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1、石家庄铁道大学四方学院毕业设计基于单片机的热能表设计The Heat Meter Based on MCU毕业设计(论文)开题报告题目基于单片机的热能表设计 学生姓名学号 班级 专业电气工程及其自动化一、 研究背景 目前，北方大部分集中供暖的省市都发布了新建住宅集中采暖系统必须采用分户热计量的技术标准或行政法规，给热量表行业带来了巨大商机。然而，我国试点项目使用的热计量产品多为欧洲进口产品，国内自主研发的产品还未实现成熟的批量生产，质量参差不齐。从国内供热计量的试点经验来看，即使是进口产品，在施工和使用过程中也存在问题，某种程度上也影响了供热计量工作的顺利进行。二、 国内外研究现状在国外，集中
2、供暖计量收费是20世纪70年代中期由欧洲开始的。相应的“热量表”，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。直到90年代，户用热量表基本上定型，设计趋于一致1997年4月，欧洲共同体正式通过了统一的热量表标准，代号EN1434。现在向中国市场上推销的欧洲各国的热量表，大部分都标明了“符合OIML-R75”和“符合EN1434标准”。欧洲表热量积分计算仪一律采用K系数补偿的方式。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。欧洲热量表采用测温元件是Pt100和Pt500。Pt100即在0时电阻值为100。在国内，中国热量表的
3、自行研制开始于上世纪的九十年代。根据专利文献，中国最早研制“采暖用热量表”的是山西的一位教师。中国热量表的研发、生产中，认真学习借鉴了国外成熟的技术，也针对中国国情做了大量自主开发的努力。中国热量表有以下特点：测温传感器选用了Pt1000（相比欧洲过去采用的Pt100和Pt500，测量信噪比提高了2-10倍），不仅如此，我国热量表既可用于测量供热量，也可用于测量供冷量（吸热量），一表两用。区别于欧洲热量表安装在回水管道上，我国热量表大都设计成既可安装在进水管道上，也可安装在回水管道上，这种做法对盗用热水有一定的制约作用。中国国产热量表的价格比欧洲进口热能表便宜1/2到2/3左右，并且中国目前的
4、供热系统对中国的热量表提出了比欧洲国家更苛刻的要求，对水质的适应性更高。虽然我国热能表相比欧洲有不少优势，但是由于流量计主要部件，流量计量传感技术相对复杂，问题较多，中国热量表在这方面尤其是薄弱的环节。三、 研究方案热能表主要有三部分组成：流量计、温度传感器、积算器。流量计部分用以测量流经热交换的热水流量，设计中采用机械式流量计，这种流量计工艺简单，成本较低，性能稳定，计量精度高。温度传感器用来分别测量供暖进回水温度，传感器采用Pt1000，一方面该传感器精度符合国家标准，提供较为精确的数据，使得计费较为准确，另一方面，此温度传感器各种研究资料较为充足，有利于准确计算出热量值。积算器部分根据流
5、量计和温度传感器提供的流量和温度，通过热力学公式计算出用户在热交换系统中获得的热量，这部分主要由单片机构成，除单片机处理和分析各种数据以外，为了方便统计和用户了解家庭获得热量，该部分添加了GSM通信模块和12864显示屏。GSM通信模块可以将单片机得出的热量信息发给统计部门，这种方法节省成本，有利于实现无人化管理，并且控制简单方便，采集信号范围广。显示方面准备采用低功耗12864显示屏，采用这种显示屏一方面可以节约电能，延长热量表使用时间，另一方面，12864显示的数据较多，可以更精确的显示流量统计数据。热能表结构框图如图3-1所示。图3-1 热能表结构框图四、 预期结果本设计通过设计流量传感
6、器模块，温度传感器模块，通过单片机接受传感器数据，经过单片机进行积算，得出结果，通过显示模块输出显示流量数据，通过GSM模块发送流量，热量数据。经过这几个模块体系，实现对热能表的设计。指导教师签字时 间年 月 日摘 要长期以来，我国北方地区城镇居民采暖一般按住宅面积而不是实际用热量收费，导致用户节能意识差，造成严重的资源浪费。显然这种计量方法缺乏科学性，不仅如此，虽然国外热能表研究时间较长，但是进口热能表价格较为昂贵，所以研究一款经济实用符合我国国情的热能表非常必要。本文介绍了基于STC12C5204AD单片机为基础的热能表模块的总体设计方案。设计的热能表硬件部分由单片机模块、测温模块、流量传
