基于PIC单片机的IC卡智能热能表的研制

　　1　引言

　　随着供暖制度的改革,原来的供暖由按面积收费改为按所用热量收费。IC卡热能表系统,不但实现了收费电子化,而且还改变了先用热后收费的不合理 状况,使供热部门能预先收取部分费用,有利于公用事业的发展。本文给出了一种基于PIC16F84单片机IC卡智能热能表的设计方案。此方案具有成本低、 可靠性高、使用寿命长及安全性好等优点。

　　2　IC卡智能热能表设计方案

　　2·1　IC卡智能热能表的功能

　　(1)根据所购热用量,自动执行供、停热。

　　(2)具有自动报警功能

　　(3)可随时提供累计用热量、本月用热量及可用热量

　　(4)可对购热量进行累计

　　(5)具有自动保护功能

　　(6)断电保护功能

　　(7)加密功能

　　2·2　IC卡智能热能表硬件电路组成及原理

　　一般热能表主要由积分仪、流量计和温度传感器三部分组成。流量计用于计量流过采暖设备的热水体积。温度传感器用于测量进水温度和回水温度。积分 仪是热能表的核心,它能够根据流量计提供的热水体积流量和进水、回水温度差等数据计算出消耗的热能。其计算公式如下:Q=CV(t供水-t回水)其中,Q 为消耗的热能,单位为kWh;C为水的比热容(C=0·001167kWh/L℃);V为流过采暖设备的热水体积,单位为L;t供水、t回水为流过采暖设 备进水口和回水口的热水温度,单位为℃。

　　从热能表的消耗计算公式可以看出,只要测得采暖设备进水和回水的温差以及流过采暖设备的热水体积就可以计算出消耗的热能,因此,引起计量误差的因素有:

　　(1)流量计的精度;

　　(2)温度测量的准确度;

　　(3)两只温度传感器的配对误差;

　　(4)积分仪的计算精度。

　　对于流量计引起的误差,可以通过选取精度较高的流量计来解决,计算精度可以采用合适的CPU和完善的算法来解决。对于温度测量,国家有相应的标 准,温度测量误差一般不大于±0·3℃,而两只温度传感器的配对误差应不大于±0·1℃。根据以上分析,笔者设计了一种基于PIC单片机的IC卡智能计费 热能表,其组成框图如图1所示。该系统主要由CPU、流量计、进回水温度传感器、阀门、IC卡读写器、显示电路及电源等组成。其中CPU采用 Microchip公司的PIC16F84,它是系统的核心,用于完成所有控制和计算功能。该芯片工作于休闲状态时,耗电量仅为μA级[1];采用 FLASH EEPROM的串行存储芯片93C46作为数据存储器,它占用体积小,功耗低,且操作简单,主要用来存放IC卡识别字、发行密码及用热计量等数据以作为热 能表识别与计量的依据;温度传感器和A/D转换器组成温度采集电路,可测量采暖设备进回水温度。为了保证测量精度,设计中选用了12位串行A/D转换器 ADS7844,理论上,它的温度采集精度可达0·03;流量计用于测量流过取暖设备的热水体积,每流过一定体积的热水,流量计内的干簧管闭合一次就向 CPU申请一次中断,CPU用该信号累计流过采暖设备的热水的体积来进行热能计算;在需要时还可通过显示器来显示水温和消耗的热能以及系统信息等;用键盘 可实现各种操作,如:通过键盘可以查看水温、消耗的热能和系统信息等;电源控制电路主要是在不需要显示和温度测量时切断相应部分电路的电源,以降低功耗。 本热能表采用交/直两用电源,平时热能表由交流电通过表内的小型变压器输出供电,而备用电池处于充电状态。一旦停电,热能表就由内部备用电池供电;系统设 置是在每次加电时设备系统的年、月、日、小时和分等时间信息。另外,当系统出现故障时,它也可向CPU申请中断,以使CPU将当时的时间、热能值和故障信 息写入EEPROM以备查询;IC卡读/写器是IC卡热能表的输入接口,当IC卡插入读/写器时,首先读入的是卡中的密码,以判断此IC卡的合法性 [2]。如合法就读入所购热量并与热能表内剩余热量累加,同时将卡上购热量单元清0,回写热能表上用热量、剩余热量等信息,以便下次购热时热力公司读取, 实现热能表信息回馈功能;对于热能表而言,阀门是被控对象,控制着进水的开关状态。本设计采用双稳态电磁阀,即阀门开关控制由电脉冲来实现,使得对阀门开 关只需瞬时供电,从而减少耗电量。