0 引言
城市供暖是基础设施，居民正常过冬的供暖问题关乎百姓生活[1]。按供热面积收费，不利于节能，易造成资源的浪费[2]；安装热量表及调节设备，并实施按表计量收费的工作己经成为当前供暖行业的关注热点。热量表是用于对集中供热系统中的热量分户进行计量的仪表，主要由进水和回水温度传感器、积分器、流量计等部分构成。该表安装在用户的进水和出水管上。热量表根据测量到的热水进出温度差、水流量以及供热时间，计算出采暖设备散发的热量值，并将其显示出来。
随着集中采暖按热量计费的相应技术的发展，整个采暖热量计费装置向小型化、计算机化发展[3]。
本文所设计的热量表，不但实现了基本的热量计量，同时，还利用出水和进水的流量监控（若流量不平衡，单片机系统将发出报警信号），通过电磁阀对热水流量以及对用户违章用热水或用户房间漏水等进行控制。
1 热量表的系统原理
热量表由流量传感器、配对温度传感器、计算显示和控制这三部分组成。热量表的主要任务是通过测量流过供暖设备的热水体积、进水温度、回水温度来测量耗热量[4]。
电磁阀对热水流量起控制作用，并对用户违章使用供热水，或者由其他原因引起的突然失水进行控制等，使供热可靠，从而节约水资源。热量表的设计原理如图1所示。
图1 热量表原理图
热量表可以实现以下功能：显示功能，液晶屏依次显示“累计用热”等其他提示性符号；提示功能，电源电压不足或误操作时，热量表会报警提示；记忆功能，热量表中信息自行记忆，保持时间大于10年；防窃功能，发生偷用水时，热量表会自动关闭并报警；自检功能，不论使用与否，热量表会定期进行自我检测，以防电磁阀生锈，如有故障则报警提示；低功耗功能，系统设置低功耗模式，当系统无操作（包括热水循环、显示等）时，MCU的工作方式设置为STOP状态。热量表的主要参数如表1所示。
在热交换系统中，当水流经系统时，根据热量表中流量传感器给出的流量和配对温度传感器给出的供回水温度，以及水流经的时间，通过计算器可计算并显示该系统所释放或吸收的热量。
按照中华人民共和国城镇建设行业标准《热量表》CJ1282000及欧洲标准EN1434HeatMeters，热量计算公式如下：
（1）
式中：Q为释放或吸收的热量，J或K；qm为流经热量表的水的质量流量，kg/h；qv为流经热量表的水的体积流量，m3/h；ρ为流经热量表的水的密度，kg/m3；Δh为在热交换系统的入口和出口温度下水的焓值差，J/kg；t为时间，h。
2 热量表的软件设计
热量表的软件所要完成的主要功能包括设置系统初始状态、校准系统、温度测量、流量测量、热量计算、日历和信息显示。
主程序包括监控程序和初始化子程序2个程序。即系统初始化结束后，程序进入主循环，并开启中断。中断服务子程序包括A/D转换中断处理、时钟中断处理程序、数据处理中断程序等；然后显示所处理的结果；最后程序进入等待模式等待中断唤醒。主程序流程图如图2所示。
图2 主程序流程图
3 热量表的硬件设计
热量表主要由流量传感器、配对温度传感器、单片机及LCD组成。根据系统设计整体要求，按模块化的电路设计思想，本热量表的硬件系统以单片机为核心，包含数个外围功能电路，其硬件逻辑框图如图3所示。
图3 热量表硬件逻辑框图
温度采集模块的作用是实时采集供回水温度，并将信号放大后送到MCU的A/D转换端口。采用Pt100铂电阻作为温度传感器，实时采集温度信号。流量采集模块用来产生计量脉冲信号。当出现一个计量脉冲信号时，表示有10L热水流过。流量传感器安装在管路系统上。关于流量测量方面，用超生波流量测量方式比较昂贵[5]。本文采用LWY智能涡轮流量计作为热量表流量采集部分的传感器。电源部分是用电池分别提供5V和9V电压，分别给测温放大电路和阀门驱动电路供电，并经稳压后给控制部分供电。LCD显示模块用于显示数据和错误提示符号。由于阀门电机转动时电流比较大，所以专门设计一个阀门驱动电路来完成阀门的驱动。控制部分只要给出电平信号即可，同时，驱动电路给出一个电平信号，以表示阀门的状态，从而确定阀门是否处于打开、关闭或异常的状态。报警电路是指当电源电压不足、误操作、或违规用水发生时，单片机系统将发出报警信号，热量表会报警提示。单片机控制部分，采用Atmel公司推出的AT89S52型单片机来完成整个系统的正常工作。
