在我國北方地區(qū)，隨著冬季供暖由福利化變革為商品化，供暖熱能的商品化屬性越來越突出，現(xiàn)在人們已經(jīng)普遍承認(rèn)熱能是商品。既然熱能是商品，那么其計量和購銷就應(yīng)該更科學(xué)，更合理，更符合商品交換的規(guī)律。然而在實際供暖計費中，大多數(shù)地區(qū)仍采用按供暖建筑物的建筑面積計費的方式，這種計費方式的弊端主要表現(xiàn)在：用戶購買的是熱能卻需要按建筑面積計費，二者間換算關(guān)系不夠明確直接。在整個供暖過程中，用戶熱能的消耗不僅與采暖房間溫度的高低有關(guān)，而且受許多其他因素的影響，如環(huán)境溫度、房間保暖性能、單位面積散熱器數(shù)。也就是說同等面積的不同建筑物，達(dá)到相同的采暖溫度，所消耗的熱能是不同的。按建筑面積計費，必然造成消耗熱能不同付費卻相同，這既不利于計費的公平合理，也不利于節(jié)能減排。因此這里提出一種按熱能消耗量計費的供暖計費系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 按熱能消耗量計費系統(tǒng)設(shè)計
    實現(xiàn)按熱能消耗量計費，首先需要準(zhǔn)確測量采暖用戶的熱能消耗量，根據(jù)物理熱力學(xué)定律，采暖消耗的熱能與流過散熱器的熱水的流量以及流進(jìn)流出散熱器的熱水的溫度差成正比，設(shè)流進(jìn)散熱器的水量為Mi(m3)，流出散熱器的水量為Mo(m3)，散熱器進(jìn)口溫度為Ti(℃)，散熱器出口溫度為To(℃)，比例系數(shù)為C，消耗的熱能為Q。當(dāng)Mi=Mo時，則有Q=CMo(Ti-To)；當(dāng)Mi>Mo時，說明供熱水在用戶端有損耗，損耗也應(yīng)計入熱能消耗，則有Q=CMo(Ti-To)+C(Mi-Mo)Ti；只要準(zhǔn)確測量出Mi、Mo、Ti、To就可以計算出用戶消耗的熱能，再根據(jù)年度單位熱能的定價計算出用戶需要支付的采暖費用，從而實現(xiàn)按熱能消耗計費。
    根據(jù)上述計費原理，本文給出的預(yù)付費式按熱能消耗計費的供暖計費系統(tǒng)的基本工作過程是：用戶在開始供暖前，預(yù)存一定金額到IC卡中，將IC卡插入用戶的計費終端上，計費系統(tǒng)讀取IC卡中寫入的預(yù)存金額和年度熱能單價，如果預(yù)存金額大于0，則計費系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)將流量控制閥打開，開始供暖；同時啟動流量監(jiān)測和溫度監(jiān)測功能測量用戶端流進(jìn)流出的流量以及進(jìn)口出口的溫度，根據(jù)上述測得的參數(shù)，計算用戶的熱能消耗值和應(yīng)付費金額，并從預(yù)付金額中扣除，當(dāng)預(yù)付金額扣除到0時，系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)關(guān)閉流量控制閥結(jié)束供暖，并用蜂鳴器提醒用戶充值IC卡。供暖過程中，用戶隨時可通過系統(tǒng)提供的4個鍵控制流量控制閥的開啟程度，一旦預(yù)付費扣除到0，該功能立即失效，以防止用戶自行打開閥門供暖。系統(tǒng)預(yù)留用戶流量調(diào)節(jié)功能，用戶可以根據(jù)自己的要求調(diào)整截閥開啟的程度，調(diào)整房間的溫度，這樣有利于降低用戶的采暖費用，節(jié)約能源減少排放。系統(tǒng)通過預(yù)置的監(jiān)控程序，檢測采暖面積內(nèi)供暖系統(tǒng)偷漏水情況，并對偷漏水情況做出提醒和記錄，從而保護(hù)熱能供應(yīng)方的利益。
