才能由单片机进行处理，可靠性差、测量温度准确度低。而数字式温度传感器就能直接转化成串行数字信号与微处理器相连，由单片机来处理，具有
6、测温精度高，智能化程度和可靠性高、使用方便等特点，所以经过综合考虑在本设计中优先选用了美国 DALLAS 半导体公司的 DS18B20 数字温度传感器。达拉斯公司生产的单线数字温度传感器 DS18B20，作为 DS1820 的改版可使温度信号直接转换成串行数字信号供微处理器处理，而且外围电路很简单，实现方便。由于每片 DS18B20 含有唯一的序列号，所以在一条总线上可挂多片 DS18B20 。微处理器可通过一根口线经序列号匹配识别后对每一个 DS18B20 进行读写操作，大大节省了硬件资源，一总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。新一代的数字温度
7、传感器 DS18B20 体积更小、更经济、更灵活。DS18B20 的测量温度范围为-55C+125C，在-10+85C 范围内精度为0.5C，分辨率 0.0625。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，每一颗自带地址，大大减少了系统的电缆数，提高了系统的稳定性和抗干扰性，因此得到广泛使用。所以温度采集选用了 DS18B20 单总线数字温度传感器。DS18B20 的优点是能够直接读出被测对象的温度，可以根据实际的需要通过简单编程实现 912 位数值的读数方式，可分别在 93.75ms 和 750ms 内完成9 位、12 位的数字量。温度变换的功率来自数据总线，因此使用 DS18B20 温度芯
8、片时使系统的结构简单29经过综合考虑，本设计选用美国达拉斯（Dallas）公司的单线数字温度传感器芯片 DS18B20 作为温度传感器。它是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。 “一线总线”接口芯片独特而且经济，使用户可轻松的组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新感念。DS18B20 与传统的热敏电阻有所不同，它可直接将被测温度转化成串行数字信号，以供单片机处理，它还具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点。总而言之，DS18B20 具有以下特点。采用单线技术，与单片机通信只需一个引脚；通过识别芯片各自唯一的产品序列号从而实现单线多挂接，简化了分布式温度检测的应用；实际应用中
9、不需要外部任何元器件即可实现测温；可通过数据线供电，电压范围为 35.5V；不需备份电源；测量范围为-55+125 ，在-10+85范围内误差为 ；0.5数字温度计的分辨率用户可以从 9 位到 12 位选择，可配置实现 912 位的温度读数；将 12 位的温度值转换为数字量所需时间不超过 750ms；用户定义的、非易失性的温度告警设置，用户可自行设定告警的上下限温度；告警寻找命令可以识别和寻址那些温度超出预设告警界限的器件。可用数据线供电，电压范围 3.05.5V；可编程分辨率 912 位，可分辨温度分别为 0.5、0.25、0.125、0.0625.12 位分辨率时最多在 750ms 内把温
10、度值转换为数字。负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。温度转换时间由 DS18 的 2s 降为 750ms，且灵敏度大为提高，在逐渐升温的水中与精度为0.5的温度计几乎同步，且回复性很好。每个芯片惟一编码，支持联网寻址，零功耗等待。3.3.2 温度采集电路的设计温度的采集使用 DS 18B20 温度传感器。DS 18B20 传感器是 DS 1820 之后的新一代支持“一线总线”接口的数字温度传感器，由美国 Dallas 半导体公司生产，其测量温度范围为-55125，精度为 9-12 位(与数据设定的位数有关) ，电压范围为 3V5.5V，具有体积小、经济、灵活的特点
