摘 要： 近两年，我国北方大部分城市开始推行取暖计量收费，上海齐济电子有限公司针对市场需求设计了一套低成本的热能表方案，该方案控制采用最新推出的HT46R64单片机，文中介绍了热能表的组成和工作原理，给出了一种基于HT46R64单片机的热能表设计方案。  关键词： 热能表 单片机 温度传感器 Holtek ht46r64 
作者： 上海齐济电子有限公司 
 

随着我国福利制度的改革，供暖制度也发生了相应的变化。原来的供暖收费存在着对使用的热能估算不准确、收费不合理等问题。为此，国家建设部在一些城市实施供暖制度改革试点，并对热能实行计量收费，这就要求对使用的热能进行准确的计量。本方案给出了一种基于HT46R64单片机的热水供暖热能表设计方案。

1、热能表的组成原理

一般热能表的流量测量原理框图如图1所示，它主要由积分仪、流量计和温度传感器三部分组成。流量计用于计量流过采暖设备的热水的体积。两只温度传感器分别用于测量进水温度和回水温度。积分仪是热能表的核心，它能够根据流量计提供的热水体积流量和进水、回水温度差等数据计算出消耗的热能。

 
其计算公式如下：

Q=CV(t供水-t回水)

其中，Q为消耗的热能，单位为kWh；C为水的比热容（C=0.001167kWh/L.℃）；V为流过采暖设备的热水体积，单位为升（L）；t供水、t回水为流过采暖设备进水口和回水口的热水温度，单位为℃。

从热能的消耗计算公式可以看出，只要测得采暖设备进水和回水的温差以及流过采暖设备的热水体积就可以计算出消耗的热能，因此，引起计量误差的因素有：

（1）流量计的精度；

（2）温度测量的准确度；

（3）两只温度传感器的配对误差；

（4）积分仪的计算精度。

对于流量计引起的误差，可以通过选取精度较高的流量计来解决，计算精度可以采用合适的MCU和完善的算法来解决。对于温度测量，国家有相应的标准，温度测量误差一般不大于±0.3℃,而两只温度传感器的配对误差应不大于±0.1℃，所以需要重点解决。

另外，由于热能表通常是安装在室外且长期使用，所以，热能表的功耗、抗电磁干扰、可靠性因素都需要加以考虑，所以在单片机的选型时，作为重点条件考虑。

2、MCU及开发工具介绍

2.1单片机：

HT46R64 是 8 位高性能精简指令集单片机，专门为需要 A/D 转换和 LCD 显示的产品而设计。该型号为客户提供掩膜版本HT46C64，HT46C64与HT46R64 引脚和功能完全相同，客户在批量生产时可最大限度降低生产成本。

该MCU的主要特性如下：

工作电压：
f SYS =4MHz ： 2.2V ～ 5.5V
f SYS =8MHz ： 3.3V ～ 5.5V
24 个双向输入 / 输出口
2 个外部中断输入
1 个 8 位和 1 个 16 位定时 / 计数器，具有 PFD( 可编程分频器 ) 功能
33×3 或 32 × 4 段的 LCD 驱动 ( SEG0~SEG15 可由掩膜选项设置为逻辑输出 )
4K × 15 程序存储器
192 × 8 数据存储器
具有 PFD 功能，可用于发声
一个实时时钟 (RTC)
一个8位的实时时钟预分频器
看门狗定时器
蜂鸣器输出
内置晶体、 RC 和 32768Hz 晶体振荡电路
HALT 和唤醒功能可降低功耗
8 层硬件堆栈
8 通道 10 位解析度的 A/D 转换器
4 通道 8 位 PWM 输出，与 4 个输入 / 输出口共用引脚
位操作指令
查表指令，表格内容字长 15 位
系统频率为 8MHz 时，指令周期为 0.5μs
63 条指令
指令执行时间为 1 或 2 个指令周期
56-pin SSOP ， 100-pin QFP 封装
工业档规格：温度范围从-40～85℃
2.2开发工具：

盛永半导体（深圳）有限公司生产的HT46系列仿真器CICE46C00CCEA，具有低成本的优势，一套开发工具市场售价只要1300元，该仿真器有着其他产家无法比拟的优势，仿真器本身自带烧写器，一次性解决客户在开发初期的需要，降低开发成本的投入；而且Holtek自行开发的集成开发环境HT-IDE3000，完全中文语言环境支持，并自带C编译（完全免费），对于习惯使用C语言编程的开发工程师，这是一大福音。另外，Holtek创新的COTPWRITER00A全系列量产型烧写器，市场售价只要500元，烧写器采用串口与计算机通讯，支持脱机烧写，使用相当方便。