    因此，需要該系統(tǒng)按一定時間間隔△t(如1min)實時采集如下數(shù)據(jù)：1)供暖系統(tǒng)進(jìn)出口流量Mi、Mo；2)供暖系統(tǒng)進(jìn)出口溫度Ti、To整個系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    按熱能消耗量計費的供暖計費系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。用戶的預(yù)付費金額在年度供暖開始前由供暖企業(yè)寫入IC卡中，作為本年度提供供暖的條件；溫度測量模塊完成對用戶采暖系統(tǒng)進(jìn)出口溫度的精確測量；流量測量模塊完成對用戶采暖系統(tǒng)進(jìn)出口流量的測量；實時日歷模塊用于產(chǎn)生實時鐘，為系統(tǒng)工作以及工作情況的記錄提供時間依據(jù)；鍵盤、報警、顯示模塊為用戶提供人機(jī)交互手段，用戶通過它可以在供暖開始后調(diào)整供熱水的流速，調(diào)整日歷、時鐘、顯示器用于顯示剩余金額等信息；中央控制單元用于采集IC卡、溫度、流量、鍵盤按鍵、時間等信息，通過對所有信息的處理，決定步進(jìn)電機(jī)的工作，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行。

2．1 溫度測量電路
    溫度測量電路原理圖如圖3所示，該電路用于將代表溫度的模擬電壓數(shù)字化，供中央控制單元讀取使用。Rt1、Rt2為Rt100鉑電阻溫度傳感器，該傳感器穩(wěn)定性和線性都較好，工作溫度范圍為-200～650℃，其電阻與溫度的關(guān)系為R=Ro(1+αT)，其中α＝0．003 851，Ro為100Ω，T為攝氏溫度。在實際使用時Rt100常作為不平衡橋中的一個橋臂，如圖3中的R1、R2、R3、Rt1和R4、R5、R6、Rt2分別組成橋路。其中R1=R2= R4=R5=3 kΩ，R3=R6=100 Ω，精度為O．1％，溫度系數(shù)25 ppm；以2．5 V的參考電源為橋路供電，這樣當(dāng)溫度從0℃變到100℃時，橋路輸出電壓范圍為0～29．686 mV，溫度每變化0．1℃，輸出電壓近似變化29．5μV。鉑電阻的阻值偏小，在實際使用時應(yīng)采用三線接法，以消除接線引入的測量誤差。R3、R6選取100 Ω，溫度大于0℃時，橋路輸出電壓大于0，從而滿足后面A／D轉(zhuǎn)換器輸入電壓大于0 V的需要。這里R1、R2、R4、R5的阻值給定3 kΩ，主要是考慮減輕U2的輸出負(fù)擔(dān)，此時每個橋路從U2中取的電流小于1．67 mA。

    U1為16位△-∑A／D轉(zhuǎn)換器AD7705，通過SPI接口與CPU連接，該器件為2路差動輸入，內(nèi)帶1～128可程控放大器，共模抑制比優(yōu)于130dB，串行接口，單電源工作，按圖中的接法，使用2．5 V參考電源、64倍放大、20 Hz采樣率時，等效輸入端噪聲有效值為0．63μV，分辨率為0．596μV。對于溫度變化0．1℃引起的29．5μV的電壓變化量，經(jīng)過64倍放大后為1．888 mV，準(zhǔn)確測量是不成問題的。
    U2為2．5 V電壓基準(zhǔn)源BEF5025，該器件在單5 V供電的條件下，可以產(chǎn)生0．05％精度、噪聲7．5μVp-p的精確電壓基準(zhǔn)，輸出電流可達(dá)10 mA。這里采用REF5025不僅為A／D轉(zhuǎn)換器提供電壓基準(zhǔn)，而且還為測溫橋路提供穩(wěn)定電源。理論上講，由于橋路為差動輸出，A／D轉(zhuǎn)換器為差動輸入，電源和地線上的電壓擾動都可作為共模信號被抑制掉，不會影響輸出精度，但由于組成橋路的電阻不能完全匹配，因此共模
信號也可能對輸出造成干擾，采用穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)源為其供電，可以解決此問題。
2．2 系統(tǒng)控制電路
    系統(tǒng)控制電路如圖4所示，該電路是整個計費系統(tǒng)的核心，該電路在CPU的控制下完成溫度、流量、預(yù)付費、實時鐘以及鍵盤按鍵信息的讀入，同時將需要顯示輸出的信息以串行的方式送到LCD顯示，需要步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行的命令通過隔離驅(qū)動送到步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行。