7、感器模块、GSM通信模块、显示模块、按键模块和电源模块组成。软件部分由主程序、按键程序、流量采集程序、温度采集程序、AD转换、计算程序、GSM模块程序、显示程序等。最后分析热能表模块的精度范围。通过对温度的采集和流量的采集，通过单片机分析，经过显示模块显示入口温度、出口温度、流量、热量等信息，在通过GSM模块定时发送到统计端完成对用户的计费。从而提供了一种成本较低，性能较优的新型热能表。关键词：热能 热能表 单片机 热能计算AbstractFor a long time , Chinas urban residents in northern residential area of heati
8、ng generally use heat instead of the actual charges, resulting in poor user awareness of energy , causing serious waste of resources. This apparent lack of measurement science, not only that, although longer study abroad heat meters , heat meters but imports more expensive , it is an economical and
9、practical research in line with China s national conditions of heat meter is necessary.This article describes the overall design scheme based microcontroller based STC12C5204AD heat meter module. The hardware design of the heat meter by the microcontroller module , module temperature , flow sensor m
10、odule , GSM communication module , display module , keypad module and power module. Software part of the main program, key procedures, traffic data collection procedures, temperature acquisition procedures , AD converter, computer program , GSM module program, display procedures. Finally, the scope
11、of analysis precision heat meter module.Collected by the collection of temperature and flow through SCM analysis , through the display module displays the inlet temperature , outlet temperature , flow, heat and other information regularly sent through GSM module to complete the statistical end user
12、billing . Thus providing a lower cost , better performance of the new thermal table .Keywords : thermal energy meter single-chip energy calculation目 录第1章 绪论11.1 课题研究的目的意义11.2 国内外研究现状11.2.1 国外研究现状及特点11.2.2 我国研究现状及特点21.3 研究内容和方法2第2章 热能表系统总体结构设计32.1 热能表系统的原理与组成32.1.1 热能表的基本工作原理32.1.2 热能表结构框架32.1.3 热能表的
13、组成及相关性能指标42.2 热量计算原理52.2.1热量的计算公式52.2.2热量计算公式的对比分析选择62.3 流量传感器的选择72.3.1 流量传感器的选型分析72.3.2 LCT-9273B型流量传感器简介8第3章 热能表硬件系统设计103.1 STC12LE5616AD单片机的选择和简介103.2 主电路设计123.3 流量传感器电路设计133.4 温度传感器电路设计143.4.1 桥式电路分析143.4.2 差分比例运算电路分析143.4.3 Pt1000桥式测温电路153.5 GSM通信模块电路设计163.5.1 GSM模块的选择173.5.2 TC35i模块简介173.6 显示模
