PDF《C 卡热量表系统》

器件应用 《 电 子技 术)

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0 3年第 6期一种基 于MS P

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4 1 3的 智能 I C卡热量 表 系统 桂林电子工业学院(

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0 4 ) 刘永洪 蒋华桂林 同步 电子科技公 司(

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0 4 ) 张帆摘要文章介 绍 了一种 以MS P

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4 1 3单 片机 为核 心的智能Ic卡 热 量表 系统 的设 计 .

该 热量表系统 通过 实时测量 热水 的瞬 时流 量及 温度 , 计算 出用户在 一段 时间 内的 实际耗 用热 量,在购买的 热量 用 完后控 制关阀停 止供 应 热水 .整个系统 用电池供 电,计量准 确度 达到 国家三级 表 的标 准. 关 键词 MS P

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4 1 3单 片机 热量表 I c卡1概述2系统 组成目前 , 区域性 的集中热水供 暖 已在 许多地区日益普及 , 但是 对 暖气用 户 的热能用 量,大部 分地 区仍 按 照供 暖的 建筑 面 积计 费,而不 是按实际耗用 热量计费.智能 I C卡热量 表系统是一 种 预付 费热量计量系统 , 它集 流量传 感器、温度 传感 器、单片机 和Ic卡 于一体 , 测量 热水流经 换热器释放的热量 .系统采集流量 传感 器产 生的流量 脉冲,累计 一定流量后根据实时测量 的热 水温 度计算 出用 户 在一段 时间内的 实际耗 用热 量,实现 用户实际耗用 热量 的 自动 计量计费 .在用 户IC卡 中购 买的热量 用完后控制电动阀门关 阀停 止 供应热 水.液晶显 示 屏显 示当前的累积耗 用热量,按面板上的按 键,可以查看 累积热 量、累积 流量 、 进水 温度 、 回水温度 、 瞬时流量 、 累积工作时间、 购量、 余量等参 数,并进行 相应 设置 以及 温度 校准 .

5 4 美 国德 州仪 器的MS P

4 3 0系列十六 位 单片 机适 合应用 在 各种 要求 极低功率 消耗的场合,具有许多独到的功能 . 系统CPU选用MS P

4 3 0系列 的MS P

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3 单 片机 , 它集 成96段 L C D驱 动器 , 直接驱动液晶;

8K闪存,256BRAM;

串行 在线编程;

五种省电模式;

看门狗 定时器 确保 不死机;

P1和 P 2口 的所 有8个位 全部 可以做外中断处理,而且中断 边沿可选.MS P

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4 1 3本身 不带 A/ D转换器,但综合 使用它提供的Ti me r ― A 和Comp a r a t o r ― A 的功能,可以实 现 对阻 性传 感器 的精 密测 量.系统组 成如 图 1所 示 .阀 门驱动 电路控 制 电动 阀 门的开关 , 及 检测 阀 门是否 到位 ;

流量 测 量部分 检 测流量脉冲并整形 ;

四个按键用以查看及输入参数 ;

进水和回水温度用PT1000热敏电阻测量;

MS P

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4 1 3单片机没有 I I C总线,所以用 两个 I / 图1系统 组成维普资讯 http://www.cqvip.com 《 电 子技 术)

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0 3年第 6期善 M - 应用.口( P

6 . 3和P6.4)模拟 I I C总线 来 读写 E E P R OM 和IC卡 中 的数 据 .用 一节3V、

2 A h高性能电池为整个系统供电(阀门有专门的电池驱动).MS P

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4 1 3单片机的工 作电压可低达1.8V, 而EEPROM 和IC卡 的工作 电压高 于2.7V, 为 了充 分 利用 电池 的供 电能 力,通过一个升压 集成电路 将电池电 压升到3.3V为EEPROM 和IC卡 电路 供电. 升压 电路 平时处于关闭状 态,功耗几乎为0,而且EEPROM 和IC卡 也不工作 , 进一步减 小功耗.需 要操作 E E P R O M 或IC卡 时,由CPU控制升压电路工作 ( P

6 .

6 ) .升压 电路 在 电池 电压 低于2.0V时产生一 个报 警信 号,作为系统提 示更 换 电池 的依据 . 不 同温 度下 水 的密度 、 焓值 可 以查标 准表 获得 , 所以只要测 量 出一定 时 间内水 的体 积流量 和相 应的进水 和 回水温 度,就能计算 出 对应 的耗 用热量以及 累积耗 用热 量.系统选用 旋 翼式 流量 传感 器来 测量 流量 .旋翼 式 流量传 感器 置 于换 热器 进水口处 , 它 的磁 感体为干簧 管,带有磁 钢的叶轮在 水流 冲击 下转 动,每转动 一 圈干簧 管合 、 断 一次 产生 一个 流量 脉冲,流量 脉冲经整 形后 进入CPU.叶轮每转动一圈对应的体积流量 是 已知 的,系统采集 这些流量脉冲就可以知道 流量 .累积一 定 流量 后与 实时测 量 的热水 温 度计算 出用 户 在一段 时间内的实 际耗用 热量.3热量测量原 理4温度测量原理当热 水流 经换热器时 , 热水通过换 热器与周 围 环境 的热交换 量 可用下 列公 式计算 : Q 式中Q为释放 或吸收的热量,J或 W ・ h ;

p为流经换热器 的热 水 的密 度,kg/m;