    圖4中，U1為8位AVR微處理器ATmega8，其主要特點為：8 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程F1ash；512 B的EEPROM，擦寫壽命：100 000次；1 KB的片內(nèi)SRAM；2個具有獨立預(yù)分頻器8位定時器／計數(shù)器，一個具有比較功能，另一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器／計數(shù)器；2個片外中斷源；23個可編程的I／O線：1個SPI接口。PB1、PB2、MO、MI、SCK用于初始化溫度測量電路和讀入測量的2通道溫度數(shù)據(jù)；PC0～PC3用于掃描K1～K4 4個按鍵；PC4、PC5用于驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的2個繞組；PC6、PD0、PD1用于連接LCD顯示器；INT0、INT1用于以中斷方式測量2通道流量數(shù)據(jù)；PB6、PB7用于讀入、設(shè)置實時鐘；PB0、PD5-PD7用于IC卡的數(shù)據(jù)讀入，PD4用于驅(qū)動蜂鳴器。
    U4、Q1、Q2組成步進(jìn)電機(jī)隔離驅(qū)動電路，該電路在U1的控制下驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正(反)向旋轉(zhuǎn)設(shè)定的角度。VD1、VD2用于吸收步進(jìn)電機(jī)繞組的反向沖擊電壓，避免破壞其他電路。
    U3為低功耗CMOS實時時鐘／日歷芯片PCF8563，該器件內(nèi)置32．768 kHz振蕩器，產(chǎn)生的時鐘信號控制芯片生成實時鐘數(shù)據(jù)，通過I2C總線供U1讀取，并作為系統(tǒng)時鐘控制其他電路工作。U2是IC卡集成電路X76F100，其主要特點為：具有讀寫相互獨立的可編程64位密碼保護(hù)；內(nèi)含112 B快擦寫存儲器陣列；內(nèi)置重試計數(shù)器，非法用戶進(jìn)行8次試讀(寫)后存儲器陣列自動清零；I2C總線接口，連線簡單；功耗極低，待機(jī)電流1 μA，工作電流為3 mA；存儲器陣列可擦寫1O萬次；數(shù)據(jù)可保存100年。這里X76F100用于存放用戶序列號、充值次數(shù)、充值金額、本年度供熱單價等信息。用戶端計費系統(tǒng)預(yù)置64位信息讀取密碼，用于信息的讀??；信息寫入密碼保存于供暖企業(yè)，用于給用戶充值。由于讀出和寫入信息的密碼分離，寫入密碼(64位)只保存在企業(yè)手里，因此非法寫入信息成功的幾率極低。
    該系統(tǒng)設(shè)計的流量傳感器采用DFT-1000B，其量程為2.5～25L／min，測量精度±5％FS，它用光隔離輸出脈沖數(shù)代表流過傳感器的流量，因此與控制系統(tǒng)接口連接簡單，控制系統(tǒng)對接收到的流量脈沖計數(shù)，就可測得流過傳感器的流量值。流量脈沖信號連接于U1的外中斷觸發(fā)輸入引腳，每個脈沖到來后觸發(fā)中斷服務(wù)程序計數(shù)，從而記錄流量值。
2．3 系統(tǒng)電源設(shè)計
    系統(tǒng)共需要3組電源保障系統(tǒng)正常工作，即用于溫度測量電路的模擬電源VDD，用于控制系統(tǒng)的數(shù)字電源VCC，用于步進(jìn)電機(jī)工作的功率電源+5 V，其中模擬電源和數(shù)字電源電源共地且與功率電源地線隔離?？紤]到系統(tǒng)需要長時間不間斷工作，電源部分采用以交流供電為主，充電電池供電為輔的電源解決方案。系統(tǒng)電源電路原理圖如圖5所示。

