發布日期：2022-10-09 點擊率：167
摘 要: 針對當前國內與市場經濟體制極其不符的供暖包費制的供暖體制現況和國外熱量表的昂貴價格，自行開發設計一款低功耗、高抗干擾性、高保密性和高精度的一體化智能化控制系統，實現暖氣的計量和預付費智能控制。
關鍵詞: 預付費；熱量表；智能卡
1、引 言
在過去相當長的一段時期內，實行的是大鍋飯式的供暖包費制。“熱”一直無法成為真正的商品。 現在人們對這個問題的解決已經形成共識：必需打破大鍋飯式的供暖包費制，采用熱量計量收費制，使“熱”這一商品實現產銷雙方直接交易，使“熱”成為真正的商品。“誰用熱，誰交錢”。 國內目前熱量表研制的廠家雖然較多，但成熟的產品還較少，而能大批量生產熱量表的廠家還沒有。國外熱量表的昂貴價格是其在中國推廣應用的最大阻力。實現熱量表的國產化，是實現熱量計量收費的關鍵。在這種情況下開始研制并進行熱量表試制，具有一定意義。
2、系統結構和預實現的功能分析
通過市場調研，發現當前市場上的暖氣表的一般結構框圖如圖1所示，其主要存在的缺點有：
（1）溫度傳感器安裝方式不合理，需要安裝特定的管接頭。
（2）兩個溫度傳感器在暖氣表的體外，保密性和安全性不高，暖氣表容易被惡意改裝。
（3）傳輸導線較長，干擾和信號衰減嚴重，需要加入驅動電路和抗干擾電路，從而使成本增加。
（4）暖氣表在工作中，用戶不能主觀啟停，不能體現消費自由的原則。
（5）沒有溫控功能，用戶不能調節室內溫度。
（6）主體結構為單通道式，無法實現回水（暖氣）流量的檢測，不能防止用戶惡意盜熱水行為，從而給供暖公司造成損失。
綜合以上情況，決定自主開發一種功能更加完善，技術更加先進的一體化雙通道暖氣表，結構如圖2所示，其預實現的功能如下：
加密功能：自動識別智能卡密碼，可防偽卡或信道惡意攻擊。
顯示功能：采用LCD液晶顯示，可供用戶隨時查詢購暖總量、剩余量、單價、進出口溫度。
告警功能：剩余金額小于臨界值時，閥門自動關、開，聲光驅動告警，可實現在線監測。
關斷功能：設置啟停按鈕，方便用戶操作。可以不另外安裝手動閥門。設置電鎖開關在不使用暖氣的季節，用戶可以手動切斷控制器的電源，使其處于零功耗狀態。剩余熱量為零或系統失電時閥門也會自動關閉。
數據設置：通過系統軟件可靈活設置用熱價格、告警量、透支量
分量計費：靈活實現每月的“定量熱量”和"議價熱量"的計量收費
數據傳輸：通過射頻卡進行數據傳輸，對數據進行管理，計算機系統可將購暖情況傳入智能表
數據保護：使用Flash技術安全實時現場數據保護，可防止意外原因造成的實時變化的有用數據的丟失。
電源監控：現場監控電源的異常現象并及時進行處理。
防盜功能：進口和出口流量同時檢測，可防止用戶竊能。
智能溫控：用戶可根據需求設定室溫范圍，系統通過動態流量調整來自動調整室溫。
3、總體設計
3.1系統框圖
本系統以單片機核心，主要由流量傳感、溫度傳感、閥門開閉控制、顯示模塊、射頻模塊、掉電保存、聲光報警、電源監控等幾部分組成。硬件框圖如圖3所示。
圖3 硬件框圖
3.2模塊說明
3.2.1流量傳感
安裝在管路系統上，用于計量流過供熱回路水的體積并發出流量信號。目前，市場上能夠買到的數字式流量計非常少，常見的都是一些機械式的，其無法和我們的單片機進行接口。后來發現市場上的一些新式的水表的流量檢測系統可以借鑒。故本設計的流量傳感擬采用霍爾器件來實現。市場上的霍爾器件比較多，但應用到本系統中綜合性能大多都不太好，在網上無意發現了霍爾IC—MLX90248。可謂是為設計量體定做。
3.2.2溫度傳感
溫度傳感器安裝在管路系統的出和入口，采集系統內介質的溫度并發出溫度信號。DALLAS最新單線數字溫度系統DS18B20是新的“一線器件”，其體積更小、適用電壓更寬，更經濟。一線總線獨特而且經濟的特點，使我們可輕松地組建傳感器網絡。其測量溫度的范圍為 -55 — +125度，在 –10 — +85 度范圍內，可以程序設定 9—12 位的分辨率精度為正負0.0625度。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾能力。適合于惡劣環境的溫度測量。從性價比出發，其已經能夠勝任設計要求。
3.2.3射頻卡讀寫模塊
其是數據傳輸的中間介質。選擇何種存儲載體作為本系統的重要數據傳輸中介，是本設計的關鍵技術。從安全、可靠、經濟等角度考慮，本系統擬采用非接觸式射頻IC卡。當今世界上非接觸式IC智能射頻卡（內建MCU，ASIC等）中的主流產品—PHILIPS公司的MIFARE技術，已經被制定為國際標準：ISO/IEC 14443 TYPE A標準 。如果事先不知卡片上的密碼，則由于密碼的變化可以極其復雜，因此靠猜測密碼而想打開卡片上的一個扇區的可能性幾乎為零。其充分地說明了Mifare 1 卡片的高度安全性，保密性，及卡片的應用場合多樣性，一卡多用（一卡通）。
