摘 要： 近兩年，我國北方大部分城市開始推行取暖計量收費，上海齊濟電子有限公司針對市場需求設(shè)計了一套低成本的熱能表方案，該方案控制采用最新推出的HT46R64單片機，文中介紹了熱能表的組成和工作原理，給出了一種基于HT46R64單片機的熱能表設(shè)計方案。  關(guān)鍵詞： 熱能表 單片機 溫度傳感器 Holtek ht46r64  
作者： 上海齊濟電子有限公司 
 

隨著我國福利制度的改革，供暖制度也發(fā)生了相應(yīng)的變化。原來的供暖收費存在著對使用的熱能估算不準(zhǔn)確、收費不合理等問題。為此，國家建設(shè)部在一些城市實施供暖制度改革試點，并對熱能實行計量收費，這就要求對使用的熱能進行準(zhǔn)確的計量。本方案給出了一種基于HT46R64單片機的熱水供暖熱能表設(shè)計方案。

1、熱能表的組成原理

一般熱能表的流量測量原理框圖如圖1所示，它主要由積分儀、流量計和溫度傳感器三部分組成。流量計用于計量流過采暖設(shè)備的熱水的體積。兩只溫度傳感器分別用于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(jù)流量計提供的熱水體積流量和進水、回水溫度差等數(shù)據(jù)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為流過采暖設(shè)備的熱水體積，單位為升（L）；t供水、t回水為流過采暖設(shè)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，只要測得采暖設(shè)備進水和回水的溫差以及流過采暖設(shè)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(zhǔn)確度；

（3）兩只溫度傳感器的配對誤差；

（4）積分儀的計算精度。

對于流量計引起的誤差，可以通過選取精度較高的流量計來解決，計算精度可以采用合適的MCU和完善的算法來解決。對于溫度測量，國家有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，溫度測量誤差一般不大于±0.3℃,而兩只溫度傳感器的配對誤差應(yīng)不大于±0.1℃，所以需要重點解決。

另外，由于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，所以在單片機的選型時，作為重點條件考慮。

2、MCU及開發(fā)工具介紹

2.1單片機：

HT46R64 是 8 位高性能精簡指令集單片機，專門為需要 A/D 轉(zhuǎn)換和 LCD 顯示的產(chǎn)品而設(shè)計。該型號為客戶提供掩膜版本HT46C64，HT46C64與HT46R64 引腳和功能完全相同，客戶在批量生產(chǎn)時可最大限度降低生產(chǎn)成本。

該MCU的主要特性如下：

工作電壓：
f SYS =4MHz ： 2.2V ～ 5.5V
f SYS =8MHz ： 3.3V ～ 5.5V 
24 個雙向輸入 / 輸出口 
2 個外部中斷輸入 
1 個 8 位和 1 個 16 位定時 / 計數(shù)器，具有 PFD( 可編程分頻器 ) 功能 
33×3 或 32 × 4 段的 LCD 驅(qū)動 ( SEG0~SEG15 可由掩膜選項設(shè)置為邏輯輸出 ) 
4K × 15 程序存儲器 
192 × 8 數(shù)據(jù)存儲器 
具有 PFD 功能，可用于發(fā)聲 
一個實時時鐘 (RTC) 
一個8位的實時時鐘預(yù)分頻器 
看門狗定時器 
蜂鳴器輸出 
內(nèi)置晶體、 RC 和 32768Hz 晶體振蕩電路 
HALT 和喚醒功能可降低功耗 
8 層硬件堆棧 
8 通道 10 位解析度的 A/D 轉(zhuǎn)換器 
4 通道 8 位 PWM 輸出，與 4 個輸入 / 輸出口共用引腳 
位操作指令 
查表指令，表格內(nèi)容字長 15 位 
系統(tǒng)頻率為 8MHz 時，指令周期為 0.5μs 
63 條指令 
指令執(zhí)行時間為 1 或 2 個指令周期 
56-pin SSOP ， 100-pin QFP 封裝 
工業(yè)檔規(guī)格：溫度范圍從-40～85℃ 
2.2開發(fā)工具：

盛永半導(dǎo)體（深圳）有限公司生產(chǎn)的HT46系列仿真器CICE46C00CCEA，具有低成本的優(yōu)勢，一套開發(fā)工具市場售價只要1300元，該仿真器有著其他產(chǎn)家無法比擬的優(yōu)勢，仿真器本身自帶燒寫器，一次性解決客戶在開發(fā)初期的需要，降低開發(fā)成本的投入；而且Holtek自行開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境HT-IDE3000，完全中文語言環(huán)境支持，并自帶C編譯（完全免費），對于習(xí)慣使用C語言編程的開發(fā)工程師，這是一大福音。另外，Holtek創(chuàng)新的COTPWRITER00A全系列量產(chǎn)型燒寫器，市場售價只要500元，燒寫器采用串口與計算機通訊，支持脫機燒寫，使用相當(dāng)方便。