11、28。系统的温度采用单线的数字传输方式。DS18B20 的内部结构由配置寄存器、非发挥的温度报警触发器 TH 和 TL、温度传感器和 64 位光刻 ROM 四部分组成。其内部结构图如图 3-10 所示。1)在出厂前就光刻好了 ROM 中的 64 位序列号，这 64 位序列号可以当做所使用的 DS 18B20 的地址序列号。其中第 1-8 位是产品的类型标号，第 9-56 位是DS18B20 自身的序列号，第 57-64 位是前面 56 位的循环冗余校验码(CRC=XB+XS=X4+1)。光刻 ROM 中的 64 位序列号使得每个 DS18B20 各不相同，因此可以实现多个 DS18B20 挂接
12、在一根总线上。2)配置寄存器主要用于设置 DS18B20 的分辨率，分辨率决定温度转换时的延时时间。二者关系如表 3-4:3） Ds18B20 的内部存储器含有一个高速缓存 RAM 和一个存放低温度触发器TL、高温度触发器 TH、结构寄存器的非易失性可电擦出的 EEPRAM 。4)高速缓存存储器字节分配如表 3-5 所列，它由 9 个字节组成。当温度转换的命令发布后，经过转换所得到的温度值存在高速缓存存储器的第0 和第 1 个字节，存放时用二字节补码的形式。单片机通过传感器的 DQ 端读到该数据，读取的数据前面的是低位后面的是高位，数据格式如表 3-6。其中bit0bitl l 共 12 位代
13、表温度值， bitl 1bit15 都存储符号位 S，读数据时只读bit0bitl l。实际的温度数据计算:当符号位为 0(即温度高于 0 )时，将测得的数值直接乘 0.0625 就是实际的温度值;符号位为 1(即温度低于 0 摄氏度)时，测到的数值为补码，需把补码变成原码后再乘以 0.0625 。5）DS18B20 在主机控制下完成温度转换需要三步:第一对 DS18B20 进行复位操作，第二复位成功后紧接着发送 ROM 指令，第三发送 RAM 指令。只有经过这三步才能对 DS18B20 进行预订操作29-30。 ROM 和 RAM 指令表如表 3-7 和表 3-8。DS18B20 温度传感器
14、有三个引脚，引脚 1 和引脚 3 分别是 GND 和 VDD，引脚2 是 DQ 端，作为数据输入/输出引脚。当给 DS18B20 加电后，单片机通过 DQ端写入命令，并能读出含有温度信息的数字量。再附上与单片机的图解释原理3.4 流量测量硬件电路设计（冉莹）3.4.1 流量的测量方法流量的检测一般都采用流量传感器，流量传感器是热量表最主要的部件，也是最敏感的组件，将流量传感器安装在热交换系统中，用于测量流过供热回路水的流量。流量有两种主要的检测方法:体积流量和质量流量测量。体积流量测量应用比较广泛，并且误差比较小。质量流量不受密度和温度等诸多条件的影响，不易测定，因此一般对流量的测量采用测定体
15、积流量的方法。流量测量仪表与其他测量仪表相比，其受介质性质的影响要突出的多，流体的工作状态及流体的粘度、腐蚀性、导电性的不同都对流量测量仪表有着不同的要求，因此，要根据科研和生产的具体目的和其应用场合，合理的选用流量测量24-3 l 仪器。3.4.2 流量传感器的选择常用的流量传感器主要有节流式流量传感器、电磁流量传感器、涡轮流量传感器、超声波流量传感器。超声波流量传感器是一种非接触式测量，其主要优点是对水质要求比较低、不易损坏、使用寿命长，但通常超声波在顺流与和逆流的测量过程中的传播速度比较差，并且造价太高、功耗大; 超声波流量传感器。它是通过波在水中的传输速度在顺水流和逆水流的方向不同而求
16、出热水的流速，进而计算出热水的流量。理论上它的测量精度较高，但在实际应用中由于安装的问题，往往会导致与理论有很大的差距，并且现在使用超声波的价格比较昂贵，不适于大范围的推广。超声波流量传感器是利用超声波技术实现的流量测量装置，在测量时，超声波探头向管内某点发射一个超声波脉冲，然后探头将反射回来的波到达的事件记录下来，根据时间差来测量。该测量方法没有转子，不会产生丢失脉冲的现象，测量精度高，不受电磁干扰没有压力损失，不受杂质的影响。但是流量精度会受到管壁厚薄的影响，而且，安装不方便，超声波的探头比较贵，适合于深埋地下的管道的测量。涡轮式流量传感器是一种叶轮式速度流量传感器。其工作原理和结构都比较
