1 引言 

    多年以來，集中供熱，統一收費給供熱部門和用戶都帶來了很大的不便，而且也造成很大的浪費。本文設計的IC 卡熱量表的分戶計量可以解決雙方的麻煩，采用預付費使得供熱部門方便收費，用戶也可以根據自己的需要調整暖氣的水流量，甚至在不需要的時候關掉暖氣，節約費用。本文主要介紹了IC 卡熱量表的工作原理及主要模塊。

2 熱量表的工作原理 

2.1 熱量表工作原理圖：

圖1 IC 卡熱量表工作原理圖

    該熱量表主要由計算器、溫度傳感器和流量傳感器三部分組成。其中計算器則是由模數轉換電路、微處理器及顯示器三部分組成，模數轉換的功能是把溫度傳感器測量的溫度（模擬信號）轉換成微處理器能夠處理的數字信號；微處理器則是對接收的流量傳感器和經模數轉換后的溫度的信號進行處理；顯示器的功能則是把測得的以及計算得到的數據顯示出來。如圖1 所示。 

2.2 熱量表的計量原理 

    根據流量傳感器給出的流量和配對溫度傳感器給出的供回水溫度，以及水流經的時間，通過計算器計算出系統所釋放或吸收的熱量。其基本公式：

    由上式可知，要計算出指定時間內水釋放或吸收的熱量，就必需知道流經的水的質量流量（或體積流量）、流經的水的密度，以及熱量交換系統的入口和出口溫度下，水的焓值差。單位時間內熱量的計算，則至少要知道入水口與出水口的溫度和體積流量。要得到一定時間內系統釋放或吸收的熱量，只要對時間做積分就可得到。把得到的參數（包括測量得到的和計算得到的）通過LCD 按要求顯示出來。如：入水口溫度、出水口溫度、流量、熱量、累積流量、累積工作時間等的參數。 

    水的密度與溫度和壓力都有關系，在預知水的壓力前提下，查對應的水密度表。 

    入出水口溫度是用鉑熱電阻Pt1000 溫度傳感器測量得到的；流量的測量是用流量傳器測量得到的。

3 溫度傳感器 

    配對溫度傳感器選用經過精密配對的Pt1000 鉑熱電阻，測量溫度在0--850℃時，溫度與其阻值的滿足關系式：

    測傳感器的阻值，求得對應的溫度時，可以通過以下方法；先求得上述函數的反函數：

    其中a、b 可以通過兩點標定法得到。經計算得到上式中。


4 計算器 

4.1 A/D 轉換器字長的確定 

    按照要求，常溫型熱量表的工作條件為：在壓力小于1.6MPa 時，溫度范圍為4--95℃。熱量表被測溫度值要求顯示到百分位，即0.01℃；精確到十分位，即0.1℃。從溫度傳感器的選擇中，我們可以知道0--100℃的溫度范圍,對應的鉑熱電阻的阻值變化范圍是1000～1385 歐姆。對選用差分輸入的ADC 電路只要對該電阻兩端的電壓變化量ΔVPt 進行ΔVPt×1/1000 量化，即可滿足系統要求。

    假設電流源是200μA，鉑熱電阻兩端的電壓變化量ΔVPt=77mV；最小值為200mV；最大值為277mV。 

    根據前面計算公式可得到，ADC 轉換器件的最小字長(精確度)為11.8 位（二進制數）。要保證此精度，在數值轉換和計算時至少需要一位估計的十進制數作保證，用二進制數表示則需四位。故ADC 器件的字長不應少于15.8 位。實際應用中字長大于12 位的ADC 器件，均存在丟碼等現象。為此，選用更高分辨率的ADC 器件，本方案采用24 位。 

4.2 微處理器字長的確定 

微處理器字長的選用依據： 

    （1）量化誤差：有限位字長會影響ADC 的量化誤差；理論上講微處理的字長越長，量化誤差越小，信噪比越高。
    （2）與ADC 電路的字長有關：微處理器的字長

    （3）系統輸入信號的動態范圍：本系統的輸入信號最小值是200mV、最大值是277mV。


    由此可知一般微處理器的字長都能滿足要求。 

    綜合以上幾個要求。兼顧功耗、價格等因素，又考慮到該系統對計算的實時性要求不高，所以微處理器字長確定為16 位。對于計算精度不夠的缺陷采用改變數據類型的辦法加以補償。如數據類型采用浮點型。 

4.3 顯示部分 

    本方案采用LCD 顯示，這部分比較簡單。主要顯示以下內容：進水溫度(℃)、出水溫度(℃)、溫差(℃)、積累流量（m3）、熱量（kW.h 或MW.h）、熱量（MJ 或GJ）、瞬時流量（m3/h）、供熱時間（h）、電池欠壓等。

5 軟件部分 

    作為使用微處理器的智能系統，硬件系統的性能必須有與之相配合的軟件才能使其達到設計的要求。限于篇幅，本文不再介紹。

6 本方案中特別注意的問題 

    （1）在硬件設計和電路制作上應注意： ADC 電路在PCB 板設計中整個電路的接地；模擬信號與數字信號的隔離；恒流源的穩定性。
    （2）傳感器信號的輸入和處理電路。這部分電路需要滿足信號的輸入、調理和放大以及抗干擾的能力。同時在電路的設計中還要兼顧放大倍數與放大器的穩定性這兩方面的問題。信號的變換時，為了能將采集到的信號輸入單片機進行信號的處理和輸出顯示，必須將從RTD 處采集到的模擬信號變換為數字信號。
    （3）低功耗。作為一種消費型的計算儀表，一個簡單的使用要求是必需的，首當其沖的是功耗。
    （4）ADC 電路的所有電源供電端（V+，V-和數字電源VCC）和基準電壓端都應該分別并聯一個0.1uF 和一個等效串聯電阻較低的電容（容值介于4.7uF 至100uF 之間，推薦使用鉭電容）；
    （5）如果模擬和數字電源共用，則最好對數字電源進行濾波（模擬電源經RC 低通濾波后接至數字電源，R 可取幾歐姆至幾十歐姆，C 取幾μF 至上百μF），盡量減小數字電源產生的影響；
    （6）避免數字信號和模擬信號平行布線，如果無法避免，則應該在它們之間用地線隔離；
    （7）A/D 轉換器的數字地和模擬地應該在本地一點接地后，直接連至電源的地線輸入端，其它數字信號的地不要在其中間接入，而也應該直接連至電源的地線輸入端。 

參考文獻：
[1] 姚天任，孫洪． 現代數字信號處理[M]．武漢：華中科技大學出版社．1999（6），P5471，P137149．
[2]康華光，陳大欽．電子技術基礎（模擬部分）［Ｍ］．北京：高等教育出版社． 1998(8)，P397415

作者簡介：
彭會萍：（1971）， 女，講師，主要從事電子技術和信號處理方面的教學與科研。
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