智能数显热能表系统的设计.pdf

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1、毕业设计论文 智能数显热能表系统的设计 Design of Intelligent Digital Display Heat Energy Meter System 吉 林 建 筑 大 学 城 建 学 院 2015 年 6 月 毕业设计论文 智能数显热能表系统的设计 Design of Intelligent Digital Display Heat Energy Meter System 学生： 指 导 教 师： 刘广文 (副教授 ) 专业： 测控技术与仪器 学号： 110310102 所 在 单 位： 电气信息工程系 答 辩 日 期： 2015 年 6 月 毕业设计（论文）原创承诺书 1本

2、人承诺：所呈交的毕业设计（论文） 智能数显热能表系 统的设计，是认真学习理解学校的电气信息工程系毕业设计写 作规范后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规 定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。 2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果， 均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出 重要贡献的个人和集体均已在文中注明。 3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为， 由本人承担相应的法律责任。 4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规 定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本； 同意学校保留毕业设计 （论文）的复印件和

3、电子版本，允许被查阅 和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计 （论 文） ，可以公布其中的全部或部分内容。 以上承诺的法律结果将完全由本人承担！ 作 者 签 名：年月 目录 摘要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 绪论 3 1.1 课题研究目的及意义 3 1.2 国外研究现状 3 1.3 国内研究现状 2 1.4 主要研究内容 . 错误！未定义书签。 1.5 热能表相关性能指标 3 第 2 章 热能表的总体设计. 错误！未定义书签。 2.1 热能表的工作原理. 错误！未定义书签。 2.2 热能计算方法的确定. 错误！未定义书签。 2.3 硬件总体设计 . 错误！

4、未定义书签。 2.4 软件总体设计 . 错误！未定义书签。 第 3 章 热能表的硬件设计. 错误！未定义书签。 3.1 单片机模块设计. 错误！未定义书签。 3.1.1 MSP430F149单片机简介 错误！未定义书签。 3.1.2 电源电路设计 错误！未定义书签。 3.1.3 复位电路设计 错误！未定义书签。 3.1.4 晶振电路设计 错误！未定义书签。 3.1.5 按键电路设计 错误！未定义书签。 3.2 流量传感器模块的设计. 错误！未定义书签。 3.2.1 流量传感器的选择 错误！未定义书签。 3.2.2 流量传感器简介 错误！未定义书签。 3.2.3 流量传感器电路设计 错误！未定义

5、书签。 3.3 温度传感器电路设计. 错误！未定义书签。 3.3.1 桥式电路分析 错误！未定义书签。 3.3.2 差分比例运算电路分析 错误！未定义书签。 3.3.3 Pt1000桥式测温电路 错误！未定义书签。 3.4 A/D 转换模块 . 错误！未定义书签。 3.5 显示模块 . 错误！未定义书签。 3.5.1 LCD1602 液晶显示器简介 . . 错误！未定义书签。 3.5.2 液晶显示电路设计 错误！未定义书签。 3.6 串行通信模块电路设计. 错误！未定义书签。 第 4 章 热能表的软件设计. 错误！未定义书签。 4.1 主程序设计 . 错误！未定义书签。 4.2 按键子程序设计

6、. 20 4.3 定时器 T0 中断设计 20 4.4 流量统计子程序设计. 错误！未定义书签。 4.5 热能计算子程序设计. 错误！未定义书签。 4.6 液晶显示子程序设计. 错误！未定义书签。 4.7 串行通信子程序设计. 错误！未定义书签。 4.8 A/D 转换子程序设计. 错误！未定义书签。 第 5 章 热能表精度分析. 错误！未定义书签。 5.1 热能表准确度 . 错误！未定义书签。 5.1.1 准确度定义 错误！未定义书签。 5.1.2 误差限的计算 错误！未定义书签。 5.2 误差限影响因素分析. 26 结论 28 致谢 29 参考文献 30 附录 1 附录 2 附录 3 I 摘

7、要 随着我国供热体制的改革， 热能表将在不久的将来进入家庭。本文介绍了 智能数显热能表系统的设计，该系统采用低功耗MSP430F149 单片机作为数 据处理的核心，用流量传感器来测量热水的流量，用热敏电阻Pt1000 温度传 感器捕获输入和输出热水的温度。该系统包括硬件和软件， 硬件包括单片机模 块、测温模块、流量传感器模块、串行通信模块、显示模块、按键模块和电源 模块；软件部分包括主程序、按键、流量采集、温度采集、A/D 转换、热能计 算、串行通讯模块、显示等子程序。单片机分析处理采集的温度和流量信息， 通过显示模块显示热水入口温度、出口温度、瞬时流量、累计流量、本次热量、 累计热量等信息，

