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分布式管理控制式計熱表
長期以來，我國在熱水供暖上實行“小區(qū)式集體供暖”、按供熱面積結(jié)算，與用戶是否用熱無關(guān)。這種結(jié)算方式屬"包費制"，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，造成了資源浪費。計熱表作為熱力公司向每一位用戶收費的依據(jù)和手段，不僅已廣泛被用戶所接受，而且由于用熱量與費用直接相關(guān)，加強(qiáng)了用戶的節(jié)能意識。目前計熱表的種類有很多，但多數(shù)都有著操作復(fù)雜、價格高等缺點。本文為大家介紹一種利用凌陽公司的SPCE061A單片機(jī)設(shè)計出的一款新型的計熱表。該計熱表不僅將用熱實現(xiàn)了分戶式管理，而且用戶可對自家的各個房間分別控制；強(qiáng)大的語音發(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)簡單，易于操作，性價比高等優(yōu)點。
“節(jié)能意味著節(jié)費”本計熱表將工作時間標(biāo)準(zhǔn)分為：上、下班時間、出差時間、假日時間以滿足不同情況的需求；計熱表實現(xiàn)“一控五”即一個計熱表控制五個房間；每個房間的溫度、控?zé)釙r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、剩余費用、累計工作時間等相關(guān)數(shù)據(jù)資料；語音播報各個房間的溫度、設(shè)置時間等；串行通訊實現(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)本計熱表由計量、控制、顯示、低電壓保護(hù)等幾個部分組成。那么我們就針對不同的功能模塊的實現(xiàn)作以詳細(xì)的描述。
1.1 計量部分
總的來說計熱表的計量包括熱量、費用計算兩個部分。具體的計算公式如下：
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，Q為熱量，M為費用
水密度、焓值在已知溫度的情況下可通過查表獲得，那么計量實際上是檢測：進(jìn)、出水溫度，流量等。在實際設(shè)計中，每隔20s進(jìn)行一次費用、熱量計算。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)計中由于對進(jìn)、出水溫度精度要求較高，所以選用2個PT100。流量的檢測可轉(zhuǎn)化為計量流速計發(fā)送的脈沖數(shù)，（100個脈沖為0.001立方米）在本設(shè)計中，SPCE061A通過外部中斷EXT2來檢測流量，流速計每發(fā)送一個脈沖便產(chǎn)生一個方波脈沖作為外部中斷信號，通過計算進(jìn)入中斷的次數(shù)進(jìn)而計算出流量。SPCE061A內(nèi)部的兩個定時器有較寬的頻率選擇范圍，另外芯片內(nèi)部的時基發(fā)生器可提供更加豐富的定時/計數(shù)頻率。在設(shè)計中我們采用2Hz的定時頻率制作萬年歷，20s的定時可以通過讀取萬年歷的時間值獲得。每隔20s系統(tǒng)將IC卡中的費用值刷新一次。
1.2 控制部分：
此計熱表控制部分包括：各時間標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置、各個房間溫度的設(shè)置、各個房間閥門的開關(guān)、語音輸出等。這些控制操作基本是通過遙控器來實現(xiàn)。SPCE061A對遙控信號的接收是以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)置時間標(biāo)準(zhǔn)指設(shè)置上下班時間，出差時間，假日時間。設(shè)置完畢后，系統(tǒng)會按所設(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；假日時間房間溫度保持在所設(shè)高溫。同樣可設(shè)置各個房間溫度，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DAC通道的輸出能力為3mA。D/A轉(zhuǎn)換的模擬量電流信號分別通過AUD1，AUD2管腳輸出。本設(shè)計中將其用于播報各個房間的溫度、所設(shè)的日期時間以及錯誤提示。
1.3 顯示、按鍵操作：
此計熱表上設(shè)有一個手動按鍵，通過按鍵可查詢：累計熱量值J、熱量、流量、累計流量、供水溫度、回水溫度、累計工作時間、剩余費用等。在按鍵的同時LCD會有相關(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IO口來實現(xiàn)。
1.4 低電壓保護(hù)、低功耗：
SPCE061A內(nèi)置低電壓檢測模塊，當(dāng)系統(tǒng)電壓低于正常工作電壓底線時，為了防止系統(tǒng)程序運(yùn)行混亂，系統(tǒng)自動復(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制造工藝同時具有弱振、空閑等方式，極大的降低了功耗。此外SPCE061A通常會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)然睡眠可以通過按鍵、中斷等喚醒。
2、 硬件設(shè)計
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)計體現(xiàn)了SOC概念，內(nèi)嵌32K的FLASH的存儲空間，雙16位的計數(shù)器、定時器，14個中斷源，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，這7路模擬信號是通過IOA0~IOA6輸入到SPCE061A，通過SPCE061A自身的A/D轉(zhuǎn)換單元將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。其中2路用于計量，5路用于室溫檢測。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IOA8~IOA10三個端口和LCD連接，其中IOA8用于片選，IOA9、IOA10分別為時鐘和數(shù)據(jù)接口。
IC卡采用AT24C01A，用于存儲相關(guān)數(shù)據(jù)。SPCE061A對IC卡的讀寫是通過IOB0、IOB1兩個端口來實現(xiàn)。
SPCE061A通過外接兩個CC4097實現(xiàn)對五個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
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，在此期間主要檢測IC卡上金額是否大于0元，進(jìn)水溫度的檢測，出水溫度的檢測，進(jìn)、出水溫度的比較，流量檢測等。如果出現(xiàn)：卡上無錢，檢測不到進(jìn)、出水溫度，或進(jìn)水溫度小于出水溫度，檢測不到流量等問題系統(tǒng)都會有相關(guān)的錯誤信息提示。有錯，則關(guān)閉所有的閥門，不參加各種計量運(yùn)算；無錯，按照選定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行閥門控制，接著進(jìn)行相關(guān)的計量。
按鍵掃描主要針對表上的手動按鍵，如有按鍵操作，存儲按鍵次數(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顯示累計工作時間，次數(shù)為7電源欠壓提示，次數(shù)為8顯示剩余費用。30秒后無按鍵操作自動恢復(fù)顯示累計熱量。
在遙控處理部分，用戶可以通過遙控器設(shè)置出差、假日、循環(huán)時間、各個房間的高低溫、即時控制各個房間的開關(guān)等。
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