基于Modbus和MSP430單片機的樓宇熱能計量終端

西安建筑科技大學信控學院 焦 婷 李昌華

基于Modbus和MSP430單片機的樓宇熱能計量終端

西安建筑科技大學信控學院 焦 婷 李昌華

本文研究了基于Modbus和MSP430單片機的樓宇熱能計量終端，主要介紹了其工作原理及軟硬件部分的選擇與設計。實現了對供熱水管中流水溫度的檢測、流量的檢測，最終達到對熱能的計量，并具有按鍵設置、數據顯示功能，以及通過Modbus進行的人機交互功能。

Modbus；MSP430；熱能計量終端；人機交互

1.引言

我國地域廣闊，人口眾多。房屋建筑規模巨大，住宅建設量大而且面廣，至今仍呈上升趨勢，而且這個上升趨勢還將持續20～30年。在這種情況下，把"大鍋飯"式的采暖包費制，改為按實際使用熱量向用戶收費，無疑是緩解煤電能源緊缺矛盾的有效手段。

隨著我國熱計量事業的快速發展，建筑物的能量計量系統必須超越原有的傳統方式，對供熱收費逐漸達到科學化及合理化，同時熱計量必須實現智能化和自動化才能適應智能建筑發展的需要。

2.熱能計量終端的整體設計思路及工作原理

本設計基于Modbus和MSP430單片機，系統由單片機最小系統，溫度、流量檢測模塊，按鍵與LCD顯示器，以及數據通訊模塊等組成。

2.1 熱能計量終端的整體設計思路

根據系統的設計要求實現對供熱溫度的探測、流量的探測，并具有按鍵設置、遠程通訊及狀態顯示功能；溫度探測采用的是DS18B20溫度傳感器進行溫度的測量；流量的檢測使用滑動變阻器來模擬流量的產生；對于狀態功能的顯示，使用了常用的LCD1602，以此來顯示采集的溫度和流量值；此外，為了方便溫度值的調節，加入了設置按鍵進行操作；對于單片機的通訊，使用最小系統版上PL2303，以此傳輸數據到上位機。溫度和流量的探測都是數字信號，可以直接連接單片機。

系統工作時，單片機對傳輸的數據進行處理，并對處理后的數據進行分析，為方便檢測與監控，使人員及用戶能夠直觀地觀察到供熱的溫度值和流量值，可將數值送到顯示屏中。

2.2 熱能計量終端的工作原理

系統的工作原理是：以MSP430F149為核心，用于完成所有的控制和計算功能。溫度測量分別用兩個DS18B20溫度傳感器完成，傳感器分別位于供熱管路的進水口和出水口，將兩個溫度轉換為電壓后分別送至MSP430片內集成的A/D轉換器，該A/D轉換精度達12位，完全滿足要求。流量計用于測量流過取暖設備的熱水體積，每流過一定體積的熱水，流量計便輸出一個脈沖。將這個脈沖作為中斷輸入信號，CPU用該信號累計流過采暖設備的熱水的體積，以進行熱量計算。系統的總體設計框圖如圖1所示。

3.樓宇熱能計量終端的硬件電路設計

3.1 單片機最小系統

單片機最小系統，或稱為最小應用系統，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統。對于MSP430系列單片機來說，最小系統一般應該包括：單片機、晶振電路、復位電路。

圖1 總體設計框圖

3.2 溫度檢測電路

DS18B20是以單總線的方式與單片機相連接的，單總線技術是采用單條信號線，既可傳輸時鐘，又可傳輸數據，而且數據傳輸是雙向的，因而這種單總線技術具有線路簡單，硬件開銷少，成本低廉，便于總線擴展和維護等優點，電路如圖2所示。

圖2 溫度檢測電路

3.3 流量檢測電路

流量檢測電路中的渦街流量計是用滑動變阻器進行模擬的，用滑動變阻器的變化量代表模擬信號，通過數模轉換電路來進行數字信號的輸出，在實物電路中P6.0口接流量傳感器，如圖3所示。

圖3 流量檢測電路

3.4 LCD顯示電路

LCD1602是指顯示的內容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數字）。LCD顯示電路接3.3V的電壓供電，DB0～DB7分別與單片機的P4.0～P4.7相連，如圖4所示：

圖4 LCD顯示電路

3.5 溫度值設定按鍵電路

獨立連接式鍵盤是指直接用I/O口線構成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵單獨占有一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵工作狀態不會影響其他I/O口線的工作狀態。共有三個按鍵，其一為菜單選擇鍵，按下之后可選取想要調節的值；剩下兩個為加減鍵，用來設定溫度值的大小。

4.熱量計量終端的軟件設計

4.1 主程序的設計

開始接上電源，程序進行初始化，接下來調用溫度檢測子程序，流量檢測子程序，LCD顯示子程序，接著DS18B20對供熱溫度數據進行采集，流量計對熱水的瞬時流量進行采集，并通過單片機讀取溫度和流量。再調用LCD顯示子程序顯示實時溫度和流量值；最終通過串口傳至上位機。主程序流程圖如圖5所示。

4.2 DS18B20測溫子程序設計

通過DS18B20把所采集的溫度進行讀取，最終將采集溫度信息顯示出來，溫度子程序如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 測溫子程序

圖7 流量檢測子程序

圖8 LCD顯示子程序

4.3 流量檢測子程序設計

通過渦街流量計采集流量值，最終通過LCD顯示，流量檢測子程序如圖7所示。

4.4 LCD顯示子程序設計

LCD顯示初始化后，向其輸入命令，顯示溫度和流量值，通過溫度傳感器，及流量計采集的數據經過標度變化后顯示到LCD上，是動態實時的數據（見圖8）。

5.系統功能的實現

通過DS18B20檢測供水及出水溫度，調節滑動變阻器即可等到不同的模擬流量值，將經檢測到得數據全部顯示到LCD上，也可利用串口助手將實時數據傳送至上位機，完成人機交互。

圖9 測量結果

6.結論

實驗結果表明，本文設計的基于modbus和MSP430單片機的樓宇熱能計量終端能夠很好的滿足現實需求，且具有體積小、成本低、易操作的優點，為建筑智能化的發展提供了一種新的思路。

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焦婷（1993—），陜西銅川人，碩士研究生，現就讀于西安建筑科技大學信控學院。

李昌華（1963—），寧夏銀川人，教授，碩博士生導師，主要研究方向：數字建筑，模式識別。