我國居民取暖計量收費已是大勢所趨，但也是一個熱點、難點問題。計量準確與否直接關系到熱量的合理收費和用戶的切身利益，也關系到供熱事業的生存和發展。熱量表是用于測量熱交換系統中載熱流體釋放熱量多少的計量器具，用法定計量單位顯示熱量。
熱量表
熱量計量框圖如圖1。 圖1 熱量計量框圖
將經過嚴格配對的溫度傳感器，分別安裝于熱交換回路的入口和出口的管道上；流量傳感器安裝于出口或入口管道上。配對溫度傳感器檢測熱交換系統進口和出口流體的溫度，流量傳感器檢測流經熱交換系統的流量。微控制器將采集到的溫度、流量數據進行處理，計算出熱交換系統所釋放的熱量，并進行存儲或顯示。熱量表主要由溫度檢測、流量檢測和微控制器組成。
熱量的計算公式為：式中Q載熱液體釋放的熱量(KJ)，qm流經熱量表載熱液體的質量流量(Kg/s)，hi,h0熱交換系統入口溫度和出口溫度對應的載熱液體的焓值(KJ/Kg)，t時間(s)。
從上式可以看出，要計算熱量，必須首先檢測進出口溫度，然后根據溫度查表計算對應的熱焓值。熱焓值在不同溫度下其值不同，既是溫差相同，但進出口溫度不同，所釋放的熱量也不相同。
熱量表電路設計
溫度檢測電路
溫度傳感器選鉑電阻PT1000，鉑電阻溫度傳感器化學性質穩定，準確度高，使用方便，不需冷端補償。熱量表測溫范圍不大(0~95℃)，能夠滿足要求。溫度-電壓轉換采用橋路方式實現，電路如圖2。 圖2 溫度檢測電路
橋路電源Vref由MAX6192-2.5V 基準電壓源提供，溫漂5ppm/℃。橋臂電阻R1、R2、R4選用同溫度系數的精密電阻，減少環境溫度變化引起橋路輸出的漂移。另外，為減少鉑電阻自熱溫升，R1、R2阻值選用49K，橋臂電流為0.05mA ,這樣因自熱溫升而產生的測量誤差可忽略不計。鉑電阻的非線性通過軟件的方式進行線性處理。
流量檢測
流量傳感器選用遠傳熱水流量計，工作溫度0~95℃ ，傳感器為磁敏感器件。當熱水流過并達到1升或10升時發出脈沖，該脈沖經過濾波處理送給微控制器，作為流量質量累計和熱量計算的基本質量體積單位，即1升/每脈沖或10升/每脈沖。
監控電路
作為戶用熱量表，通常供電為電池，需要實時檢測電池電壓是否低于正常范圍，不在正常范圍，監控電路及時檢測并給MCU發出信號，提示更換電池。與此同時，MCU立即保存有關數據。另外，對于磁干擾，監控電路及時檢測給出指示。
微控制器
微控制器框圖如圖3。
圖3 微控制器原理框圖
微控制器以低功耗，電氣連接最少，各功能模快之間相互干擾小的原則進行設計。眾所周知，串行總線技術如I2C，從早期大量應用于視頻、音像系統，現在已應用于測控領域。其規范的完整性，結構的獨立性和用戶使用的“傻瓜”化等顯著特點，促使具有串行總線接口功能的MCU及其外圍器件不斷出現。用具有串行總線接口器件設計的電路，能夠實現電氣連接簡單，低功耗，模塊化。
為此，MCU選用Microchip 公司的PIC16F873，它具有I2C，SPI接口，2.7~5.5V的工作電壓。片內FLASH、EEROM為程序和數據的保存提供方便，具有的休眠功能使其功耗更低。
A/D轉換選用AD7705，它有兩路差分輸入，滿足兩路溫度測量，差分輸入經內部可編程放大及16位A/D轉換器輸出數字量。AD7705與單片機之間通過SPI串行總線進行控制字(放大倍數、轉換通道、采樣速率等設置)和數據(A/D轉換結果)的傳輸。
時鐘選用DS1337，為熱量表提供工作時間數據，時鐘與單片之間通過I2C串行總線進行時鐘和日歷數據的傳輸。按鍵設計為一鍵巡視，即單片機根據按鍵次數通過串行3總線在LCD顯示各測量參數。無按鍵時LCD處于關閉狀態。當有按鍵按下或有流量脈沖信號時喚醒休眠中的單片機，使其進行相應的工作，工作完成后自行進入休眠。這樣可降低功耗。
軟件設計
軟件設計采用模塊化設計，分為：主程序、中斷服務程序和若干子程序。其流程示于圖4。
圖4 流程圖
主程序完成單片機的初始化，以及通過串行總線完成A/D轉換和時鐘的初時化。完成這些工作后單片機進入休眠，等待中斷。當有中斷信號即刻進入中斷服務程序，通過對中斷信號的判斷決定下一步執行何種處理。若為流量則進行熱量的計算，首先檢測進出口溫度并對其進行線性化處理，根據溫度查表或插值計算對應焓值，最后根據公式計算熱交換系統所釋放的熱量，為一個流量脈沖所代表的質量，累計熱量Q=SDQ。
若為按鍵，則根椐按鍵次數顯示相應的參數。若為電池欠電壓，則轉向保存相關數據的處理程序，確保重要數據如累計熱量、累計工作時間等不被丟失，并及時提示更換電池。若為磁干擾則作出相應的處理和給出指示。
結語
應用單片機技術和串行總線技術所設計的熱量表，性能穩定功耗低，能夠檢測顯示熱載體流過熱交換體的進出口溫度,流體體積,并可顯示釋放的熱量。熱量表具有傳感器故障和磁干擾監控功能。該熱量表經計量部門檢定準確度等級優于3級。可應用于居住環境供暖的計量。為供熱合理收費提供依據。
