摘要：隨著我國福利制度的改革和熱能計量的規範化，對熱能的準確計量成為一個比較關鍵的環節。文中介紹了熱能表的組成和工作原理，給出了一種基於PIC16C64單片機的熱能表設計方案，同時對設計和使用中的一些問題進行了討論並提出了解決辦法。
隨著我國福利制度的改革，供暖制度也發生了相應的變化。原來的供暖收費存在著對使用的熱能估算不準確、收費不合理等問題。為此，國家建設部在一些城市實施供暖制度改革試點，並對熱能實行計量收費，這就要求對使用的熱能進行準確的計量。本文給出了一種基於PIC16C64單片機的、針對熱水供暖的熱能表設計方案。
1 熱能表的組成原理
一般熱能表的原理框圖如圖1所示，它主要由積分儀、流量計和溫度傳感器三部分組成。流量計用於計量流過採暖設備的熱水的體積。兩隻溫度傳感器分別用於測量進水溫度和回水溫度。積分儀是熱能表的核心，它能夠根據流量計提供的熱水體積流量和進水、回水溫度差等數據計算出消耗的熱能。其計算公式如下：
Q=CV(t供水-t回水)
其中，Q為消耗的熱能，單位為kWh；C為水的比熱容（C=0.001167kWh/L.℃）；V為流過採暖設備的熱水體積，單位為升（L）；t供水、t回水為流過採暖設備進水口和回水口的熱水溫度，單位為℃。
從熱能的消耗計算公式可以看出，只要測得採暖設備進水和回水的溫差以及流過採暖設備的熱水體積就可以計算出消耗的熱能，因此，引起計量誤差的因素有：
（1）流量計的精度；
（2）溫度測量的準確度；
（3）兩隻溫度傳感器的配對誤差；
（4）積分儀的計算精度。
對於流量計引起的誤差，可以通過選取精度較高的流量計來解決，計算精度可以採用合適的CPU和完善的算法來解決。對於溫度測量，國家有相應的標準，溫度測量誤差一般不大於±0.3℃,而兩隻溫度傳感器的配對誤差應不大於±0.1℃，所以需要重點解決。
另外，由於熱能表通常是安裝在室外且長期使用，所以，熱能表的功耗、抗電磁干擾、可靠性因素都需要加以考慮。
2 硬體電路構成及實現原理
2.1 硬體組成
根據上面的分析，筆者設計了一種基於PIC16C74單片機的熱能表，其組成框圖如圖2所示。該系統主要由CPU、流量計、A/D轉換器、溫度傳感器、LCD顯示器、電路控制、EEPROM存儲器和時鐘電路等部分組成。其中CPU採用Microchip公司的微處理器PIC16C64，它是系統的核心，用於完成所有的控制和計算功能。溫度傳感器和A/D轉換器組成溫度採集電路，可測量採暖設備進水和回水的溫度。為了保證測量精度，設計中選用了12位串行A/D轉換器ADS7844，理論上，ADS7844的溫度採集精度可達0.03℃。流量計用於測量流過取暖設備的熱水體積，每流過一定體積的熱水，流量計內部的干簧管閉合一次。將這個信號接到CPU的外部中斷輸入端，干簧管每閉合一次就向CPU申請一次中斷，CPU用該信號累計流過採暖設備的熱水的體積來進行熱能計算。在需要時，還可以通過LCD顯示器來顯示水溫和消耗的熱能以及系統信息等。EEPROM存儲器用於存儲系統信息和消耗的熱能。時鐘電路用於為整個系統提供系統時間。用鍵盤可實現各種操作，如：通過鍵盤可以查看水溫、消耗的熱能和系統信息等。電源控制電路主要是在不需要顯示和溫度測量時切斷相應部分電路的電源，以降低系統功耗。系統設置是在每次加電時設備系統的年、月、日、小時和分等時間信息。另外，當系統出現故障時，它也可向CPU申請中斷，以使CPU將當時的時間、熱能值和故障信息寫入EEPROM以備查詢。
2.2 系統工作過程
該系統的工作流程圖如圖3所示。每次加電時，一般先設備系統信息，然後CPU進入休眠狀態，並等待處理各種中斷。在CPU進入休眠狀態前，需關閉溫度傳感器、A/D轉換器和顯示器的電源以減小系統功耗。處理完中斷後，CPU再次進入休眠狀態以等待下一次中斷。水錶中斷表示已經有一定體積的熱水流水採暖設備，需要計算一次熱耗。鍵盤中斷表示應處理各種顯示，而故障中斷則表示系統某個部分出現故障，此時CPU應將故障類型和此時的有關信息寫入EEPROM。
3 注意事項
3.1 溫度測量誤差和傳感器配對誤差
從熱耗計算公式可以看出，溫度測量誤差和傳感器配對誤差均會引起測量誤差。鑒於這種情況，設計時一方面必須選用性能良好的溫度傳感器；另一方面應使溫度傳感器的特性呈線性關係且兩隻傳感器的溫度特性曲線應當一致。但是，常常溫度傳感器特性在0℃～100℃並非線性，每隻傳感器的特生曲線又不盡相同。因此，除了採用性能比較好的鉑電阻作為溫度傳感器外，還必須對每隻熱能表通過硬體或軟體校正。由於硬體校正會增加成本，因而多採用軟體校正。具體做法是將整個測溫範圍根據允許的測量誤差分為若干段，校正時測出各校正點的誤差並存儲到EEPROM。而實際工作時，先測出水溫，然後採用查表的辦法從誤差中查出修正值來對所測的溫度進行修正。如果測出的水溫不是正好在校正點上，則可採用插值估算的辦法予以修正。這樣處理不僅可以解決溫度測量誤差，同時也可以解決傳感器的配對誤差。
3.2 功耗和抗電磁干擾