14、块电路设计193.6.1 显示模块选择193.6.2 OLED12864模块简介193.6.3 OLED12864模块连接电路20第4章 热能表软件系统设计214.1 设计思路及程序流程图214.1.1 设计思路214.1.2 主程序设计214.1.3 按键子程序设计及流程图224.1.4 定时器T0及串行中断流程图设计234.1.5 流量统计子程序流程图244.2 温度计算程序设计254.3 液晶显示子程序设计264.4 EEPROM子程序设计274.5 串行通信子程序294.5.1 串行通信相关寄存器294.5.2 串行通信子程序314.6 GSM通信程序314.7 AD转换程序设计324
15、.7.1 A/D转换寄存器33第5章 热能表精度范围分析355.1热能表准确度355.1.1准确度定义355.1.2误差限的计算355.2误差限影响因素的影响36第6章 结论与展望396.1 结论396.2 展望40参考文献41致 谢42附 录43附录A 外文资料43附录B 热能表硬件电路图44附录C 元器件清单45附录D 源程序清单46第1章 绪论1.1 课题研究的目的意义长期以来，每到入冬的时候，供暖问题就成为长江以北城镇居民的热门话题，近几年国民经济的快速发展，环境保护开始被越来越多地提倡，国务院对能源的利用方式由粗放式向节约式转变相当重视，现在普遍采用的按建筑面积收费的弊端越来越明显,
16、建筑面积通常与实际采暖面积不符，按面积收费，容易引起用户和供热部门的纠纷。而且现在普遍实行的先交费后供暖的模式，使得用户欠费或不交费的状况时有发生，由此给国家造成巨大的经济损失。依据建设部建筑节能“九五”计划和2010年规划的发展目标中明确指出：“对集中供暖的民用建筑安设热表及有关调节设备并按表计量收费的工作，1998年通过试点取得成效，开始推广；2000年在重点城市成片推行；2010年基本完成。”实现供热计量收费基础设施是能以足够的精度对实际使用的热量进行测量的热能表。在经济发达国家，户用供暖热表的使用已经相当普遍。热能表作为热力公司向每个供暖受益者(住户)计价收费的手段和依据，不仅已广泛被
17、用户接受，而且节能达到20%30%。对中国来说，推行热能表是势在必行的。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状及特点集中供暖计量收费是20世纪70年代中期由欧洲开始的。相应的“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
18、量积分计算仪一律采取的是K系数补偿的方式。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。此外，还有价格昂贵的问题。几年来3个国家5家公司在中国几个城市的试点，在节能效果上都得出了肯定的结论，但推广却受到阻力。除去等待政策外，价格
19、昂贵也是重要的原因。1.2.2 我国研究现状及特点中国热能表的自行研制开始于上世纪的九十年代。根据专利文献，中国最早研制“采暖用热能表”的是山西的一位教师。中国热能表的研发、生产中，认真学习借鉴了国外成熟的技术，也针对中国国情做了大量自主开发的努力。中国热能表有以下特点：测温传感器选用了Pt1000(欧洲的热能表过去一般采用Pt100和Pt500)；这使得测量信噪比提高了2-10倍。中国热能表设计大多数能做到：既可用于测量供热量，也可用于测量供冷量(吸热量)，一表两用。既可用于集中供热计量收费；也可用于正在发展的冷热联供，及中央冷暖空调的系统和分户冷热计量。欧洲的热能表一般规定将流量计安装在回
20、水管道上，我国热能表大都设计成既可安装在进水管道上，也可安装在回水管道上，对盗用热水有一定的制约作用。中国国产热能表的价格大概是欧洲进口热能表的1/2至2/3左右，并且中国目前的供热系统对中国的热能表提出了比欧洲国家更苛刻的要求，如要求热能表对水质的适应性更高。热能表中流量计是主要的部件，流量计量传感技术相对复杂，问题较多，中国热能表在这方面尤其是薄弱的环节。1.3 研究内容和方法研究内容以单片机为核心，配合进水回水测温电路、流量计，计算出系统释放的热能并显示流量和热能参数。其中系统的误差不大于5%；温度传感器用Pt1000，流量计的输出信号为脉冲信号，模块用液晶显示，可以显示累积流量、累计热