4 温度采集电路
热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这部分电阻是未知的且随环境温度变化，易造成测量误差。为了消除连接导线电阻引起的测量误差，热电阻采用三线制接法，即将其中的一根导线接到电桥电源端，其余两根分别接到热电阻所在桥臂及与其相邻的桥臂上，从而消除了导线的测量误差。温度采集电路如图4所示。
图4 温度采集电路图
当取R3=R4=R时，由V01、V02两端输出的电压可计算出输入A/D转换的端口的电压为[6]：
（2）
式中：Rt为引线电阻；Vc为2DW234的电压，5.6V。
经过电路分析可知，A/D转换码n（0~255）与输入比较电压的对应关系式为[7]：
（3）
不仅铂电阻与温度的对应关系是非线性的，而且测温电桥也存在非线性因素，所以，放大电路也存在一定的非线性失真。本设计通过实验测量得出VN与温度的关系，从而建立温度与n的对应关系[8]。
从0~120°C布点测试，每隔10°C测量一次，用描点法作出n与温度的关系kΩ曲线，并采用最小二乘法拟合曲线建立数学模型。电磁阀驱动电路如图5所示。
图5 电磁阀驱动电路
图5中：Open和Close为输入端；Recheck为电压反向检测端。
当Open和Close均为低电平时，电磁阀不打开，此时Recheck端为低电平。
当MCU发出Open信号时，Open输入端为高电平，Q1、Q3、Q5导通，电磁阀正向供电，阀门打开。此时，若Recheck端为高电平，电磁阀处于正常打开过程；若Recheck端为低电平，表示电磁阀已经打开。同时，MCU反复检测信号，以判断电磁阀状态以及是否断开Open信号。
当MCU发出Close信号时，Close输入端为高电平，Q2、Q4、Q6导通，电磁阀反向供电，阀门关闭。此时，如果Recheck端为高电平，电磁阀处于正常关闭过程；如果Recheck端为低电平，表示电磁阀已经关闭。同时，MCU反复检测信号，以判断电磁阀状态以及是否断开Close信号。
5 结束语
针对精确计量供热量需要节约用水的要求，本文基于单片机AT89S52，研制了一套以热水为热量载体的数字式热量表，基本实现了最初的设计目标，即利用流量传感器测量热水流量、温度传感器测量进回水温度以及热量的计算并显示等。
文章主要从热量表的硬件与软件两个方面系统介绍了热量表的设计过程，其硬件方面包括硬件的选择以及电路的设计，实现了系统软件的总体设计，达到节水的目的。
参考文献
[1]李秀.对城市集中供热推行热量计的认识[C]∋供热分户控制及计量技术专题研讨会论文集，2001：10.
[2]徐忠堂.城市供热收费难的根本出路在于改革[C]∋供热分户控制及计量技术专题研讨会论文集，2001：50.
[3]CarlsonR.UtilizingsmartcardsandPKItechnologytosolveEbusinesssecurityissues[J]，ComputerJoura.l1992，35（1）：21-29.
[4]GoettlingDR.HeatemissionratesofhydroNIcterminalelementsandtheirrelationshiptoheatingcostallocationdevices[J].AshraeTransaction.1993（103）：888-898.
[5]VontzT，MagoriV.Anultrasonicflowmeterforindustrialapplicationsusingahelicalsoundpath[J].IEEEUltrasonicsSymposium，1996（2）：1047-1050.
[6]王章权.提高铂电阻测温线性度的方法[J].浙江树人大学学报：自然科学版，2004，4（1）：76-78.
[7]陈杰，黄鸿.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2002：179-185.
[8]汪珺.一种铂电阻的高精度温度测量系统[J].电了测量，2004（4）：12-13.
