基于温差发电技术的智能无线热计量装置设计说明书..doc

基于温差发电技术的智能无线热计量装置设计说明书摘要传统热表由内置电池供电，需要上门抄表，而带有无线发射装置的热表则需外接电源本发明通过实验，在现有计量系统结构基础上，利用供暖系统工质与环境温度温差发电技术，将其设计改造成一种无源智能无线热表一方面装置解决了现有热计量装置的供电问题，实现“一次安装、终身供电”；另一方面，该装置无需破坏现有供热系统及计量系统结构，无需外接电源和信号线，即可实现热量的计量、无线传输等功能本装置集温差发电、智能控制、无线抄表、热量计量等功能于一体，操作方便，经济实用，有着巨大的市场空间，客观的经济和环境效益关键词温差发电 智能控制 蓝牙串口通讯 热量计量1 作品背景自国家建设部将热量计量收费列入《国家2010年规划》以来，研制开发低成本、符合国际标准的热量表已是大势所趋然而，我国目前通用的传统热表为需要上门抄表的内置电池热表，需要耗费额外的人力与电力，而加入了实时数据传输功能的热表则需要外接电源供电为此，我们通过实验，在现有计量系统结构基础上，利用供暖系统工质与环境温度温差发电技术，完成了一种无源智能无线热表的发明设计本发明所利用的温差发电技术是一种绿色环保的发电方式，具有结构简单、坚固耐用、无运动部件、无噪声，使用寿命长等优点。

由于其显著的优点，温差发电得到了广泛的应用日本研究用于固体废物焚烧炉的废热发电技术，实现不同规模垃圾焚烧热的最大利用国内温差发电方面的研究主要集中在发电理论和热电材料制备方面虽然我国是最大的半导体热电器件输出国，但是在热电发电器的综合设计和应用方面仍有很大的欠缺随着能源危机和环境污染的加剧，温差发电在余废热利用中的价值更加值得关注本发明的智能控制系统采用典型的嵌入式微控制器---单片机（单片微型计算机）单片机具有具有集成度高、功能强、结构简单、易于掌握，应用灵活，可靠性高，价格低廉等优点，用于智能仪表中，可为传统的机电设备升级为智能化机电设备本发明的通讯系统采用蓝牙技术，蓝牙无线串口模块使单片机与电脑的连接彻底进入了无线时代要实现单片机与电脑的无线串口数据传输，需要两个模块，一主一从本装置中使用采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准，符合工业要求串口模块工作电压为3.3V蓝牙芯片采用向前纠错编码，通信效率更高，最高可达115200，但实验中通常选用9600的波特率通信，能够自动跳频，抗干扰能力强针对目前我国在热量计量上节能技术的欠缺，本发明结合了温差发电、单片机智能控制、蓝牙无线串口等前沿技术，填补了目前的技术空白，具有巨大的市场空间。

2 设计方案2.1 温差发电系统本发明在现有供热系统及计量系统基础上，利用供暖系统工质与环境温度温差发电技术，实现无源设计发电技术采用半导体温差发电片实现，发电片热端与平整的导热块接触，导热块无缝接触热表的供暖系统管道，冷端则与外界环境相连为提高供暖系统工质到发电片的导热效率，本发明利用热管导热原理将管道热量收集在导热铜块上（由于实物的制作条件有限，我们用一块一端与导管外表面切合、另一端呈平面的铜制导热块，代替热管与铜板）收集到大量热量的导热铜块顶面则与温差发电片的热端相接触，将热量传递给发电片温差发电片的冷端与导热铜片相接触，铜片再通过热管散热装置将发电后的余热导出为减小传热过程中的热阻，发电片两面均涂有导热硅胶散热片采用增大表面积的结构设计，以加强散热效果，其另一端暴露在外界环境，将余热释放到温度相对低的外界热管散热片（冷端）温差发电片导热板（热端）热表管道　　　　　　　　　图1 温差系统内部结构图供热管道（水温50℃-70℃）为保证整个温差发电过程传热的高效性并避免热短路的出现，我们将整个温差发电模块包以塑料外壳，外壳内部用隔热材料充分填充间隙，实现传热过程的绝热处理，如图2本发明的具体能量转化过程见图3。