8、然后通过通信模块发送给PC 机，对用户使用的热能进行计 费。 关键词： 热能表； MSP430F149单片机；流量传感器；温度传感器 II ABSTRACT Along with the reform of heating system, heat energy table will be entering the family in the near future.This paper introduces the design of the intelligent digital display heat energy table system, the system adopts MSP

9、430F149 singlechip as the core of data processing, low power consumption by flow sensor to measure the flow of hot water, with a Pt1000 temperature sensor capture input and output temperature of hot water.The system includes hardware and software, hardware includes singlechip module, temperature mea

10、surement module, the flow sensor module, serial communication module, display module, keys module and power module;Software part includes the main program, buttons, traffic acquisition, temperature acquisition, A/D conversion, thermal calculation, serial communication module, display programs.Single

11、-chip microcomputer analysis to collect the temperature and flow of information, through the display module display the inlet temperature and outlet temperature, instantaneous flow, total flow rate, the cumulative of heat energy, and then sent to the PC through the communication module, the user usi

12、ng the heat energy for billing. Key words: Heat energy table; MSP430F149 singlechip; Flow sensor; Temperature sensor 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） 共 30 页，第 3 页 第 1 章 绪论 1.1 课题研究目的及意义 在我国，供暖是一个长期性的话题， 长江以北的大部分地区采用集体供暖， 地暖等方式供暖，如果白天家里没有人，而供暖还在持续，那么，这部分就完 全被浪费了，现如今越来越多地提倡节约资源保护环境，资源利用由粗放式转 向节约式。 如果可以用多少供多少

13、， 那么就可以节约很大一部分资源，群众不 但会节约一大部分供暖费， 而且可以改善按与实际采暖面积不符的按建筑面积 收费的弊端。在这个资源即将匮乏的星球， 节约能源已经是不得不重视的话题， 所以，在供暖采暖方面， 有很大必要做出一些改善， 很有必要来一次节能革命。 欧洲的很大一部分发达国家已经把供热体系发展到了智能化 1 ， 而我国还处于 初级阶段，我们不能再把人多难度大当成一个借口，而把它当成前进的理由。 我希望通过热能表的普及， 达到节约资源、 充分利用资源的目的， 既能让资源 的使用率提高，也能让人民受益。 1.2 国外研究现状 集中供暖计量收费是20 世纪 70 年代中期由欧洲开始的。相

14、应的“热能 表”，也经历了从机械式、 电子模拟积分式、 电子数字积分式直到微处理器为 基础的智能式的发展过程。到90 年代，户用热能表基本上定型，设计趋于一 致 1997年 4 月，欧洲共同体正式通过了统一的热能表标准，代号为EN1434。 现在向中国市场上推 销的欧洲各国的热能 表，大部分都标明了 “ 符合 OIML-R75 标准”和“符合 EN1434 标准”。这既是给用户一个选择、判断的 基本依据，也表明了欧洲热能表技术成熟和标准化的程度。 欧洲表热量积分计算仪一律采取的是K 系数补偿的方式 2 。 K 系数的取值 在进水和回水上是不同的，只能规定其中一个固定的位置，不得变换。因此， 欧

15、洲的热能表一般规定要安装在回水管道上，也就是流量计只能测回水的流 量。如果用户盗用热水， 热量计量结果反而减少。 管道施工和安装也不够灵活 和方便。 欧洲热能表采用的测温元件是PT100和 PT500。PT100即在 0时电阻值 为 100欧姆，测温探头的引线电阻必然会给测量带来误差。因此对引线电缆的 长度有严格的要求，一旦配对完毕，不可任意延长或缩短。 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） 共 30 页，第 4 页 参考文献 1 高峰 .单片微型计算机原理与接口技术 M. 北京：科学出版社, 2007, 4. 104 131 2 杜树春 . 单片机应用系统开发实例详解 M. 北

16、京：机械工业出版社, 2007, 10. 4851 3 魏立功 . 单片机原理与应用技术 M. 北京 : 北京大学出版社, 2004 4 吕崇德 , 姜学智等 . 热工参数测量与处理 M. 北京 : 清华大学出版社, 1990, 1 5 王树峰 . 关于我国热能表的历史, 现状和发展 J. 中国建设信息供热制冷, 2005( 5) 6 翟智民 . 热能表误差限的分析 J. 计量与测试技术, 2009(3) 7 杨精林，曹立军, 韩来章 , 吴伟福 . 热能表示值误差测量不确定度评定 J. 工业计 量, 2005 8 包胜华 . 热量表中的温度传感器 J. 仪表技术与传感器, 2003( 3)

