012电子式热分配表的研究与开发

电子式热分配表的研究与开发天津大学娄承芝；中国市政工程华北设计研究总院安捷;北京华仪乐业有限公司何明豹摘要：近年来，随着供热技术的发展及对建筑节能要求的提高，供热计量技术的发展成为一种必然趋势。本课题为建设部纵向课题之一，该课题以目前国内外电子式热分配表研发成果为基础，结合热学的理论分析，以MSP430F4xx型单片机芯片为核心，无论是从硬件选择还是软件设计方面，都紧密围绕低能耗、低成本，展开设计和研制，有效地解决了电子式热分配表中A/D转换电路测量温度进行热量计算、FLASH闪存储存数据、LCD显示数据、红外和射频无线传输数据等核心技术问题，并且进行了热分配表的相关性能实验。实验及运行结果表明，该电子式热分配表的硬件及软件设计及其使用情况很好地达到了相关标准要求。关键词：电子式热分配表；MSP430F4xx；供热计量；低功耗1引言在过去相当长的一段时期内，中国城市集中供热一直实行供暖包费制。这一制度的存在，一面造成节能意识淡薄，浪费资源；一面激化产、供、需三方的矛盾。要改变这一现状就必须进行结算方式的改革，打破传统的供暖包费制，采用集中供热按户计量收费制度。目前，欧美国家按户计量热量使用的方法中部分通过热分配表测定用户散热设备的散热量来确定用户的用热量。热分配表常用的有蒸发式和电子式两种。近几年来，我国在北京、天津、哈尔滨等地相继在建立适合热量计量的供热系统以及热量计量方法方面做了一些示范工程，取得一定的成效。欧洲标准委员会于1994年11月公布了EN834电子式热分配表标准。为减少按户计量的仪表投资，国内已开始电子式热分配表进行研究和开发。电子式热分配表具有下列特点：计量较准确，使用较方便，价格比热量表低，并且可在户外读数，由于使用的是电信号，还可远距离传输与计算机和通讯网络连接。这类仪表近年来在欧美逐渐兴起，已有取代蒸发式热分配表而成为集中供暖按户计量主导仪表的趋势。2工作原理电子式热分配表由温度传感器获得散热器表面温度和室内温度的实时值，通过A/D转换器使得温度信号数字化，送到CPU进行数据处理，计算实时温度及散热器散热量，可直接得到每一户所消耗热量的累积值，并设有存储功能和液晶显示，用于数据的存储和显示。同时由于使用的是电信号，可通过抄表器在户外抄取所需数据，还可远距离传输与计算机和通讯网络连接。电子式热分配表的供热计量的原理是基于传热学理论，散热量与温差的关系为非线性关系，可根据散热器的表面温度与室内空气温度之差，计算出散热量。目前，我国绝大多数供暖住宅普遍采用上进下出的单管或混合单双管热水采暖系统。对于这类传统的采暖系统，宜于在各组散热器上设置分配表，结合设于楼口的热量总表的总用热量数据，就可以得出各组散热器的散热分配量。其中，我国电子式热分配表标准的制定结合了我国电子式热分配表研制、生产和使用情况，并参照了欧盟标准《确定室内散热器热消耗量的热分配表—有电源》EN834中的主要内容，适用于热水的采暖热计量系统中确定房间对流式散热器热消耗量的电子式热分配表，不适用于地板辐射、天花板辐射、带风扇散热器等热水采暖系统。3设计要点3.1开发手段本课题所开发的电子式热分配表项目作为实际科研项目，故在其满足各方面性能要求的基础上，低成本的电子元器件值得我们特别关注。此外，该热分配表需靠电池供电，如何降低其各项功能使用的功耗，以延长使用寿命成为开发技术的一个核心问题。基于以上考虑，我们选用TI公司的MSP430F4xx超低耗单片机作为主控芯片，在硬件电路设计时使用Protel，选用IAR公司的EmbeddedWorkbench对单片机进行开发，用JTAG调试器进行调试。3.2元器件的选择3.2.1电源的选择由于热分配表直接安装在住户的散热器上，市电为220V电压存在安全隐患，不能将电源的控制端交由用户控制，且热分配表采用市电无断电保护措施，断电后会造成数据丢失，应该选用3.6V锂电池供电，同时在整个系统的设计时就要考虑到系统的低功耗的问题。