21、能、瞬时流量、当前进水温度和回水温度等参数；设计流量和热能的算法公式；温度信号的处理用自己搭建的电路实现；各种信息通过GSM通信传播；编写单片机程序，做出实物。为此，通过查看国内外热能模块相关资料，根据课题要求对热能表进行设计，通过流量传感器和温度传感器对水流量和水温的测量，通过A/D转换送入单片机，在单片机内计算出相应的测量值。通过按键、功能键模块调用在液晶模块上进行显示，同时系统精确度能够满足要求。第2章 热能表系统总体结构设计2.1 热能表系统的原理与组成2.1.1 热能表的基本工作原理热能表用于采暖系统中，将一对温度传感器分别安装在热能交换回路的入水口和出水口处，流量传感器安装在出口处
22、，当热能表模块开始工作时，单片机采集这对温度传感器入水口和出水口的温度信号和流量传感器的流量信号，通过单片机对这些信号的处理和计算，得出在进行热交换过程中回路系统的入水温度、出水温度、瞬时流量、累积流量和累计热量等信息，通过液晶屏显示出这几种数据量，再按时间将这些信息发给统计部门供供暖部门对各户进行收费。2.1.2 热能表结构框架热能表模块主要由单片机、测温电路、流量传感器、显示、按键、电源电路、GSM通信模块组成，系统结构框图如图2-1所示。图2-1 热能表模块结构框图测温电路1和测温电路2分别测量热交换系统的入水和出水温度，流量计测量流经热交换系统的水流量，通过发出脉冲信号的频率来计算流量
23、信息。单片机通过采集这三个信号通过处理和计算，得出热交换系统的入水温度、出水温度、瞬时流量、累积流量和累计热量等结果。显示屏可以对系统中的各种数据量进行显示。按键可以通过对程序的设计来控制热能表的各种功能，如切换液晶屏显示数据等。电源模块通过设计完成对热能表系统的供电，尽量采取电池供电，满足现实需要。单片机定时通过GSM模块向统计部门发出统计信息用实现供暖公司对用户取暖收费的标准。2.1.3 热能表的组成及相关性能指标热量表行业标准CJ128-2000中定义热量表(Heat meter)：用于测量及显示水流经热交换系统所释放或吸收热量的仪表。热量表主要有以下三部分组成：(1)流量计：用以测量流
24、经热交换的热水流量；(2)温度传感器：分别用来测量供暖进回水温度；(3)积算器：根据流量计和温度传感器提供的流量和温度，通过热力学公式计算出用户从热交换系统中获得的热量。热量表作为一种计量器具，属于国家规定“实行强制检定”的仪表产品，应满足热量表行业标准CJ128-2000中规定的各项指标和相关要求，主要技术要求如下：1)环境温度：环境A类：+5+55 环境B类：-25+552)热量表至少显示热量、流量、累积流量、供回水温度和累积工作时间。3)热量的显示单位必须用J或Wh及其十倍数。累积流量的显示单位必须用m3。4)温度的显示单位必须用显示。显示单位必须标在不被混淆的位置。5)显示数字的可见高
25、度不应小于4mm，小数数字必须有小数点分开。6)热量表必须能够在最大热功率下持续3000h无超量程地显示热量。在最大热功率下工作一小时，热量表最小位数至少步进一位。7)热量表应能承受规定温度及压力下的水压强度试验和密封性试验。8)在常用流量时，最大允许压力损失不应超过0.025MPa。9)温度测量应采用铂电阻温度传感器。如果温度传感器和计算器组成一体，也可采用其他形式的温度传感器。温度传感器应经过测量选择配对。10)热量表的最大温差与最小温差之比应大于10，供货厂家必须提供最小温差值。11)热量表的电源宜采用内装电池，内装电池的使用寿命应大于5年。12)热量表计量准确度分为三级，采用相对误差限
26、E表示，相对误差限E定义如下： E= (2-1) 式中: Vd显示的测量 Vc常规真实值。1级 E=(2+4 +0.01) (2-2)2级 E=(3+4+0.02) (2-3)3级 E=(4+4 +0.05) (2-4)式中 : E相对误差限%； tmin最小温差； t使用范围内的温差 ； qp常用流量m3/h； q使用范围内的流量m3/h。 整体式热量表准确度应按上述三个等级执行。13)组合式热量表准确度等级可按分部件误差限执行。热量表总误差为三项误差的算术和值(绝对值和)。 计算器误差限E E=(0.5+) (2-5)配对温度传感器误差限E E=(0.5+3) (2-6)流量传感器误差限E