17、9 胡诚 .高精度温度控制系统的研究J. 湖北民族学院学报( 自然科学版 ), 2006( 3) 10 刘小亮 . 基于 STC12LE5410AD 单片机的热能表的研制 D. 河北科技大学，2012 11 李晶 , 莫德举 . 户用低功耗超声式热量表的研究 J. 北京化工大学信息科学与技术学 院，北京， 100029 12 陈秋阳 , 陈春平 . 基于MSP430FW427无磁热能表的设计 J. 青岛大学学报：工程技 术版， 2010 年第 1 期 英文文献： 13 Zhang Tao. The Research and Application of Low Power Designment

18、 in Intelligent Heat MeterD.Hebei University of Technology,2006,3,pp.3 -4 14 Li Fang. Study of Calculation Methods of Heat Transmission of Heat metersJ.pp.475-477 15 Ye Xian-ming; Zhang Xiao- dong,“Design on intelligent heat meter”,Instrument Techniques and Sensor noJ.1,2005,pp10-12 16 Fang Lide, “S

19、tudy on dynamic character of a new heating measurement and control system ” ,Master s degree dissertation of He Bei University of TechnologyD,2005.3,pp18-36 附录 1 原理图 12 Y1 8MHz S1 S2 T1A TL431 32 1 84 U2A LM358N C10104 R8 10K R6 10K R2 100K R10 100K R71K C7 103 R42K R32K 12 J1 Pt1000 R1 5.1K VCC VCC

20、 R21 10K VCC C11103 T1B TL431 65 7 84 U2B LM358N R18 10K R16 10K R12 100K R20 100K R17 1K C8 103 R14 2K R13 2K 12 J2 Pt1000 R11 5.1K VCC VCC VCC +5V BLKBLA D0 D1D2 D3D4 D5 D6D7 E R/W RSVL D0D1D2D3D4D5D6D7 E R/W RS XT2IN XT2OUT XT2IN XT2OUT VCC ST1 ST2 ST 2 ST 1 TX1 RX1 VCC TX1 RX1 VCC RST RST V cc-F

21、 1 G N D - B 2 Sig n al-H 3 CG1 无 磁 -20 口 径 流 量 传 感 器 VCC R22 10K C6 0.1uF C4 0.1uF C1 10uF/10V C2 0.1uF VCC C3 0.1uF C5 0.1uF 123 J4 232-1 T1OUT R1IN SIGNAL VCC IN 1 3 OUT 2 GND U4 AMS1117-3.3V +5V C12 100uF/16V C13104 C11 100uF/16V C9 VCC 12 J3 CON DVcc 1 P6.3/A3 2 P6.4/A4 3 P6.5/A5 4 P6.6/A6 5 P6

22、.6/A6 6 VREF+ 7 XIN 8 XOUT 9 VeREF+ 10 VREF-/VeREF- 11 P1.0/TACLK 12 P1.1/TA0 13 P1.1/TA1 14 P1.3/TA2 15 P1.4/SMCLK 16 P1. 5 /T A 0 1 7 P1. 50 1 8 P1. 7 /T A 2 1 9 P2. 0 /ACL K 2 0 P2. 1 /T A I N CL K 2 1 P2. 2 /CAO U T /T A 0 2 2 P2. 3 /CA0 /T A 1 2 3 P2. 4 /CA1 /T A 2 2 4 P2. 5 /Rosc 2 5 P2. 6 /AD

23、 C1 2 CLK 2 6 P2. 7 /T A 0 2 7 P3. 0 /STE 0 2 8 P3. 1 /SIMO 0 2 9 P3. 2 /SOM I 0 3 0 P3. 3 /UCL K 0 3 1 P3. 4 /UT X D 0 3 2 P3.5/URXDO 33 P3.6/UTXD1 34 P3.7/URXD1 35 P4.0/TB0 36 P4.1/TB1 37 P4.2/TB2 38 P4.3/TB3 39 P4.4/TB4 40 P4.5/TB5 41 P4.6/TB6 42 P4.7/TBCLK 43 P5.0/STE1 44 P5.1/SIMO1 45 P5.2/SOMI

24、1 46 P5.3/UCLK1 47 P5.4/MCLK 48 P5. 5 /SMCLK 4 9 P5. 6 /A CLK 5 0 P5. 7 /T B0 U T H 5 1 X T 2 O U T 5 2 X T 2 IN 5 3 T D 0 /T D 1 5 4 T D 1 /T CLK 5 5 T M S 5 6 T CK 5 7 RST/N M I 5 8 P6. 0 /A0 5 9 P6. 1 /A1 6 0 P6. 2 /A2 6 1 A V s s 6 2 D V s s 6 3 A V cc 6 4 U1 MSP430149 VSS 1 VDD 2 VL 3 RS 4 R/W