Ah为在热交换系统的入 口和 出 口温 度下,水的焓 值差,J/kg;

为体积流量 , m3 . p和 ^与 热水的温度有关.实际测量时,由于两 次测量 之间的时 间间 隔很短,热水 温度变化很小,可以近似认 为进 水温 度和回水 温度 保持 不变 , 因 此积 分计算 可由累加 和求 得:Q:Q一l+ l D Ah V 式中Q为次测 量所 得的累积耗 用热量,Q一.为前一1 次测量所得的累积 耗用 热量,lD、Ah、V分别 为第 次测 量 时的热 水 的密度 ( 进水 ) 、 焓 值差 、 体 积流 量.系统 用RC充 放 电原理 测量 电阻 ( 温度)以降低 成本和简化设计 .综合使 用MS P

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4 1 3提供 的Time r ― A和Comp a r a t o r ― A 的功能,可以实现对阻性传感 器 的精 密测量.T i me r ― A 由一 个十六位定时器和 多路 比较 / 捕 获通 道组成,每一个 比较 / 捕获通道都 可以以十六位 定 时器 的定 时功 能为核 心进 行单独的控制 ;

C o mp a r a t o r ― A是 一个 实 现模 拟 电压 比较的功能模块.将Comp a r a t o r ―A 的比较输出CAOUT内部 选择 作为Time r ― A 的输 入,Time r ― A 定 时器 设为 以连 续方式工作 , 电容 充放 电时间可 以用定时 器捕 获功 能非常精确地测量 , 而不 必用 软件去查 询CAOUT的改 变 .具体 温度测量 原理如图2所示.通常用 放电过程来测量.将 电容C充 电至电源电压Vc , 分别通过参考电阻Rf和待测电阻R放电至某 一 阈值 电压 , 并 测量 各 自的放 电时 间Tr e f 和T.有 计算 公式 : 孛舀 侍摩 器6.~'

e/TWOPoCO/T/∞ 图2温度测量原理55维普资讯 http://www.cqvip.com 器M - 应用 <

电子技 , g )

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0 3年第 6期尺n∞r= R r e f T'

n ∞ r /7'

r e f 电压 c c 和 电容 C的取 值 是不 重要的,这些 因 素在计算中已消除了, 只是要求 c c 和 C的值在测 量过程 中保持恒定.通过计算或查表的方法 , 将电阻R.~的阻值 换成相应的温度值,与其他的非 线 性补 偿技术 相比, 该方 法就 显得 非常 简单 . 但是测量 需要 通过参考 电阻 R f 和待测 电阻R一对电容 C各充 放 电一次 才能 得到 一个 测量 值,而系统最 主要的功耗 就是在温度测量上,因此 在应用中对 测量进 行 了改进 . 图 2中 , C o mp a r a t o r ― A模块 比较 器 的参 考 电平 可以 内部 选择为外部参考电平 、

0 .

2 5 Vc c 、

0 .

5 Vc c 或二极 管参 考 电平 , 因此可 以改 变参考 电平 , 用Vc c 通 过参 考 电阻 R f 对 电容 C充 电到

0 .

5 Vc c , 再通 过待测电阻R对电容 C放 电到

0 .

2 5 Vc c , 每充放电一次 就能 得到一 个测 量值 , 如图3所 示.图3充放 电曲线根据电路学原理,用电压Vc c 通过参考电阻Rf对电容 C充 电时 , 从0.25Vc c 充 电到

0 .

5 Vc c 的时间间隔 为:盟=n即T2一 T1= fR f C l n

1 .

5 (

1 ) 时 间间 隔与 充电的起 始 电压 无关 , 只需 起始电压小于

0 .

2 5 c c ;

将 电容 C通过待测电阻R对地 放电时,从电压

0 .

5 Vc c 放 电到

0 .

2 5 Vc c 的时 间间 隔为 : T 4一T3= f R Cl n

2 (

2 ) 时间 间隔 与放 电 的起 始 电压 无关 , 只需 起始电压大于

0 .

5 Vc c . (

1 ) 、 (

2 ) 两式 相比,得到:R一=0.585Rref(T4一 T

3 ) / ( T2 ~ T1 ) 式中 ,为系统 的时钟频率 , Tl 、 T

2 、 T3 、 T 是 电容 C充放 电时 电压 经过

0 .

