利用微型計算機軟硬件結合實現(xiàn)熱量表精確計量----在集中供暖和中央空調使用收費過程中，目前仍按建筑面積計算，該方式已不適應市場化管理的要求，迫切需要對用戶消耗的熱(冷)量進行相應的計量，以維護用戶和供暖(冷)雙方的利益，但目前未見該類似儀表的廣泛使用。這是由于熱量計量存有困難，使該類儀表和開發(fā)受到限制。首先，因為熱量屬于過程量，在實驗或工程測量中，傳統(tǒng)測量方法對過程量的計量本身存在較大的難度，而且存在測量誤差大，修正因素多等問題。事實上，傳統(tǒng)測量方法無法滿足對熱量的精確計量，但隨著計算機以及信號處理技術在熱工參數(shù)測量中的廣泛應用，熱工測量儀表向智能化、微型化發(fā)展，充分利用微型計算機軟、硬件相結合的優(yōu)勢可實現(xiàn)熱量的精確計量。

      在理論上，熱流率的測量在穩(wěn)定流動中可以歸結為流體質量流量與其溫差以及定壓比熱的乘積，即；在實驗中對熱流率的測量主要采取直接法，并假設流體定壓比熱恒定不變，即簡化為質量流率與其溫差的測量，要對熱量進行計量就必需連續(xù)對熱流率進行測量并累加求和。該類計量儀表的研究對供暖通風、能源利用、實驗研究等領域具有重要意義，但該類儀表的開發(fā)研究比較困難，以集中供暖、中央空調系統(tǒng)用熱量計量儀表為例分析，存在如下問題需要解決； 
      ①供暖系統(tǒng)中，流體流動速度較低，質量流率較小，如何對供暖系統(tǒng)小流率流體的精確測量存在一定難度。 
      ②進、出口溫差的測量要保證一定精度，同時要保證溫差與質量流率的測量同步并存儲有關數(shù)據(jù)；而且系統(tǒng)的溫度(差)波動較大，測點的確定、安裝等實際問題較多，極難處理。 
      ③即使能夠實現(xiàn)對小流速換熱流體與溫差的同步測量，某一τ時刻的熱流率可以用理論公式； 
      利用傳統(tǒng)的測量方法完成上式的累計計量也是機極其困難的。 
      基于以上問題，要實現(xiàn)對熱量的精確計量，只有充分發(fā)揮微型計算機的軟、硬件結合優(yōu)勢，實現(xiàn)對小流量、小溫差的測量以及數(shù)據(jù)的存儲、計算、顯示等一系列功能。本文充分發(fā)揮單片微機系統(tǒng)具有易開發(fā)、功能強、體積小、價格便宜等特點，開發(fā)了一套熱量計量儀，實驗證明：該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、精度高、功能強、自動化程度高、易于維護保養(yǎng)等特點。