3.2.2液晶显示器的选择针对MSP430F4xx芯片，它内置LCD驱动器24×4段，驱动电压1.8V~3.6V，可缩小体积、降低成本，在休眠模式下典型电流仅为0.7μA。根据使用情况，液晶显示器选用自己设计加工的LCD，并充分考虑到电子式热分配表所需液晶板体积小，热惰性小的问题。其全屏显示效果图如图1所示。图1液晶板全屏显示效果图3.2.3温度传感器的选择本文选用的热敏电阻是NTC热敏电阻。实验表明，在工作温度范围内，NTC热敏电阻的电阻-温度特性可近似用实验公式表示。3.3主程序设计该电子式热分配表需要实现温度的采集、热量计算、显示、红外传输、无线远传等功能，其主程序是一个循环处理，累加计算的过程。程序主流程设计见图2。在这个循环过程中断按照一定的机制调用各个功能模块，实现不同的功能，这些模块可分为：进入主程序进行系统初始化设置LCD液晶板各段进行自检开机自动发送当前数据判断当前FLASH数据读取位置计算当前热量显示去年热量通讯上传数据2次进入低功耗模式显示今年热量红外通讯传送数据进入低功耗模式定时中断入口上传数据？YＮ测量温度？Y温度测量，计算热量Ｎ图2程序主流程设计图3.3.1系统的初始化模块设计系统的初始化模块设计主要包括系统的时钟初始化、端口初始化、LCD初始化以及LCD自检的设计。3.3.2FLASH闪存模块MSP430F4xx具有8k超低功耗Flash存储器，在待机时的功耗低于800nA,从待机到启动只需要6us的时间。在工作状态下,其功耗低于250uA/MIP。该存储器主要用作程序代码、数据表格以及用户信息等的存储，可多次擦除和写入数据，也可在系统写入或在应用写入。写入和擦除方式可以是通过JTAG接口，也可以是用户调用芯片内的驻留软件来实现。3.3.3温度测量及热量计算处理模块该模块主要用于热敏电阻的温度测量，通过公式进行散热器热量计算，是电子式热分配表设计的核心部分。MSP430F4xx型芯片，片内含模拟比较器和定时器等模块，利用单片机本身集成的模块采用电容充放电的原理进行A/D转换，将转换的结果存放到转换存储寄存器中。通过计数器对通过已知电阻、被测电阻的电容充放电时间进行测量以及已知电阻的阻值来测定，计算被测电阻的阻值。根据热敏电阻NTC的温度阻值特性公式计算求得被测电阻实时温度。其温度测量特性公式（1）为0Pt0tTB)/Rlog(RT(1)将测得的被测电阻阻值代人上式中，计算求得对应点测量温度sensT。根据传热学理论依据，电子式热分配表测量散热器热量计算分为单点热量计算和双点热量计算，程序中根据实测的数据情况自动转单点或双点的换热量计算方式，一适应在有暖气罩等遮挡严重情况下产生的误差。在温度测量过程中，测量电阻充放电时间精度为其关键，其程序流程图如图3所示。开始测量充放电时间设置比较器引脚初始化比较器A将已知电阻，被测电阻对应引脚置为高电平，输出状态将电阻对应引脚置输出地电平测量放电时间设置各种引脚状态设置计数器将电阻对应引脚置为高电平，设置为输入状态，测量脉冲长度返回测量电阻放电时间图3A/D转换测量电阻程序流程图3.3.4LCD显示模块LCD从0—9的显示段码，此段码通过真值表得到。其中引脚COM0、COM1、COM2、COM3为液晶显示模块的公共端；PIN1～PIN18~液晶显示模块的管脚。3.3.5定时中断模块设计为了降低LCD液晶板在使用时的电量耗损，设计提出液晶显示器间歇式数字轮流显示的方案，即通过MSP430F4xx自带的定时计数器，每隔一秒产生一次中断，进行时间计数累加，每隔一分钟唤醒进行一次数据的轮流显示，其他时间LCD处于休眠状态。LCD显示数据时耗电为12μA，而液晶板无数据显示的休眠状态时，耗电仅为0.6μA。3.3.6红外传输模块本课题使用了Timer_A产生红外发射数据波形，选择辅助时钟ACLK作为Timer_A的时钟源；管脚P1.0／TA0作为输出口，直接驱动红外LED发射红外脉冲信号；利用红外接收三极管接收红外信号。