导热板（50℃-70℃）热阻散热片（环境温度0℃-10℃）电能温差发电片 图2 温差系统外壳结构图 图3 温差系统能量转化过程图本发明选取的半导体温差发电片共4块，采用串联电路，经过稳压升压电路与充放电电路构成热能转为电能的发电系统2.2 智能控制系统智能系统设计图如图4图4 智能系统总体设计图1) 充放电电路的设计锂离子电池在充电或者放电过程中如果发生过充、过放和过流时，会造成电池的损坏或者降低电池的使用寿命，图5为锂离子的充电曲线，分为三个阶段：预充状态、恒流充电和恒压充电阶段本电路利用TI公司生产的BQ2057芯片以及简单外围电路设计低成本的锂离子充电器BQ2057可以动态补偿锂电池组的内阻以减少充电时间，带有可选的电池温度监测，利用电池组温度传感器连续检测电池温度，当电池温度超出设定范围时BQ2057关闭对电池充电内部集成的恒压恒流器带有高/低边电流感测和可编程充电电流，充电状态识别可由输出的LED指示灯或与主控器接口实现，具有自动重新充电、最小电流终止充电、低功耗睡眠等特性BQ2057的引脚如图6所示： 图5 锂离子的充电曲线 图6 BQ2057引脚图其引脚功能如下：VCC (引脚1)：工作电源输入；TS (引脚2)：温度感测输入，用于检测电池组的温度；STAT(引脚3)：充电状态输出，包括充电中、充电完成和温度故障三个状态；VSS (引脚4)：工作电源地输入；CC (引脚5)：充电控制输出；COMP(引脚6)：充电速率补偿输入；SNS (引脚7)：充电电流感测输入；BAT (引脚8)：锂电池电压输入；图7是充电流程图：图7 充电流程图预充阶段在安装好电池并加上电源后，BQ2057首先检查工作电压VCC，当工作电压过低时充电器进入睡眠模式，若工作电压正常，则检查电池温度是否在设定范围，若不正常则进入温度故障模式，否则检测电池电压VBAT，当电池电压VBAT低于低压门限V(min)时，BQ2057以恒流IREG10％的电流IPRE对电池预充电。

在完成对电池预充或电池电压VBAT低于恒压VREG时，BQ2057进入恒流充电状态，此时由外部的感测电阻RSNS上的压降监控充电电流，该电阻可采取高/低边的连接方式，在高边电流检测中RSNS接在VCC和SNS引脚间，在低边电流检测中RSNS接在VSS和SNS引脚间，如图8所示，通过SNS引脚获得充电电流的反馈，感测电阻由公式（1）计算： （1）其中IREG为预期的充电电流，VSNS可在BQ2057的电特性表中查得当充电电压达到恒压VREG时进入恒压充电状态在整个工作温度和工作电压范围内，恒压精度高于1%，BQ2057通过VBAT和VSS引脚监测电池组电压，当充电电流达到终止门限I(TERM)时停止充电，当电池电压低于重新充电门限电压U(RCH)时自动开始重新充电BQ2057除了能实现标准的4.1V、4.2V、8.2V和8.4V电压充电外，还可以通过分压实现对非标准电压充电，其方法是用分压电阻实现的电池分压值作为BAT引脚的输入充电电路图如图8所示图8 充电电路图智能部分采用芯片为STC12C5A60S的单片机开发板，由温差发电系统供5.0V的电源，将热表采集到的数据通过LCD屏显示。

