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分布式管理控制式計(jì)熱表
長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)在熱水供暖上實(shí)行“小區(qū)式集體供暖”、按供熱面積結(jié)算，與用戶是否用熱無(wú)關(guān)。這種結(jié)算方式屬"包費(fèi)制"，一方面嚴(yán)重影響了供熱方供熱積極性，另一方面由于部分用戶缺乏節(jié)能意識(shí)，造成了資源浪費(fèi)。計(jì)熱表作為熱力公司向每一位用戶收費(fèi)的依據(jù)和手段，不僅已廣泛被用戶所接受，而且由于用熱量與費(fèi)用直接相關(guān)，加強(qiáng)了用戶的節(jié)能意識(shí)。目前計(jì)熱表的種類有很多，但多數(shù)都有著操作復(fù)雜、價(jià)格高等缺點(diǎn)。本文為大家介紹一種利用凌陽(yáng)公司的SPCE061A單片機(jī)設(shè)計(jì)出的一款新型的計(jì)熱表。該計(jì)熱表不僅將用熱實(shí)現(xiàn)了分戶式管理，而且用戶可對(duì)自家的各個(gè)房間分別控制；強(qiáng)大的語(yǔ)音發(fā)聲功能彌補(bǔ)了人機(jī)交互界面單調(diào)乏味的缺陷；另外具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。
“節(jié)能意味著節(jié)費(fèi)”本計(jì)熱表將工作時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)分為：上、下班時(shí)間、出差時(shí)間、假日時(shí)間以滿足不同情況的需求；計(jì)熱表實(shí)現(xiàn)“一控五”即一個(gè)計(jì)熱表控制五個(gè)房間；每個(gè)房間的溫度、控?zé)釙r(shí)間可分別設(shè)置；八位LCD可顯示熱量值、流量值、供水溫度、回水溫度、剩余費(fèi)用、累計(jì)工作時(shí)間等相關(guān)數(shù)據(jù)資料；語(yǔ)音播報(bào)各個(gè)房間的溫度、設(shè)置時(shí)間等；串行通訊實(shí)現(xiàn)集中抄表，方便管理。
1、 系統(tǒng)組成
如圖1.1中所示，我們可以發(fā)現(xiàn)本計(jì)熱表由計(jì)量、控制、顯示、低電壓保護(hù)等幾個(gè)部分組成。那么我們就針對(duì)不同的功能模塊的實(shí)現(xiàn)作以詳細(xì)的描述。
1.1 計(jì)量部分
總的來(lái)說(shuō)計(jì)熱表的計(jì)量包括熱量、費(fèi)用計(jì)算兩個(gè)部分。具體的計(jì)算公式如下：
Q=V*(ρ入*h入—ρ出*h出) (1)
其中：V為體積，ρ為水密度，h為焓值，Q為熱量
M=k*Q (2)
其中：k為熱量的單價(jià)，Q為熱量，M為費(fèi)用
水密度、焓值在已知溫度的情況下可通過(guò)查表獲得，那么計(jì)量實(shí)際上是檢測(cè)：進(jìn)、出水溫度，流量等。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，每隔20s進(jìn)行一次費(fèi)用、熱量計(jì)算。SPCE061A可支持7路A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換的速率最大可達(dá)到96k/s，轉(zhuǎn)換的結(jié)果為10位數(shù)據(jù)。在此設(shè)計(jì)中由于對(duì)進(jìn)、出水溫度精度要求較高，所以選用2個(gè)PT100。流量的檢測(cè)可轉(zhuǎn)化為計(jì)量流速計(jì)發(fā)送的脈沖數(shù)，（100個(gè)脈沖為0.001立方米）在本設(shè)計(jì)中，SPCE061A通過(guò)外部中斷EXT2來(lái)檢測(cè)流量，流速計(jì)每發(fā)送一個(gè)脈沖便產(chǎn)生一個(gè)方波脈沖作為外部中斷信號(hào)，通過(guò)計(jì)算進(jìn)入中斷的次數(shù)進(jìn)而計(jì)算出流量。SPCE061A內(nèi)部的兩個(gè)定時(shí)器有較寬的頻率選擇范圍，另外芯片內(nèi)部的時(shí)基發(fā)生器可提供更加豐富的定時(shí)/計(jì)數(shù)頻率。在設(shè)計(jì)中我們采用2Hz的定時(shí)頻率制作萬(wàn)年歷，20s的定時(shí)可以通過(guò)讀取萬(wàn)年歷的時(shí)間值獲得。每隔20s系統(tǒng)將IC卡中的費(fèi)用值刷新一次。
1.2 控制部分：
此計(jì)熱表控制部分包括：各時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置、各個(gè)房間溫度的設(shè)置、各個(gè)房間閥門的開關(guān)、語(yǔ)音輸出等。這些控制操作基本是通過(guò)遙控器來(lái)實(shí)現(xiàn)。SPCE061A對(duì)遙控信號(hào)的接收是以EXT1引入，每接收完一組數(shù)據(jù)后便進(jìn)行相應(yīng)的判斷、操作。設(shè)置時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)指設(shè)置上下班時(shí)間，出差時(shí)間，假日時(shí)間。設(shè)置完畢后，系統(tǒng)會(huì)按所設(shè)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行：在上班期間房間溫度保持在所設(shè)低溫，下班后房間溫度保持在所設(shè)高溫；出差期間房間溫度保持在所設(shè)低溫；假日時(shí)間房間溫度保持在所設(shè)高溫。同樣可設(shè)置各個(gè)房間溫度，值得注意的是房間溫度的底線必須大于4℃——防止管道結(jié)冰。SPCE061A內(nèi)置雙通道發(fā)聲器，每個(gè)DAC通道的輸出能力為3mA。D/A轉(zhuǎn)換的模擬量電流信號(hào)分別通過(guò)AUD1，AUD2管腳輸出。本設(shè)計(jì)中將其用于播報(bào)各個(gè)房間的溫度、所設(shè)的日期時(shí)間以及錯(cuò)誤提示。