3、硬件電路構(gòu)成及實現(xiàn)原理

3.1 硬件組成

根據(jù)上面的分析，筆者設(shè)計了一種基于Holtek單片機的熱能表，其組成框圖如圖2所示。

 
該系統(tǒng)主要由MCU、流量計、溫度傳感器、LCD顯示屏、電路控制、EEPROM存儲器和時鐘電路等部分組成。其中MCU采用Holtek公司的微處理器HT46R64，它是系統(tǒng)的核心，用于完成所有的控制和計算功能。溫度傳感器和單片機的內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器組成溫度采集電路，可測量采暖設(shè)備進水和回水的溫度。該單片機帶有10BitA/D轉(zhuǎn)換器，能夠最大限度保證測量精度。流量計用于測量流過取暖設(shè)備的熱水體積，每流過一定體積的熱水，流量計內(nèi)部的干簧管閉合一次。將這個信號接到MCU的外部中斷輸入端，干簧管每閉合一次就向MCU申請一次中斷，MCU用該信號累計流過采暖設(shè)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(tǒng)信息等。EEPROM存儲器用于存儲系統(tǒng)信息和消耗的熱能。時鐘電路用于為整個系統(tǒng)提供系統(tǒng)時間。用鍵盤可實現(xiàn)各種操作，如：通過鍵盤可以查看水溫、消耗的熱能和系統(tǒng)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(yīng)部分電路的電源，以降低系統(tǒng)功耗。系統(tǒng)設(shè)置是在每次加電時設(shè)置系統(tǒng)的年、月、日、小時和分等時間信息。另外，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，它也可向MCU申請中斷，以使MCU將當(dāng)時的時間、熱能值和故障信息寫入EEPROM以備查詢，EEPROM采用的是HOLTEK的HT24LC04。在電源控制方面，我們采用了Holtek的電源管理芯片HT7033、7044、7130，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 系統(tǒng)工作過程

該系統(tǒng)的工作流程圖如圖3所示。

 
每次加電時，一般先設(shè)置系統(tǒng)信息，然后MCU進入休眠狀態(tài)，并等待處理各種中斷。在MCU進入休眠狀態(tài)前，需關(guān)閉溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和顯示器的電源以減小系統(tǒng)功耗。處理完中斷后，MCU再次進入休眠狀態(tài)以等待下一次中斷。水表中斷表示已經(jīng)有一定體積的熱水流水采暖設(shè)備，需要計算一次熱耗。鍵盤中斷表示應(yīng)處理各種顯示，而故障中斷則表示系統(tǒng)某個部分出現(xiàn)故障，此時MCU應(yīng)將故障類型和此時的有關(guān)信息寫入EEPROM。

4 注意事項

4.1 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。鑒于這種情況，設(shè)計時一方面必須選用性能良好的溫度傳感器；另一方面應(yīng)使溫度傳感器的特性呈線性關(guān)系且兩只傳感器的溫度特性曲線應(yīng)當(dāng)一致。但是，常常溫度傳感器特性在0℃～100℃并非線性，每只傳感器的特性曲線又不盡相同。因此，除了采用性能比較好的鉑電阻作為溫度傳感器外，還必須對每只熱能表通過硬件或軟件校正。由于硬件校正會增加成本，因而多采用軟件校正。具體做法是將整個測溫范圍根據(jù)允許的測量誤差分為若干段，校正時測出各校正點的誤差并存儲到EEPROM。而實際工作時，先測出水溫，然后采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，則可采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。

4.2 功耗和抗電磁干擾

由于熱能表長期處于無人看守狀態(tài)，且只能使用電池供電，因此，設(shè)計時，要求系統(tǒng)功耗應(yīng)非常低，且抗電磁干擾的性能要好。

正是為了降低系統(tǒng)功耗，設(shè)計時除顯示器外，所有的器件都采用3.3V的低功耗器件。比如，作控制核心的HT46R64具有功耗低、運行速度快等特點，其工作電流只有1.5mA(3.3V@32kHz時)，進入休眠狀態(tài)后只有3uA且可以用中斷將其從休眠狀態(tài)喚醒。另外，由于HT46R64的數(shù)據(jù)總線和地址總線都埋在芯片內(nèi)部，因此，具有良好的抗電磁干擾性能。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的熱能表具有結(jié)構(gòu)簡單，計量準(zhǔn)確的特點，可用于住宅、寫字樓、商場等公用場所的采暖計量，我們正在做方案的升級研發(fā)，下一步推出的方案將會支持遠程抄表，預(yù)留的接口將可與三表實現(xiàn)集中抄表，更多的信息可登錄上海齊濟電子有限公司的網(wǎng)站（www.chipgem.com.cn）瀏覽。