25、5 E 6 D0 7 D1 8 D2 9 D3 10 D4 11 D5 12 D6 13 D7 14 BLA 15 BLK 16 U5 1602 SIGNAL R24 1K R23 1K +5V SP3223 IN 1 3 OUT 2 GND U4 LM7805 C14 100uF/16V C15104 +5V Trans T1 104 V- 3 AC 4 AC 2 V+ 1 D1 Bridge 8V EN 1 C1+ 2 V+ 3 C1- 4 C2+ 5 C2- 6 V- 7 T2OUT 8 R2IN 9 R2OUT 10 STSTUS 11 T2IN 12 T1IN 13 ONLINE 1

26、4 R1OUT 15 R1IN 16 T1OUT 17 GND 18 VCC 19 SHUTDOW N 20 U1 103 C9 R5 POT2 R19 POT2 R15 POT2 R9 POT2 附录 2 元器件清单 表 1 元器件清单 元件类型标号数量 ( 个) 1KR7、R17 、 R23、 R24 4 2KR3、R4 、R13、R14 4 5.1K R1 、 R11 2 10KR6、R8、 R16 、R18、R21、R22 6 100KR2、R10 、 R12、 R20 4 POT2 R5、R9 、R15、R19 4 Pt1000 J1、J2 2 232-1 J4 1 103 C7、C

27、8 、 C9、C11 4 104 C2、C3 、C4、C5 、C6、C10、C13、C15 8 100uF C9 、 C14 2 10uF C1 1 LM358N U2A 、U2B 2 TL431 T1A、T1B 2 CON J3 1 KEY S1、S2 2 流量传感器CG1 1 MSP430F149 U1 1 LCD 1602 1 LM7805 U7 1 AMS1117-3.3 U4 1 SP3223 U1 1 Bridge D1 1 8MHZ晶振Y1 1 附录 3 源程序清单 /reneng.c主程序 #include #include #include #include #include

28、 “codetab.h“ #include “isp.h“ unsigned char SCC110; unsigned char SCC210; #include “ad.h“ sbit k1=P32; sbit k2=P33; sbit k3=P34; union float l; char c4; ; unsigned char speed,tmp1,tmp2,t,kk; unsigned int speed; long saheat; float heat,aheat; void change(float j,unsigned char cc) unsigned long int i;

29、 i=j*100; cc8=i%10+0; cc7=i/10%10+0; cc6=.; cc5=i/100%10+0; cc4=i/1000%10+0; cc3=i/10000%10+0; cc2=i/100000%10+0; cc1=i/1000000%10+0; cc0=i/10000000%10+0; void clear(unsigned char cc) unsigned char i; for(i=0;i0;t-) for(y=110;y0;y-); void write_com(unsigned char com) /写命令 P3OUT/作为 RS选择端低电平有效 rw(0);

30、P4OUT=com; delay(5); P3OUT|=BIT7; /delay(5); P3OUT void write_data(unsigned char date) /写数据 P3OUT|=BIT5;/作为 RS选择端高电平有效 rw(0); P4OUT=date; delay(5); P3OUT|=BIT7;/作为 E选择端 =1; / delay(5); P3OUT void init() /初始化 P3DIR=0xff;/P3输出 作控制口 P3SEL=0; P3OUT=0x00; P3OUT/E P3OUT/RS P4DIR=0XFF;/P4 输出作数据口 P4SEL=0; P

31、4OUT=0X00; write_com(0x38);/显示模式设置 write_com(0x0c);/开显示，不显光标 write_com(0x06);/数据地址指针 write_com(0x01);/清屏 _BIS_SR(GIE);/两个开总中断的方法随便用哪一个 display2(unsigned char x,unsigned char *p) /显示函数2 unsigned char y=0; /y要给其初值0 否则出乱码 write_com(x); while(py!=0x00) write_data(py); y+; delay(5); /ad.h AD 转换子程序文件 #inc

32、lude “REG51.h“ sfr ADC_CONTER=0xC5; sfr ADC_DATA=0xC6; sfr P1M0=0x91; sfr P1M1=0x92; void Init_AD() P1M0=0x03; P1M1=0; ADC_DATA=0; ADC_CONTER=0XE0; delay(1); unsigned char AD(unsigned char i) ADC_CONTER=0xe8|i; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); while(!(ADC_CONTER ADC_CONTER=0xe0; return ADC_DATA; unsigned char j=0; int g_timeout=0; void delay(unsigned int ms)/ 延时子程序 unsigned char i; while(ms-) for(i=0;i120;i+); void Print_Char(unsigned char ch)/发送单个字符 SBUF=ch; /送入缓冲区 while(TI!=1); /等待发送完毕 TI=0; /软件清零 void Print_Str(unsigned char *str)/发送字符串 while(*str!=0) Print_Char(*str); delay(2); str+;