1.3 顯示、按鍵操作：
此計(jì)熱表上設(shè)有一個(gè)手動(dòng)按鍵，通過(guò)按鍵可查詢：累計(jì)熱量值J、熱量、流量、累計(jì)流量、供水溫度、回水溫度、累計(jì)工作時(shí)間、剩余費(fèi)用等。在按鍵的同時(shí)LCD會(huì)有相關(guān)的數(shù)值顯示，用戶可從此讀出相關(guān)的信息。SPCE061A與LCD之間的通訊通過(guò)IO口來(lái)實(shí)現(xiàn)。
1.4 低電壓保護(hù)、低功耗：
SPCE061A內(nèi)置低電壓檢測(cè)模塊，當(dāng)系統(tǒng)電壓低于正常工作電壓底線時(shí)，為了防止系統(tǒng)程序運(yùn)行混亂，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。在系統(tǒng)復(fù)位前可將重要的數(shù)據(jù)信息保存到SPCE061A的FLASH中。系統(tǒng)再次上電運(yùn)行時(shí)將保存的數(shù)據(jù)讀出繼續(xù)參加運(yùn)算。SPCE061A的內(nèi)核采用CMOS制造工藝同時(shí)具有弱振、空閑等方式，極大的降低了功耗。此外SPCE061A通常會(huì)有工作和睡眠兩種狀態(tài)，在睡眠期間CPU停止運(yùn)行，此間系統(tǒng)的功耗約為2uA。當(dāng)然睡眠可以通過(guò)按鍵、中斷等喚醒。
2、 硬件設(shè)計(jì)
硬件結(jié)構(gòu)原理圖如2.1所示：主體部分采用SPCE061A，該芯片屬于16位機(jī)，芯片的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了SOC概念，內(nèi)嵌32K的FLASH的存儲(chǔ)空間，雙16位的計(jì)數(shù)器、定時(shí)器，14個(gè)中斷源，A/D、D/A轉(zhuǎn)換單元，32位可編程的多功能IO口，LVD/LVR等部分。SPCE061A在2.6v~3.6v的工作電壓范圍內(nèi)的工作速率范圍為0.32MHz~49.152MHz，較高的工作速率使其應(yīng)用領(lǐng)域極其寬廣。
系統(tǒng)用到7路溫度檢測(cè)，這7路模擬信號(hào)是通過(guò)IOA0~IOA6輸入到SPCE061A，通過(guò)SPCE061A自身的A/D轉(zhuǎn)換單元將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。其中2路用于計(jì)量，5路用于室溫檢測(cè)。根據(jù)不同的精度要求要求分別采用PT100，熱敏電阻。
LCD采用8位8段微功耗的液晶顯示模塊LCM0826B，它的顯示狀態(tài)功耗為4uA,省電模式下為1uA。SPCE061A通過(guò)IOA8~IOA10三個(gè)端口和LCD連接，其中IOA8用于片選，IOA9、IOA10分別為時(shí)鐘和數(shù)據(jù)接口。
IC卡采用AT24C01A，用于存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)。SPCE061A對(duì)IC卡的讀寫是通過(guò)IOB0、IOB1兩個(gè)端口來(lái)實(shí)現(xiàn)。
SPCE061A通過(guò)外接兩個(gè)CC4097實(shí)現(xiàn)對(duì)五個(gè)房間的電磁閥的控制。IOA13~IOA15的不同組合用于選擇不同的電磁閥；IOA11和IOA12用于輸出高低電平對(duì)所選電磁閥進(jìn)行控制；IOB11和IOB12是所選的電磁閥的狀態(tài)輸入口。
3、 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的工作流程如下圖3.1：
首先進(jìn)行的是故障檢測(cè)，在此期間主要檢測(cè)IC卡上金額是否大于0元，進(jìn)水溫度的檢測(cè)，出水溫度的檢測(cè)，進(jìn)、出水溫度的比較，流量檢測(cè)等。如果出現(xiàn)：卡上無(wú)錢，檢測(cè)不到進(jìn)、出水溫度，或進(jìn)水溫度小于出水溫度，檢測(cè)不到流量等問題系統(tǒng)都會(huì)有相關(guān)的錯(cuò)誤信息提示。有錯(cuò)，則關(guān)閉所有的閥門，不參加各種計(jì)量運(yùn)算；無(wú)錯(cuò)，按照選定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行閥門控制，接著進(jìn)行相關(guān)的計(jì)量。
按鍵掃描主要針對(duì)表上的手動(dòng)按鍵，如有按鍵操作，存儲(chǔ)按鍵次數(shù)，在按鍵處理部分根據(jù)該次數(shù)進(jìn)行相關(guān)的顯示，其中次數(shù)為0顯示累計(jì)熱量，次數(shù)為1顯示熱量，次數(shù)為2顯示流量，次數(shù)為3顯示累計(jì)流量，次數(shù)為4顯示入水溫度，次數(shù)為5顯示出水溫度，次數(shù)為6顯示累計(jì)工作時(shí)間，次數(shù)為7電源欠壓提示，次數(shù)為8顯示剩余費(fèi)用。30秒后無(wú)按鍵操作自動(dòng)恢復(fù)顯示累計(jì)熱量。
在遙控處理部分，用戶可以通過(guò)遙控器設(shè)置出差、假日、循環(huán)時(shí)間、各個(gè)房間的高低溫、即時(shí)控制各個(gè)房間的開關(guān)等。
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