17、简单，具有安装方便、启动流速低、测量范围宽、压损较小、精度高、反应快、价格低廉等特点，此外还具有信号易远传、便于数字显示、可直接与计算机配合进行流量计算和控制等优点。涡轮是流量传感器几乎是流量传感器的首选，目前也是我国热量表中使用最多的一种。电磁流量传感器主要用于测量导电性流体流量，它有效的解决其它流量计不易应用的问题，如脏污流、腐蚀流的测量，主要缺点是受流体介质影响大，精确度不高; 电磁式流量计。它是按法拉第定律测量热水的流量，与超声波样，其内部也没有任何可动部件。但是它的结构原理复杂、价格较高且通常要求交流市电供电，通常不适用于户用计量。电磁式流量传感器是依据法拉第电磁定律测量谁的流量，其
18、内部没有可动部件。但其结构和原理比较复杂、价格较高，通常要求 220V 交流电源供电，所以不适用于户用热量表。节流式流量传感器性能稳定可靠、使用寿命长、应用范围广，主要缺点是测量精度普遍偏低、范围度窄、压损大、现场安装要求较高。差压式流量计是根据安装在管道中的流量检测元件所产生的差压Ap来测量流量的仪表。它包括节流式流量计、均速管流量计、弯管流量计等，其中，节流式流量计是一类已系列化和标准化、规格种类繁多、应用极广的流量仪表。其检测元件(节流装置)种类繁多，有的已经标准化，如标准孔板、标准喷嘴、长径喷嘴、文丘里管等：有的尚未标准化，如锥形入口iL板、14圆孔板、偏心孔板、圆缺孔板等。在流量测量
19、领域，差压式流量计的使用量一直居流量仪表的首位。对于户用热量表来说，根据上面对各流量传感器的比较，本系统选用机械式流量传感器。3.4.3 流量传感器测量原理及其硬件电路设计机械式流量传感器(也称叶轮式流量传感器)根据叶轮形式分成: 单束旋翼式、多束旋翼式、垂直螺翼式、水平螺翼式、涡轮式。在系统设计中我们选择涡轮式，它采用多叶片的转子(涡轮)感受流体平均流速，从而得出流量。(1)测量原理。图 3-3 涡轮流量计原理示意图测量原理如图 3-3 所示。管道中心安放着一个涡轮，当流体流过时，流体冲击涡轮叶片一，涡轮克服摩擦力矩以及流体的阻力矩而开始旋转。当流量范围一定，流体的介质粘度一定，涡轮的旋转角
20、速度与流体流速成正比。因此，流体流速便可以通过涡轮的旋转角速度得到，进而得到流过的流体流量。涡轮的转速可以由电磁传感器得到。当被测流体流经传感器时，传感器内部的叶轮借助流体的动能而产生旋转，叶轮周期性的地改变磁电感应系数中的磁电阻，使通过线圈的磁通量周期性发生变化从而得到感应电势，该电动势再通过放大整形电路以脉冲信号的形式输出。3.5 电磁阀驱动电路在本次设计中，智能热量表还可以根据用户的设定来控制室内温度，通过电磁阀的通断来控制水流的通断。当温度高于用户设定的室内温度时，单片机就会发出一个电平信号，控制电磁阀关闭，若温度低于用户的设定时电磁阀就打开，当所测温度在用户设定的温度范围内，电磁阀就
21、不动作。此次设计中采用了 FD-09B 电磁阀，它的工作电压是 4.5V,可以同单片机共用一个电源，通常电磁阀处于常开状态，在工作时只需要单片机发出一个驱动电平就可以工作，电磁阀的驱动电路如图 3.9 所示。图 3.9 中，器件 U1 为光电耦合器，当三极管输入为高电平时，光电耦合器的输入端接通，输出端也导通，电磁阀 VALVE 两端就会加上 4.5V 的电压，使电磁阀关闭。当反相器输入为低电平时，继电器的输入端没有电流通过，输出端不导通，此时电磁阀在弹簧的作用下变为打开状态。3.6 显示电路设计在智能热量表中，还需要有显示模块，用来显示热量、温度、流量等参数。在单片机系统中，显示是人机通道的
22、重要组成部分。本系统所用的是能显示特殊字符的 1602 LCD 显示器。由于要显示温湿度特殊字符，因此选用 LCD 显示器是比较方便的，而且它们的功耗极低，被广泛运用于各种便携式仪表或低功耗显示设备中 10。我在此单片机系统中采用的是有背光的 1602 液晶显示器，在夜晚也能看到显示屏上的温湿度数据，方便了在各种条件下的使用。3.6.1 1602 模块介绍1602 液晶显示器是目前工业控制系统中使用最广泛的液晶显示器之一。1602 驱动方便，经编码后内容显示多样化。因此选用 1602 是一个不错的方案。由于 1602 应用十分广泛，因此，各个液晶厂家几乎提供同样规格的 1602 液晶模块。尽管