現在市場上已經有不少成熟的讀寫模塊可供設計選用，通過比較智能卡讀寫模塊選用MCS-RC500 V3.3 非接觸式智能卡通用讀寫器。具體設計的硬件電路如圖4所示。由于計算機技術的飛速發展，計算機接口技術也比較成熟，故市場上能夠買到的讀寫模塊都是基于計算機通信的讀寫設備。結合這個設計系統，現在必須做的工作是對該讀寫模塊做二次開發。即利用串行異步通信技術把讀寫器模塊和單片機接口，其中編寫單片機接口匯編通信程序是本次開發的關鍵技術。
圖4 射頻卡讀卡器電氣原理圖
3.2.4積算儀
以AT89S51為核心器件，接收來自流量傳感器和溫度傳感器的信號，進行處理、計算并顯示管路系統的累積熱量、累積流量和進水溫度，回水溫度等。同時發出控制指令。
3.2.5顯示模塊
用來顯示和便于客戶查詢其預付金額、剩余熱量、進出口溫度等信息。
3.2.6閥門開閉和報警
開通和禁止用戶的使用權限，并有預警功能。
3.2.7掉電保存
對于實時處理的數據的實時保存。一個相對成熟的系統，應該具備相對可靠的安全保護措施，試想當我們用充值卡給我們的用戶機充值成功結束以后，系統一直正常工作（不停機）。但是，當我們的系統因為某種原因（更換電池等）造成系統失電或復位時，89S51內部的RAM區正在運行的實時數據就會丟失。這將會給公司和用戶帶來無法彌補的麻煩。為此，我們在本系統中增加了掉電數據保存電路。由于我們的數據是實時變化的數據，因此必須采用在線電可檫除，電可編程存儲器。設計中采用AT24C02。AT24C02是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，遵循I2C總線標準。它是內含256×8位存儲空間，具有工作電壓寬（2.5～5.5V）、擦寫次數多（大于10000次）、寫入速度快（小于10ms）等特點。比較適合嵌入到本系統中。
3.2.8電源監控
現場監控電源的異常現象并及時進行處理。為保證單片機系統穩定可靠的運行的首要因素就是保證整個系統的電源穩定，本設計采用了MAX706芯片作為電源管理的主控單元，它是低功耗CMOS芯片，工作電流只有100微安，內含一個看門狗電路。用MAX706配合簡單外圍電路可實現電源的開關和看門狗功能。
4、熱能計量原理
當熱水以一定的溫度從進水管流入一個熱交換系統（暖氣片，管道等），用戶在通過熱交換系統而獲取熱量的同時，熱水以較低的溫度從回水管流出．在一定時間內，用戶所獲得的熱量可以由下式算出:
式中：
Q——釋放或吸收的熱量 （J或wh）；
qm——流經熱量表的水的質量流量（kg/h）；
qv——流經熱量表的水的體積流量（m3 /h）；
ρ——流經熱量表的水的密度（kg/ m3）；
Δh——在熱交換系統的入口和出口溫度下，水的焓值差（J/kg）；
τ ——時間（h）。
圖5 水的密度和焓值表
其中水的密度和焓值通過查國家標準（如圖5所示）可以確定。當溫度為非整數時，應進行插值修正；當表的結構確定以后，通過實驗就可得出水的體積流量。
5、技術特點
低 功 耗: 采用低功耗和微功耗CMOS 芯片技術。
高抗干擾性：采用數據的數字化處理技術，把傳統的易受干擾的模擬采集和傳輸信號換成高抗干擾的數字信號。
高 保 密：對數據的加密處理及密碼保護。采用PHILIPS公司的MIFARE技術。
高 精 度：采用多種自動補償校正方法。
通 用 性：采用具有一卡多用功能的卡,促進金卡工程的發展進程。
一 體 化：極大降低了竊能的可能。
雙通道檢測：對暖氣進出口的流量同時進行檢測,防止竊能。
智能的溫控：用戶可根據需求設定室溫范圍,系統通過動態流量調整來自動調整室溫。
6、結束語
本設計到目前為止也僅僅只是做了一個良好的開端，它不僅需要在技術和質量上進一步加強，而且也需要在產品結構和品種上進一步豐富。熱表的發展是我國供熱制度良好改革的技術保證，為供熱制度的改革做出自己的貢獻。
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作者簡介：
邵 鋒 （1981-），男，工程師，河南商丘人，主要從事自動化教學和研究，承擔一些科研項目和產品的開發與設計。
手 機：13072662630Email: shaofeng200320@yahoo.com.cn
地 址：河南新鄉市河南科技學院機電系自動化教研室 郵編：453003
注：該設計項目系河南省高校青年骨干教師資助計劃項
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