27、 1级 E=(1+0.01) (2-7)2级 E=(2+0.02) (2-8) 3级 E=(3+0.05) (2-9) 各级流量传感器误差限最大不应超过5%。2.2 热量计算原理2.2.1热量的计算公式热量的计算公式习惯上分为两种：直接计算法也称焓差法见式(2-10)和K系数计算法见式(2-11)。 (2-10)式中：释放或吸收的热量(或)；流经热能表中载热液体的质量流量()；流经热能表的水的体积流量()；流经热量表的水的密度()； 在热交换系统的入口和出口温度下，水的比焓值()；时间()。 (2-11)式中：释放或吸收的热量(或)；载热液体流经热交换系统水的体积()；热交换系统中载热液体入口
28、处和出口处的温度差()；热系数，它是载热液体在相应温度和压力下的函()或()。由于第1种方法采用不同温度(和压力)下比焓值差和密度值，直接计算出热量，从理论上说，它较第2种K系数方法补偿更直接和明确。将式2-10化为求和式 (2-12)式中：第时刻流经热能表水的体积流量；，分别为供水、回水的温度下对应的比焓值； 流经热能表的水的密度()。本热能表的热量计算和累积就是根据式2-12进行的。2.2.2热量计算公式的对比分析选择我国供热体制改革是借鉴了欧洲的经验下推行的，热量表行业的相关标准以及热量表鉴定方法及流程是以欧洲标准EN1434“热能表”为范本，结合我国具体国情状况进行制定。根据欧洲标准下
29、EN1434“热能表”的K系数的计算公式是： (2-13)式中：热交换回路中入口温度对应的载热液体的比焓值()； 热交换回路中出口温度对应的载热液体的比焓值()； 热交换回路中载热液体入口处的温度()； 热交换回路中载热液体出口处的温度()； 比容()。 (2-14)式中：R=461.526；=(当体积计量位置在入口处)或(当体积计量位置在出口处)。 (2-15)其中：、为常数；(=1386)。由式(2-13)、(2-14)、(2-15)可以看出热系数K是由焓差计算得出来的，因此可以说焓差法和热系数法在本质上是相同的。如果假设入口温度为80，出口温度为50，压力为0.6，质量流量为6，在1的时
30、间内释放的热量。焓差法：=753.6；热系数法：=0.2093=753.4。两种方法的计算差别：=0.03%。可以看出两种计算方法间的计算差别远小于1级热能表的误差限，所以采用不同方法引起的计算差别是完全可以忽略的。在测量过程中为了计算方便往往在流量传感器输出质量流量时采用焓差法计算而流量传感器输出体积流量时采用热系数法计算。总的来说热能表热量计算方法主要有K系数法和焓差法，K系数法和焓差法有着相当紧密的联系，同时两种计量方法之间存在着一定的差值，但对于热能表来说，这一点不一致对计量精度产生的影响，可以忽略不计。根据实际情况我们选用焓差法进行热能计算。2.3 流量传感器的选择2.3.1 流量传
31、感器的选型分析流量传感器按照国内外市场的情况，主要分为超声波式、电磁式、机械式(其中包括：涡轮式、孔板式、涡街式)。为此，对比这三种方案的热能表，各自具有以下优缺点：(1)超声波式热能表采用超声波式流量计的热能表的统称。它是利用超声波在流动的流体中传播时，顺水流传播速度与逆水流传播速度差计算流体的流速，从而计算出流体流量。优点：对介质无特殊要求；流量测量的准确度不受被测流体温度、压力、密度等参数的影响，流量测量范围比一般的机械式热能表宽，尤其是在测量小流量时准确度比机械式热能表高。一般DN40以上的热能表多采用这种流量计。具有压损小，不易堵塞，精度高等特点。缺点：初投资相对较高，对于用户来说要
32、考虑成本因素。气泡对准确测量干扰很大，安装时要求进行排气措施。(2)电磁式热能表采用电磁式流量计的热能表的统称。是一种测量热变换系统中载热流体所释放的热量的计量仪表。它使用了高精度、高可靠性电磁流量计作为流量测量，采用高精度、高稳定性的铂金热电阻做温度测量。优点：该热能表具有非常优异的测量性能。缺点：由于成本极高，需要外加电源等原因，所以很少有热能表采用这种方案。(3)机械式热能表采用机械式流量计的热能表的统称。机械式流量计的结构和原理与热水表类似。优点：具有制造工艺简单，相对成本较低，性能稳定，计量精度相对较高等。目前在DN25以下的户用热能表当中，无论是国内还是国外，几乎全部采用机械式流量
33、计。缺点：受水质影响比较大。以上三种方案中，电磁式热能表成本极高并且需要外加电源，所以排除这种方案，超声波式热能表虽然比机械式热能表计量精密，但是维护复杂，初期成本高，故障后只能整体替换，进一步提高了使用该方法的成本。不仅如此，由于采暖过程中，高温会使管道壁上形成气泡，这些都会给超声波热能表流量计的计量精度带来巨大影响。机械式流量计对于所处环境要求较为宽松，价格也较为合理，所以三种流量计比较起来选择机械式热能表无论是在经济方面还是精度方面均有较大优势。综上所述，设计中采用LCT-9273系列流量传感器中的LCT-9273B。2.3.2 LCT-9273B型流量传感器简介LCT-9723系列无磁