      在熱能工程及材料科學的研究和生產過程中對熱量的測量一般采用間接法，該類儀表大多僅是對熱流進行測量，目前工業(yè)化的產品有輻射式熱流計、熱阻式熱流計等，該類儀表均需實驗標定儀表常數(shù)，存在誤差大，測量滯后等缺點，本文以熱量理論計算式的離散化方程式為基礎，充分利用MCS51單片機系統(tǒng)具有易開發(fā)，軟硬件結合的優(yōu)勢，實現(xiàn)了熱量的智能化計算，結合熱量測量的難點，使該智能化儀表很好的實現(xiàn)了以下功能； 
      (1)溫差的測量，該功能由兩級放大電路、A/D轉換電路、有關采集軟件完成。 
      (2)小流量的測量，主要靠磁電感應元件將流量信號轉化為標準頻率信號，由MCS51單片機及有關采集軟件，實現(xiàn)頻率信號的累計計量。 
      (3)熱量的累計計算以及數(shù)據(jù)的存儲功能，主要由軟件和相應的寄存器來完成。 
      (4)斷電保護功能，系統(tǒng)由于外部斷電，重要數(shù)據(jù)將被寫入有關存儲器并保存，系統(tǒng)自備電源將開始工作，并開始記錄斷電開始時間以及來電時間，來電后將自動將斷電時間累加后存入外置RAM內存儲。
      (5)顯示功能，無論用戶還是供暖公司均可通過儀表的顯示功能了解有關數(shù)據(jù)信息。 
      (6)清零功能，供暖周期結束時供暖公司可以對儀表進行清零，以便于管理。 
      為實現(xiàn)儀表的以上功能，系統(tǒng)硬件主要由以下模塊組成：由單片機MCS51為主附加外部晶振電路以及復位電路組成的基本模塊、電源模塊、放大及A/D轉換模塊、外置RAM及電壓監(jiān)控模塊、外置時鐘及流量測量模塊、鍵盤及顯示模塊等，其中各模塊的組成以及主要實現(xiàn)的功能如下： 
      單片機MCS51為主組成的基本模塊是該系統(tǒng)的核心部分，主要完成系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行相關的處理，協(xié)調其他模塊的工作，使整個系統(tǒng)步調一致的工作，選用的芯片是8051型單片機，具有5個內部中斷，4K的ROM程序存儲器，使用極為方便，外部晶振選用12HZ，復位電路主要是為熱量計運行管理方便而設計的，與鍵盤的功能復位鍵相連。 
      系統(tǒng)電源模塊：主要完成向系統(tǒng)供5V標準直流工作電壓，包括系統(tǒng)中單片機、運放、LCD顯示以及A/D轉換的工作電壓以及標準比較電壓等均由此電源提供，該電源的精密程度對整個系統(tǒng)的影響極大，主要由變壓器、整流電路、穩(wěn)壓管和比較電路組成，該電源輸出的電壓由6.5位的KEITHLEY2000多功能表測量得到其輸出范圍可穩(wěn)定在：4.9999-5.0001V，其精度是極高的，作為基準電壓對系統(tǒng)造成的誤差可以忽略不計。 
      放大以及A/D轉換模塊：主要功能是完成對熱電偶的信號進行放大并經A/D轉換送入相應的寄存器，進行相關的計算。該模塊的精度直接影響系統(tǒng)的測溫精度，是產生溫度測量誤差的主要來源，因此放大器件的選擇主要考慮其精密程度、抑制零漂能力、自校準情況等性能，在系統(tǒng)中選用的芯片是TLC40502，該芯片在調試過程中放大5000倍時起零漂而造成的誤差不大于0.4℃。銅熱電偶在0～100℃范圍內熱電勢36μV/℃，可以出由于零漂而造成的誤差不大于0.4℃。A/D轉換器選用TLC0831，該芯片工作溫度區(qū)間為0～70℃，屬于8位串行控制模數(shù)轉換器，易于和微處理器接口連接，該器件的分辨率及量化誤差是影響溫度測量精度的重要原因，以銅-康銅熱電偶以及測量放大倍數(shù)可知由于分辨率及量化誤差而引起的最大誤差不大于0.2℃，因此由于放大以及A/D轉換而引起的溫度測量誤差合計不大于0.6℃，相對于一般供暖系統(tǒng)的設計溫差20℃而言，由于上述原因而引起的最大誤差不大于3%，這一精度是比較高的。 
      外置RAM及電壓監(jiān)控模塊：外置RAM主要完成對重要數(shù)據(jù)的存儲，尤其在系統(tǒng)掉電的情況下對所采集的熱量值進行存儲以及掉電時間進行記憶，便于管理，其主要芯片是X24C45，該芯片具有非易失性，便于在線寫入等特點。電壓監(jiān)控電路主要完成的功能是：在主電源失效時將備用電池自動接入電路，當主電源恢復時將備用電池斷開，以達到保存系統(tǒng)數(shù)據(jù)的目的，主要芯片是INP708，該芯片帶有看門狗定時器以及降壓檢測的μP監(jiān)控電路。

      外置時鐘及流量測量模塊：主要完成對單片機的運算提供時間記數(shù)以及斷電時使用電池電源繼續(xù)工作，為記錄斷電時間提供時鐘，主要芯片是DSI302，屬于點滴式充電記時芯片，流量測量電路主要完成流量信號的轉換及測量，流體流動經過磁電感應器、光電耦合器等轉換成頻率信號，送入單片機并記錄累加，完成流量的測量，該部分是熱量測量產生誤差的主要來源之一，關鍵是流量信號轉換過程中，頻率信號與流量的對應常數(shù)的標定，以及最小流量的影響。