由於熱能表長期處於無人看守狀態，且只能使用電池供電，因此，
隨著我國福利制度的改革，供暖制度也發生了相應的變化。原來的供暖收費存在著對使用的熱能估算不準確、收費不合理等問題。為此，國家建設部在一些城市實施供暖制度改革試點，並對熱能實行計量收費，這就要求對使用的熱能進行準確的計量。本文給出了一種基於PIC16C64單片機的、針對熱水供暖的熱能表設計方案。
1 熱能表的組成原理
一般熱能表的原理框圖如圖1所示，它主要由積分儀、流量計和溫度傳感器三部分組成。流量計用於計量流過採暖設備的熱水的體積。兩隻溫度傳感器分別用於測量進水溫度和回水溫度。積分儀是熱能表的核心，它能夠根據流量計提供的熱水體積流量和進水、回水溫度差等數據計算出消耗的熱能。其計算公式如下：
Q=CV(t供水-t回水)
其中，Q為消耗的熱能，單位為kWh；C為水的比熱容（C=0.001167kWh/L.℃）；V為流過採暖設備的熱水體積，單位為升（L）；t供水、t回水為流過採暖設備進水口和回水口的熱水溫度，單位為℃。
從熱能的消耗計算公式可以看出，只要測得採暖設備進水和回水的溫差以及流過採暖設備的熱水體積就可以計算出消耗的熱能，因此，引起計量誤差的因素有：
（1）流量計的精度；
（2）溫度測量的準確度；
（3）兩隻溫度傳感器的配對誤差；
（4）積分儀的計算精度。
對於流量計引起的誤差，可以通過選取精度較高的流量計來解決，計算精度可以採用合適的CPU和完善的算法來解決。對於溫度測量，國家有相應的標準，溫度測量誤差一般不大於±0.3℃,而兩隻溫度傳感器的配對誤差應不大於±0.1℃，所以需要重點解決。
另外，由於熱能表通常是安裝在室外且長期使用，所以，熱能表的功耗、抗電磁干擾、可靠性因素都需要加以考慮。
2 硬體電路構成及實現原理
2.1 硬體組成
根據上面的分析，筆者設計了一種基於PIC16C74單片機的熱能表，其組成框圖如圖2所示。該系統主要由CPU、流量計、A/D轉換器、溫度傳感器、LCD顯示器、電路控制、EEPROM存儲器和時鐘電路等部分組成。其中CPU採用Microchip公司的微處理器PIC16C64，它是系統的核心，用於完成所有的控制和計算功能。溫度傳感器和A/D轉換器組成溫度採集電路，可測量採暖設備進水和回水的溫度。為了保證測量精度，設計中選用了12位串行A/D轉換器ADS7844，理論上，ADS7844的溫度採集精度可達0.03℃。流量計用於測量流過取暖設備的熱水體積，每流過一定體積的熱水，流量計內部的干簧管閉合一次。將這個信號接到CPU的外部中斷輸入端，干簧管每閉合一次就向CPU申請一次中斷，CPU用該信號累計流過採暖設備的熱水的體積來進行熱能計算。在需要時，還可以通過LCD顯示器來顯示水溫和消耗的熱能以及系統信息等。EEPROM存儲器用於存儲系統信息和消耗的熱能。時鐘電路用於為整個系統提供系統時間。用鍵盤可實現各種操作，如：通過鍵盤可以查看水溫、消耗的熱能和系統信息等。電源控制電路主要是在不需要顯示和溫度測量時切斷相應部分電路的電源，以降低系統功耗。系統設置是在每次加電時設備系統的年、月、日、小時和分等時間信息。另外，當系統出現故障時，它也可向CPU申請中斷，以使CPU將當時的時間、熱能值和故障信息寫入EEPROM以備查詢。
2.2 系統工作過程
該系統的工作流程圖如圖3所示。每次加電時，一般先設備系統信息，然後CPU進入休眠狀態，並等待處理各種中斷。在CPU進入休眠狀態前，需關閉溫度傳感器、A/D轉換器和顯示器的電源以減小系統功耗。處理完中斷後，CPU再次進入休眠狀態以等待下一次中斷。水錶中斷表示已經有一定體積的熱水流水採暖設備，需要計算一次熱耗。鍵盤中斷表示應處理各種顯示，而故障中斷則表示系統某個部分出現故障，此時CPU應將故障類型和此時的有關信息寫入EEPROM。
3 注意事項
3.1 溫度測量誤差和傳感器配對誤差
從熱耗計算公式可以看出，溫度測量誤差和傳感器配對誤差均會引起測量誤差。鑒於這種情況，設計時一方面必須選用性能良好的溫度傳感器；另一方面應使溫度傳感器的特性呈線性關係且兩隻傳感器的溫度特性曲線應當一致。但是，常常溫度傳感器特性在0℃～100℃並非線性，每隻傳感器的特生曲線又不盡相同。因此，除了採用性能比較好的鉑電阻作為溫度傳感器外，還必須對每隻熱能表通過硬體或軟體校正。由於硬體校正會增加成本，因而多採用軟體校正。具體做法是將整個測溫範圍根據允許的測量誤差分為若干段，校正時測出各校正點的誤差並存儲到EEPROM。而實際工作時，先測出水溫，然後採用查表的辦法從誤差中查出修正值來對所測的溫度進行修正。如果測出的水溫不是正好在校正點上，則可採用插值估算的辦法予以修正。這樣處理不僅可以解決溫度測量誤差，同時也可以解決傳感器的配對誤差。
3.2 功耗和抗電磁干擾
由於熱能表長期處於無人看守狀態，且只能使用電池供電，因此，
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