34、流量传感器，主要用于测量物体的平动位移或转动位移、平动速度或转动速度，输出数字信号，优良的远距离传输功能，功耗极低(小于7A)，能有效满足工程测量应用的要求。因此可以解决上述无磁流量计的诸多弊端，且具有微功耗(56A)，高精度，不受叶轮上下窜动影响，可靠性高，抗干扰能力强，耐大温差等特点，并具有相当好的远传能力，详细指标可以参考有关应用说明书。另外本模块采用微功耗、高可靠性、大温差、宽电压设计，本芯片尤其是适用于在要求微功耗、高可靠性、大温差的应用环境中，应是优良的首选器件，其潜在的及尚未开发的应用领域也很广泛，具有一系列的潜在效益和应用前景，并在各领域中都具有很大的开发与应用价值。本设计选用
35、的LCT-9723B：蓝色圆形封装 ，内含探头，外带三芯屏蔽线和接地线，适用基表类型为浪花、连利的小口径基表，暂无可选配件。其外接 17cm长的三芯屏蔽线，5cm长的接地线。其外观如下图2-3所示。三芯屏蔽线中：1 白色线：电源；2 红色线：电源；3 黄绿线：接地线，4 黄色线：信号。图2-3LCT-9723B第3章 热能表硬件系统设计3.1 STC12LE5616AD单片机的选择和简介STC12LE5616AD是STC12C5620AD系列单片机之一，该系列单片机由STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是具有高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的805
36、1，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，4路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。其它特点如下：1. 增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。2. 工作电压：STC12LE5620AD系列工作电压：3.6V-2.2V(3V单片机)。3. 工作频率范围：035MHz，相当于普通8051的0420MHz。4. 用户应用程序空间16K字节。5. 片上集成768字节RAM。6. 通用I/O口23个，复位后为：准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O口)可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个
37、I/O驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA。7. 有ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片。8. 有EEPROM功能。9. 看门狗。10. 内部集成MAX810专用复位电路(外部晶体20M以下时，可省外部复位电路)。11. 时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器。用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部R/C振荡器频率为：5.2MHz6.8MHz。精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准。1
38、2. 共6个16位定时器。两个传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，PCA模块可再实现4个16为定时器。13. 2个时钟输出口，可由T0的溢出在P1.0输出时钟，可由T1的溢出在P1.1输出时钟。14. 外部中断9路，下降沿中断或低电平触发中断，PAC模块可分别或同时支持上升沿中断/下降沿中断，Power Down模式可由外部中断唤醒，/P3.2，/P3.3，T1/P3.5，RxD/P3.0，PCA0/P3.5，PCA2/P2.0，PCA3/P2.4。15. PWM(4路)/PCA(可编程计数器阵列，4路) 也可用来当4路D/A使用。 也可用来在实现4个定时器