2 5 Vc c 、

0 .

5 Vc c 时Ti me r ― A 定时器 的 四个 捕 捉计数 值.用数字I/O端口与待测 电阻 R ( P T

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0 0 ) 和56参考电阻Rf相连以控制对电容C的充放电.MS P

4 3 0系列单片机的每一个数字 I / O端 口都是双 向口,可以设置 为输 出或输 入 .端 口设 置为输出并且置 位时 , 相 当于 输出电源 电压 V ∽通过电阻 对电容C充电, 复位时相 当于接地 , 使电容 C通过电阻 对地放电;

端 口设置为输入时相当于该路电阻断开 . 通过 控 制数 字I/O端 口的 状态,可以控 制对 电容 C 的充 放 电以及进 行相 应 的测量 . 从放电公式 2可 以知道, 测量的分辨率 由电容 C和系统 的时钟频率 厂决定 , C和 厂越大则分辨率 越高 , 但测 量 的功耗 也将 增大 , 同时测量 的范 围应 不超出Time r ― A的十六位定时器的计 时范 围. 所以应该综合测量所需的分辨率、 测量范围 、 系统功耗等 因素 来选择C和厂的 值.在C为2.2F、f为

4 MHz 时, 测量分辨率约为

0 .

0 4 . C . C o mp a r a t o r ― A 比较 器 的输 入偏压对 各个芯片都会不 同,也会 随温 度、电源 电压 、 输入电压而 改变 . 为了改 进测 量精度, 需要 补 偿输 入 偏压 的影响. C o mp a r a t o r ― A模 块提 供 了灵 活的测 量 配置 功能 ( 图2),第一 次测量时配置成比较 器正端接电容C正端,比较器负端连接到参考电平 ;

第二次测量时配置 成 比较 器 负端 接 电容 C正端,比较 器正端连 接 到参 考 电平 .将 两次 测量 值相 加平 均后作 为 一个 测量结 果,可以有效地减小比较器输入偏压的影响, 提高测 量精 度.5IC卡读 写IC卡 由于 具有存储容量大、数据保密性 好、抗干扰能力强 、 操作速度快等突出优点 , 近年来得到广 泛 的应用 .I C卡是用户识别和用户购买热量值的标志 , 本 系统采 用符合ISO7

8 1 6国际标 准 的逻 辑加密存储 卡.IC卡 通过IIC总 线读写数据,具有认证、系统密 码、用户读写密码多层 保密措施,以确 保数据的安 全 .在 I C卡插入卡座后,产生一 个IC卡 插入信号,插入信 号产生中断 唤醒CPU, C P U 控制升压 电路 工作 , 在检测到IC卡 及认证、校验密码通过后将 I C卡 中的热 量购 买量 读入 , 和 当前剩 下 的余 量 相加 后存 入EEPROM , 并将 I C卡 中的数据 清零.6系统软件设计 MS P

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3 单 片机 有 五种 级别 省 电模 式(0~4).在 C P U 活跃 时,功耗 较大;

CPU进入 省 电模式 后,功耗 极低 .省 电模 式级 别越 高功 耗越 低,所以应 根据 系统 的具 体情 况使CPU进入尽可能高 级别的省电模 式.热量表 系统的系 统软 件 设计 成事件驱 动 孛国 传 |嚣 矗//..锄.∞ 维普资讯 http://www.cqvip.com 《 电子技 术}

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0 3年第6期 嚣M - 应用 系统初 始化 定时中断 ? ―可 按键中断 ? ――T ― ― _ _

1 墨竺苎Y_ 读购 买量 清卡、 开阔 流量脉冲 ? N 电压低 ? ― 省电模式3 Y 测量温度 I 计算、扣热量 '

关阀. 图4系统主程序框图方式 , C P U工作在省电模式

3 , 静态 电流小于

1 A. 带来的一阶误差.该热量表系统在休眠状态下电流 在 有按键 按下、有卡插入、有流量脉冲产 生、定时中小于

4 A, 一节3V、

2 Ah高性 能 电池 可供系统正常断和电池 电压 低等 事件 发生 时产生中断 唤醒CPU, 工作 5年 以上 .在 测量 范 围内 (

4 ~9

6 C) , 温度测量 在 中断服 务程 序 中置 相应的标 志后使CPU退出省 误差 为±0 .

4 . C, 流量 测量 误差 为±2 .

0 %, 通过用热 电模 式,主程序 根据 所置的标 志处理完产 生 的事 件 量整体 测量 装置 对该热量表系统 进行整体测试,其后,CPU又 重进 入省电模 式休眠.在执 行开阀门、计量准 确度 达到国家 三级表的标 准,已在一 些地区关阀门指令 后 系统 检测电动阀门是 否到位,到位后得到应 用.断电.如果 在 限定........