IC卡热量表设计及其研究

1 引言 

    多年以来，集中供热，统一收费给供热部门和用户都带来了很大的不便，而且也造成很大的浪费。本文设计的IC 卡热量表的分户计量可以解决双方的麻烦，采用预付费使得供热部门方便收费，用户也可以根据自己的需要调整暖气的水流量，甚至在不需要的时候关掉暖气，节约费用。本文主要介绍了IC 卡热量表的工作原理及主要模块。

2 热量表的工作原理 

2.1 热量表工作原理图：

图1 IC 卡热量表工作原理图

    该热量表主要由计算器、温度传感器和流量传感器三部分组成。其中计算器则是由模数转换电路、微处理器及显示器三部分组成，模数转换的功能是把温度传感器测量的温度（模拟信号）转换成微处理器能够处理的数字信号；微处理器则是对接收的流量传感器和经模数转换后的温度的信号进行处理；显示器的功能则是把测得的以及计算得到的数据显示出来。如图1 所示。 

2.2 热量表的计量原理 

    根据流量传感器给出的流量和配对温度传感器给出的供回水温度，以及水流经的时间，通过计算器计算出系统所释放或吸收的热量。其基本公式：

    由上式可知，要计算出指定时间内水释放或吸收的热量，就必需知道流经的水的质量流量（或体积流量）、流经的水的密度，以及热量交换系统的入口和出口温度下，水的焓值差。单位时间内热量的计算，则至少要知道入水口与出水口的温度和体积流量。要得到一定时间内系统释放或吸收的热量，只要对时间做积分就可得到。把得到的参数（包括测量得到的和计算得到的）通过LCD 按要求显示出来。如：入水口温度、出水口温度、流量、热量、累积流量、累积工作时间等的参数。 

    水的密度与温度和压力都有关系，在预知水的压力前提下，查对应的水密度表。 

    入出水口温度是用铂热电阻Pt1000 温度传感器测量得到的；流量的测量是用流量传器测量得到的。

3 温度传感器 

    配对温度传感器选用经过精密配对的Pt1000 铂热电阻，测量温度在0--850℃时，温度与其阻值的满足关系式：

    测传感器的阻值，求得对应的温度时，可以通过以下方法；先求得上述函数的反函数：

    其中a、b 可以通过两点标定法得到。经计算得到上式中。


4 计算器 

4.1 A/D 转换器字长的确定 

    按照要求，常温型热量表的工作条件为：在压力小于1.6MPa 时，温度范围为4--95℃。热量表被测温度值要求显示到百分位，即0.01℃；精确到十分位，即0.1℃。从温度传感器的选择中，我们可以知道0--100℃的温度范围,对应的铂热电阻的阻值变化范围是1000～1385 欧姆。对选用差分输入的ADC 电路只要对该电阻两端的电压变化量ΔVPt 进行ΔVPt×1/1000 量化，即可满足系统要求。

    假设电流源是200μA，铂热电阻两端的电压变化量ΔVPt=77mV；最小值为200mV；最大值为277mV。 

    根据前面计算公式可得到，ADC 转换器件的最小字长(精确度)为11.8 位（二进制数）。要保证此精度，在数值转换和计算时至少需要一位估计的十进制数作保证，用二进制数表示则需四位。故ADC 器件的字长不应少于15.8 位。实际应用中字长大于12 位的ADC 器件，均存在丢码等现象。为此，选用更高分辨率的ADC 器件，本方案采用24 位。 

4.2 微处理器字长的确定 

微处理器字长的选用依据： 

    （1）量化误差：有限位字长会影响ADC 的量化误差；理论上讲微处理的字长越长，量化误差越小，信噪比越高。
    （2）与ADC 电路的字长有关：微处理器的字长

    （3）系统输入信号的动态范围：本系统的输入信号最小值是200mV、最大值是277mV。


    由此可知一般微处理器的字长都能满足要求。 

    综合以上几个要求。兼顾功耗、价格等因素，又考虑到该系统对计算的实时性要求不高，所以微处理器字长确定为16 位。对于计算精度不够的缺陷采用改变数据类型的办法加以补偿。如数据类型采用浮点型。 

4.3 显示部分 

    本方案采用LCD 显示，这部分比较简单。主要显示以下内容：进水温度(℃)、出水温度(℃)、温差(℃)、积累流量（m3）、热量（kW.h 或MW.h）、热量（MJ 或GJ）、瞬时流量（m3/h）、供热时间（h）、电池欠压等。

5 软件部分 

    作为使用微处理器的智能系统，硬件系统的性能必须有与之相配合的软件才能使其达到设计的要求。限于篇幅，本文不再介绍。

6 本方案中特别注意的问题 

    （1）在硬件设计和电路制作上应注意： ADC 电路在PCB 板设计中整个电路的接地；模拟信号与数字信号的隔离；恒流源的稳定性。
    （2）传感器信号的输入和处理电路。这部分电路需要满足信号的输入、调理和放大以及抗干扰的能力。同时在电路的设计中还要兼顾放大倍数与放大器的稳定性这两方面的问题。信号的变换时，为了能将采集到的信号输入单片机进行信号的处理和输出显示，必须将从RTD 处采集到的模拟信号变换为数字信号。
    （3）低功耗。作为一种消费型的计算仪表，一个简单的使用要求是必需的，首当其冲的是功耗。
    （4）ADC 电路的所有电源供电端（V+，V-和数字电源VCC）和基准电压端都应该分别并联一个0.1uF 和一个等效串联电阻较低的电容（容值介于4.7uF 至100uF 之间，推荐使用钽电容）；
    （5）如果模拟和数字电源共用，则最好对数字电源进行滤波（模拟电源经RC 低通滤波后接至数字电源，R 可取几欧姆至几十欧姆，C 取几μF 至上百μF），尽量减小数字电源产生的影响；
    （6）避免数字信号和模拟信号平行布线，如果无法避免，则应该在它们之间用地线隔离；
    （7）A/D 转换器的数字地和模拟地应该在本地一点接地后，直接连至电源的地线输入端，其它数字信号的地不要在其中间接入，而也应该直接连至电源的地线输入端。 

参考文献：
[1] 姚天任，孙洪． 现代数字信号处理[M]．武汉：华中科技大学出版社．1999（6），P5471，P137149．
[2]康华光，陈大钦．电子技术基础（模拟部分）［Ｍ］．北京：高等教育出版社． 1998(8)，P397415

作者简介：
彭会萍：（1971）， 女，讲师，主要从事电子技术和信号处理方面的教学与科研。
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