    低功耗的控制系統(tǒng)由交流供電和電池供電組成不間斷電源，保證控制系統(tǒng)不掉電連續(xù)工作；功耗較大的步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動電路只由交流供電，在交流電斷開時停止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，減小電源消耗。VD1、VD2、VD3、R1組成后備電池充電電路，當(dāng)交流電接通時，自動給充電電池充電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件主要包括AD7705、PCF8563、系統(tǒng)的初始化，IC卡信息讀取，流量、溫度測量，按鍵掃描，電機(jī)驅(qū)動，供暖費扣除等功能模塊。圖6給出了系統(tǒng)工作的流程圖。

    需要說明的是：給IC卡施加復(fù)位信號后，IC卡輸出4字節(jié)數(shù)據(jù)19H 00H AAH 55H，系統(tǒng)以此作為判斷IC卡接入與否的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)讀取IC卡信息時，首先讀入1個4字節(jié)的序列號，并與系統(tǒng)序列號比對，如果不一致，用蜂鳴器給出提示并等待換卡；如果一致則繼續(xù)讀出其他信息，以此保證一個系統(tǒng)只有唯一的一張IC卡，防止一卡多用。序列號一致的條件下系統(tǒng)繼續(xù)讀入充值次數(shù)，如果充值次數(shù)小于等于系統(tǒng)保存的充值次數(shù)，那么IC卡中的金額將不被讀取，以此杜絕一次充值重復(fù)使用的情況發(fā)生；如果充值次數(shù)大于系統(tǒng)保存的充值次數(shù)，系統(tǒng)保存此新的充值次數(shù)后再讀入此次充值金額，與系統(tǒng)中保存的余額相加后作為新的供熱余額使用。最讀出本年度供熱單價，更新系統(tǒng)單價數(shù)據(jù)。
    用戶調(diào)整流量功能只有在供暖期間且用戶預(yù)存金額不為0時，才被激活，在其他情況下，流量控制閥一直處于鎖閉狀態(tài)不能被用戶調(diào)整。日歷調(diào)整(對鐘)用戶可以在開機(jī)后任意時刻進(jìn)行。用戶余額、本年度消耗熱能值、消耗的總熱能值等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，均被保存于CPU的EEPROM中，即使系統(tǒng)斷電，數(shù)據(jù)也不會丟失。系統(tǒng)定時器中斷間隔100 ms，這樣既不會使鍵盤判斷遲鈍，也不會過分增加CPU負(fù)擔(dān)。流量測量中斷設(shè)置成上升沿觸發(fā)，可有效避免同一事件重復(fù)觸發(fā)。

4 結(jié)論
    該系統(tǒng)雖然造價低廉、電路和工作流程簡單，但其溫度測量誤差小于0．05℃。溫度測量范圍為0～130℃，流量測量誤差小于1．25L／  min，流量測量量程2．5～25 L／min，該系統(tǒng)通過測量流過用戶采暖系統(tǒng)的熱水流量和采暖系統(tǒng)進(jìn)出口溫度差，計算出用戶的熱能消耗。該系統(tǒng)的特點主要有：1)實現(xiàn)按熱能消耗計費，計費更合理；2)用戶可根據(jù)需要啟用或停止供暖以及調(diào)整室內(nèi)溫度，從而使用戶節(jié)省采暖開支，有利于節(jié)約能源；3)對供熱水的跑冒滴漏收取費用，減少供暖方損失；4)采用預(yù)付費方式結(jié)算，便于計算機(jī)管理，節(jié)約企業(yè)人力資源。作為試驗系統(tǒng)，該設(shè)計采用的流量傳感器量程偏小，不適合大型采暖用戶使用?？傊?，該系統(tǒng)通過直接測量用戶的熱能消耗計算采暖費用較按采暖面積計費的方法更科學(xué)、合理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉比較適合推廣應(yīng)用。