39、。 也可用来在实现4个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别)。16. A/D转换，10位精度ADC，共8路。17. 通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，也可再用定时器软件实现多串口。18. SPI同步通信口，主模式/从模式。19. 工作温度范围：-40+85(工业级)/075(商业级)。20. 封装：LQFP-32，SOP-32/28/20，SKDIP-28，PIDIP-20，TSSOP-20。STC12LE5620AD系列单片机有多种型号和管脚，也分不同的排列形式，如双列窄型/宽型和方型。单片机封装有贴片式(SSOP)和双列直插式(DIP)。本设计选用的
40、是STC12LE5616AD型的3V单片机，此型单片机是20管脚窄型双列直插式的。选择此型单片机主要是从功能和成本方面考虑的，STC12LE5616AD型单片机能够很好的满足设计要求，能降低成本，提升性能，原有程序能够直接使用，硬件无需改动，使产品更小，更轻。STC12LE5616AD型单片机封装图如图3-1所示。图3-1 STC12LE5616AD型单片机封装3.2 主电路设计主电路主要元件为单片机，为使单片机正常工作，配有电源，晶振电路，复位电路。主电路原理图如图3-2所示。图3-2 主电路原理图单片机的复位引脚是3引脚RST，其复位方法为通过短时间的高电平即可实现复位，这里使用的复位方法
41、是上电复位，这种方法使用的是电解电容在刚通电是进行充电，使得电路有短时间的电流通过，单片机利用这种方法进行上电复位。4号引脚为RXD/P3.0引脚，这个引脚的主要作用是单片机串行通信的接收端子，5号引脚为TXD/P3.1引脚，这个引脚的主要作用是单片机串行通信的发送端子，单片机由这两个串口与GSM模块进行通信，完成对GSM模块的控制。6号和7号引脚分别是XTAL2和XTAL1，这两个引脚用于外接晶振，为单片机提供时钟信号，使单片机依据该信号执行指令，通过对外部晶振频率的替换可以使单片机的执行速度进行改变，在晶振外部并联两个30pF电容，这两个电容与晶振形成谐振，使得单片机能够稳定的频率进行工作
42、，减少程序错误的发生。9号引脚是CLKOUT/T0/P3.5接外部脉冲，用于计数流量计的脉冲信号，完成单片机对流量的统计。10号引脚P3.4，16号引脚P2.7和15号引脚P2.6这三个引脚分别与三个按键KEY1、KEY2、KEY3连接，通过单片机对不同按键的识别，调用不同的子程序，完成按键对热能表不同功能的控制。1号引脚P2.2，2号引脚P2.3，12号引脚P2.4，13号引脚P2.5分别与OLED12864液晶屏的SCL、SDA、RST、D/C连接，用于控制液晶屏的显示。18号引脚P1.0和19号引脚P1.1连接ST1和ST2，通过两个引脚把上水和回水温度转换为数字信号传给单片机，完成热能
43、的计算。28引脚和14号引脚分别接电源和地，为单片机供电。其余引脚全部悬空。3.3 流量传感器电路设计设计中选择LCT-9723系列中的LCT-9723B型流量传感器，其基本工作原理如下图3-3所示。图3-3 基本工作原理LCT-9723B型流量传感器利用探头感应被测物的平动和转动，并将采样信号送入控制器进行处理并输出稳定幅度的方波信号。输出方波的数量就是被测物经过探头位置的次数，通过输出方波频率可计算被测物的移动位移或速度。具体来说，即设定传感器探头发出的脉冲频率为f，在未接触基表金属膜片时为f1，并将其定为基准频率，而一旦接触到金属片后频率便变为f2，以此类推，这样该跳变信号便经过控制器、
44、比较器、和振荡器的调节作用输送到放大器，在放大器中将该信号放大一定倍数后再输送至驱动电路，最后传到单片机，经过处理后在液晶显示电路中显示出即时脉冲、累积流量等信息。流量传感器将脉冲传递给单片机，通过单片机的计数器来计算出水的流速，从而完成流速信号的采集，其接线图如图3-4所示。图3-4 流量传感器电路图3.4 温度传感器电路设计3.4.1 桥式电路分析桥式电路可以测量直流电阻或其变化量。桥式电路的基本形式是四臂结构，结构如图3-5所示。电桥为直流供电，当相邻两桥臂电阻的比值相等时，Uo的输出电压为0；当有一个电阻大小变化后，将会导致两侧电阻比值不想等，Uo的大小将会改变，Uo的大小与电阻的关系如式3-1所示： (3-1)图3-5 桥式电路3.4.2 差分比例运算电路分析差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号为显著特征。此外，在电路对称的条件下，差分放大电路具有很强的抑制零点漂移及抑制噪声与干扰的能力。差分比例运算电路如图3-6所示。图3-6差分比例运算电路两个输入电压Ui1和Ui2各自通过电阻R1和R2分别加在集成运放的反相输入端和同相输入端。另外，从输出端通过反馈电阻