经接收红外的数据通过P1.1输入CPU，引脚P6.7为该模块进行供电。同时，定时器A采用了增计数模式。在数据发送过程中，该系统自定义了一种数据通讯协议，其数据传输方式为半双工通信方式。红外传输的数据通信速率为1200bps。采用了数据加密方式并有数据的校验和进行数据的校核。红外通讯有如下功能：用手持设备通过红外查询热表的参数：可以得到：当前时间、当前温度值、计算求得的当前热量值、去年的保存数据、前年的保存数据、表号；定时上传参数设置等。用手持设备通过红外查询或设置热表的参数：注册表地址、热量计算时所需所有修正及设置参数的数值。用手持设备通过红外用于注册集抄器的调试：手持机对热分配表发送指令，热分配表向集抄器发送注册请求；集中器响应热分配表注册请求；分配地址及上传时间的设置参数，热分配表响应集中器的设置。3.3.7无线通讯模块，其程序流程图如图4所示。热分配表发送无线注册数据；发送红外命令字头赋值需发送的数据发送数据CC1100置成等待模式CC1100置成接收模式接收数据数据有效？设置时钟，并保存数据退出该子程序NY图4无线通信模块流程图其中，发送的数据包括：传输数据长度、当前时间、测量当前温度值、计算求得的当前热量值、去年的保存数据、前年的保存数据、表号、效验位数值和停止位数值。4四、电子式热分配表的测量及实验分析对电子式热分配表进行相关性能实验，其目的有四：1.检验热分配表内的温度测点是否能反映其热工性能；2.检验各测温点的温度分布是否符合正确规律；3.对电子式热分配表应用过程中可能出现的现象进行模拟；4.对电子式热分配表与散热器耦合系数进行计算。这些实验都需要在散热器性能标准试验台上进行试验测量。该标准试验台参照国家标准建造，为了精确、高效地完成电子式热分配表的测试，采用VB编程语言开发了测试系统软件。在这里，我们引入电子式热分配表的性能评价因子C值，它表示测量电子式热分配表温度传感器的温度和散热器热媒平均温度间的热耦合程度的数值，用公式（2）表示为：msttC1(2)式中，st―散热器温度传感器的温度和室温的差值，mt―热媒过热温度，℃。《中华人民共和国城镇建设行业标准》中规定：在基准状态下，单传感器电子式热分配表的C值应小于或等于0.4；双传感器电子式热分配表的C值应小于或等于0.72。在同一状态下，各电子式热分配表的C值间的差值应小于或等于0.02。电子式热分配表安装位置、测点位置以及基准状态在该标准中做出规定。本课题在散热器标准试验台上以具有无线远传功能和不具有无线远传功能的电子式热分配表为例分别在3组散热器上进行测试，分别测出散热器与电子式热分配表的耦合性系数C值。这三种散热器的类型为：铸铁散热器、柱形散热器、760型散热器。以55℃测试工况为例，在测试条件相同的条件下，测试结果如表1所示：表155℃工况下热分配表性能评价因子C值测试结果散热器类型传感器类型无线远传电子式热分配表不具有无线远传电子式热分配表铸铁散热器双传感器0.487320.496109单传感器0.146550.175901柱形散热器双传感器0.505510.571255单传感器0.166370.16334760散热器双传感器0.424080.4391单传感器0.182590.176074可知，在相同工况下，对于不同类型散热器，测得电子式热分配表的性能评价因子C值有所不同，并且对于同类型散热器，测得相同电子式热分配表双传感器和单传感器的C值也不相同，故电子式热分配表安装在不同种类散热器之前，需对性能评价因子C值进行测试。通过测试，所设计的电子式热分配表的C值均满足国家相关标准的规定。此外，本课题选择在建设部生活区作为供热计量示范改造工程，安装该分配表，并进行一个采暖季的现场测试。现场测试过程中，我们使用了远传无线集中抄表器，手持掌上电脑，提高热分配表安装成功率，为计量数据的抄收打下了基础；电子式热分配表的无线通讯功能，使得工程调试、运行和监测变得非常简单，调试人员只要在楼栋口通过掌上电脑就可向每只热分配表