3、硬件电路构成及实现原理

3.1 硬件组成

根据上面的分析，笔者设计了一种基于Holtek单片机的热能表，其组成框图如图2所示。

 
该系统主要由MCU、流量计、温度传感器、LCD显示屏、电路控制、EEPROM存储器和时钟电路等部分组成。其中MCU采用Holtek公司的微处理器HT46R64，它是系统的核心，用于完成所有的控制和计算功能。温度传感器和单片机的内部A/D转换器组成温度采集电路，可测量采暖设备进水和回水的温度。该单片机带有10BitA/D转换器，能够最大限度保证测量精度。流量计用于测量流过取暖设备的热水体积，每流过一定体积的热水，流量计内部的干簧管闭合一次。将这个信号接到MCU的外部中断输入端，干簧管每闭合一次就向MCU申请一次中断，MCU用该信号累计流过采暖设备的热水的体积来进行热能计算。在需要时，还可以通过LCD显示器来显示水温和消耗的热能以及系统信息等。EEPROM存储器用于存储系统信息和消耗的热能。时钟电路用于为整个系统提供系统时间。用键盘可实现各种操作，如：通过键盘可以查看水温、消耗的热能和系统信息等。电源控制电路主要是在不需要显示和温度测量时切断相应部分电路的电源，以降低系统功耗。系统设置是在每次加电时设置系统的年、月、日、小时和分等时间信息。另外，当系统出现故障时，它也可向MCU申请中断，以使MCU将当时的时间、热能值和故障信息写入EEPROM以备查询，EEPROM采用的是HOLTEK的HT24LC04。在电源控制方面，我们采用了Holtek的电源管理芯片HT7033、7044、7130，保障系统的稳定性。

3.2 系统工作过程

该系统的工作流程图如图3所示。

 
每次加电时，一般先设置系统信息，然后MCU进入休眠状态，并等待处理各种中断。在MCU进入休眠状态前，需关闭温度传感器、A/D转换器和显示器的电源以减小系统功耗。处理完中断后，MCU再次进入休眠状态以等待下一次中断。水表中断表示已经有一定体积的热水流水采暖设备，需要计算一次热耗。键盘中断表示应处理各种显示，而故障中断则表示系统某个部分出现故障，此时MCU应将故障类型和此时的有关信息写入EEPROM。

4 注意事项

4.1 温度测量误差和传感器配对误差

从热耗计算公式可以看出，温度测量误差和传感器配对误差均会引起测量误差。鉴于这种情况，设计时一方面必须选用性能良好的温度传感器；另一方面应使温度传感器的特性呈线性关系且两只传感器的温度特性曲线应当一致。但是，常常温度传感器特性在0℃～100℃并非线性，每只传感器的特性曲线又不尽相同。因此，除了采用性能比较好的铂电阻作为温度传感器外，还必须对每只热能表通过硬件或软件校正。由于硬件校正会增加成本，因而多采用软件校正。具体做法是将整个测温范围根据允许的测量误差分为若干段，校正时测出各校正点的误差并存储到EEPROM。而实际工作时，先测出水温，然后采用查表的办法从误差中查出修正值来对所测的温度进行修正。如果测出的水温不是正好在校正点上，则可采用插值估算的办法予以修正。这样处理不仅可以解决温度测量误差，同时也可以解决传感器的配对误差。

4.2 功耗和抗电磁干扰

由于热能表长期处于无人看守状态，且只能使用电池供电，因此，设计时，要求系统功耗应非常低，且抗电磁干扰的性能要好。

正是为了降低系统功耗，设计时除显示器外，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、运行速度快等特点，其工作电流只有1.5mA(3.3V@32kHz时)，进入休眠状态后只有3uA且可以用中断将其从休眠状态唤醒。另外，由于HT46R64的数据总线和地址总线都埋在芯片内部，因此，具有良好的抗电磁干扰性能。

5 结束语

本文设计的热能表具有结构简单，计量准确的特点，可用于住宅、写字楼、商场等公用场所的采暖计量，我们正在做方案的升级研发，下一步推出的方案将会支持远程抄表，预留的接口将可与三表实现集中抄表，更多的信息可登录上海齐济电子有限公司的网站（www.chipgem.com.cn）浏览。