单片机能够根据统计流量智能地切换两种模式工作模式：使用由温差发电片产生的电流经升压稳压后给锂离子电池充电，不断更新显示热量数据信息，能够周期性的通过无线蓝牙串口模块发送至上位机软件接收休眠模式：此时并不供暖，当单片机累计的流量数据不再变化时，整个装置进入掉电模式的最低功耗状态仅锂离子电池维持供暖结束时装置的相关参数记录，当恢复供暖时，调用数据避免计量错误2.3 热量计量系统传热量一般由载热流体的质量、比热容和温度变化等因素决定对热量表来说，进出口的焓值还与时间成比例本热量表采用焓差法计算热量具体计算方法如公式（2）所示 （2）式中，Q—热交换系统释放或吸收的热量，J；qm—流经热量表的水的质量，kg/h；Δh—热交换系统中进口和出口温度下的比差，J/kg；t—时间；ρ—流经热量表的水的密度，kg/m3；qv—流经热量表的水的体积 ，m3/h温度的测量选用自带AD转换模块的DS18B20温度传感器，不用驱动电路即可连接单片机工作2.4 通讯系统通讯系统选用蓝牙无线串口模块，该模块采用低功耗设计，通过无线串口远程传输数据本系统中，蓝牙无线串口主模块被接USB转TTL后再连到电脑的USB接口上。

该模块能通过无线串口传输，从单片机系统接收热量、时间等信息，并进行数据加密，再发送到电脑端的采集数据软件上面，同时电脑也能够向单片机发送控制命令3 理论设计计算3.1 温差发电系统本系统采用四片型号为SP1848-27145、工作温度为-40℃-150℃的温差发电片外形尺寸为40mm40mm3.4mm，共有128对PN结，具有一定的耐高温特性，热电转化效率为4.7%现运用贝塞克公式 E=αsΔT （3）进行计算式中αs为塞贝克系数，其单位为V/K或μV/K塞贝克系数αs是由材料本身的电子能带结构决定的我们测得其开路电压与温差之间的关系见图9图9 开路电压与温差关系图由图可见，温差变化每改变1℃，相应的产生0.03V的开路电压在日常生活中，热表供暖管道管壁与外界环境的温差一般在30-40℃之间现令ΔT=40℃，则本系统发电产生的开路电压为：Uo=4Uo’=41.0V=4.0V （4）3.2 智能控制系统本发明采用的升压稳压电路输入电压范围为0.9-5.0V，输出电压为5V，最大输出电流为500mA由上文计算得到的温差发电电压数值（4V）可知，经升压稳压后的供电电压为5V。

随后的充电电路选取BQ2057C充放电控制芯片，其工作电压为4.5-18V设其工作时的最大充电电流为550mA，充电电路图如图8所示充电电路对一节锂电池（额定电压为3.7V、充电限制电压为4.2V、标称容量为2000mAh）进行充电设计锂电池的预充状态时充电工作电压Vcc为5 V（Vcc = Vbat + Vg=4.2+0.8=5.0V，其中Vbat为锂电池标准的充电电压，Vg为MOSFET管导通电压）锂离子电池的正端电压接BAT引脚对充电工作电压5V平均分压后输入TS引脚，使TS引脚检测温度的功能失效随后在恒流充电阶段中感测电阻 Rsns = Vsns/Ireg，查表得数据约为0.2Ω进入恒压充流阶段后，由于锂电池的充电限制电压为BQ2057充放电控制芯片标准充电电压，所以无需接分压电阻单片机采用的型号为STC12C5A60S2，标准5V输入其正常工作电压为3.5V-5.5V，输入电流不能超过70mA3.3 通讯系统蓝牙无线串口核心模块使用HC-06从模块，引出接口包括VCC,GND,TXD,RXD,预留LED状态输出脚，底板3.3V LDO，输入电压3.6~6V，未配对时电流约30mA，配对后约10mA。

接口电平3.3V， 空旷地有效距离10米，支持8位数据位、1位停止位、无奇偶校验的通信格式，、体积小巧（3.57cm*1.52cm），并套透明热缩管，防尘美观，且有一定的防静电能力4 工作原理及性能分析本发明在现有计量系统结构基础上，利用供暖系统工质与环境温度温差发电技术，将传统热表设计改造成一种无源智能无线热表在供暖季，智能控制系统的单片机控制切换到工作模式半导体发电片利用管道表面与环境温差发电，产生的直流电先。