23、各个厂家对各自生产的液晶显示器命名不同，但 1602 液晶显示模块的特性是基本一样的。3.6.2 1602 结构及引脚介绍如下图 3-19 便是一般的 LCD1602 模块的结构和尺寸图。在本系统中使用的是底部有 LED 背光的 1602 显示模块。在使用此液晶模块时也比较方便，只需液晶显示器上的一排端口直接与单片机对应连接即可，无需另加驱动电路。图 3-19 1602 尺寸图1602LCD 模块的引脚说明如下表所示 11：表 3-2 1602LCD 模块的引脚说明编号 符号 引脚解释 编号 符号 引脚解释1 VSS 电源地引脚 9 D2 数据传输引脚2 VDD 电源正极引脚 10 D3 数据
24、传输引脚3 VL 液晶显示的偏压信号 11 D4 数据传输引脚4 RS 数据/命令选择引脚 12 D5 数据传输引脚5 R/W 读/写选择引脚 13 D6 数据传输引脚6 E 使能信号引脚 14 D7 数据传输引脚7 D0 数据传输引脚 15 BLA 背光源的正极引脚8 D1 数据传输引脚 16 BLK 背光源的负极引脚3.6.3 液晶显示器 1602 的接口设计在此温湿度控制系统中，液晶显示器 1602 要实时显示测量的温湿度数据，以及显示温湿度上下限。1602 以其功耗小，显示灵活方便备受广大开发者的青睐，本次设计所用的 1602 是字符型液晶，显示容量为 2 行 16 列。如图 3-20
25、 所示，为 1602 模块与单片机 STC89C52 的连接示意图。1602 的 1 引脚 VSS 接电源地。2 引脚 VDD 接+5V 电源。3 引脚 VL 是液晶显示偏压信号，它接在电阻R9 和 R10 的中间， R9 上接电源地，R10 下接+5V 电源，R9 电阻为 1K，R10电阻为 10K，也就是通过电阻 R9 与 R10 的分压得到 3 引脚的偏压信号。4 引脚RS 为数据 /命令选择端，与单片机的 P2.7 引脚连接，通过改变 4 引脚的高低电平来实现数据、指令或状态字的读写。5 引脚 R/W 是读写选择端，通过此端口来实现读操作还是写操作，它与单片机的 P2.6 相连。 6
26、引脚 E 为使能端，与单片机的 P2.5 连接。 714 引脚为数据传输端口，分别与单片机的 P0.0P0.7 连接。15、16 引脚为 1602 背光源的正负极，15 接+5V 电源， 16 接电源地。图 3-20 液晶显示器与单片机的连接可见使用 1602 液晶显示器的接口电路比较简单，而且其显示内容多样化，能充分满足设计的要求。与 LED 显示器相比，他的显示效果好，抗干扰能力强。因此，采用 1602 显示器不失为一种有效的设计方法。模块的显示内容受按键 K2 的控制，每按一次按键，显示器就会显示不同的参数。3.7 电源模块3.8 按键电路3.9 通讯模块其管脚图见图 4-5MAX232
27、 接口电路。图 4-5 MAX232 接口电路我们选用的该芯片是美信公司专门为电脑的 RS-232 标准串口设计的能将TTL 电 平 转 换 成 232 电 平 。只要将待进行串行传输的设备的发送和接收端相应的接上，就可 与 电 脑 的 九 针 串 口 相 连 下 载 程 序 。单片机的串行口 TXD 及RXD 分别与 MAX232 芯片的第 10 脚 T2in 和第 9 脚 R2out，第 7 脚 T2out、第8 脚 R2in 分别接到 DB9 得第 2 脚和第 3 脚，MAX232 使用+5v 单电源供电,从而可以成为单片机和单片机之间、单片机和 PC 机串口之间的符合 RS232 串行接口电路。有条件的情况下可以实用 MAX232 的改进版 MAX2323 来代替。他们的区别在 MAX232 是 5V 电压供电的，而 MAX3232 是 5V 或 3.3V 电压供电的；MAX232 功耗较大，供电电压 5V 时，耗电 5mA；而 MAX3232 功耗较小，供电电压 5V 或 3.3V 时，耗电 0.3mA；MAX232 外接 4 个 1uF 电容，而MAX3232 外接 4 个 0.1uF 电容。3.10 报警模块参考文献【1】传感器及其应用实例/何希才，薛永毅编著.北京：机械工业出版社，2004.1
