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1、 毕业设计（论文） 低功耗超声波热量表的设计 院 别控制工程学院 专业名称测控技术与仪器 班级学号 学生姓名 指导教师 2012 年 6 月 15 日 超声波低功耗热量表 摘 要 超声波热量表可实现非接触精确计量，非接触测流，仪表造价基本上与被测管道 口径大小无关并且测量结果不受水质影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可 解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量 测量问题，在诸如水量、热量等计量中有着广泛的应用。 本文设计一种用于城镇小区户用超声波热量表，主控芯片采用 MSP430 系列微功 耗单片机，流量侦测采用超声波专用流量收发侦测芯片 TDC-GP2
2、 芯片，外接超声波发 射与接收探头，实现顺流与逆流超声波的收发；依据时差法通过测量时差，得出热载 体流速；再扩展相应的接口电路，经由单片机，通过编程对流速度处理实现流量的采 集与处理。进水与回水管道加装铂电阻温度传感器，通过测量进水与回水温度差及流 量，根据 K 系数法或焓值差法计算出热量。最后，利用 M-Bus 总线实现热量等数据的 收发，然后通过 lcd 将热量显示在屏幕上。 关键字：超声波，低功耗，MSP430,TDC-GP2. Ultrasonic low power consumption heat meter Abstract Non-contact ultrasonic heat
3、 meter can achieve accurate measurement, non-contact flow measurement, instrumentation cost essentially nothing to do with the measured pipe diameter size and measurement results from water quality impacts, can be made of non-contact measuring instruments and portable, it can solve other types meter
4、s are difficult to measure corrosive, non-conductive, radioactive and explosive media flow measurement problems, such as water, heat, etc. has been widely used in the measurement. This design method for urban residential household ultrasonic heat meter, master chip power microcontroller MSP430 serie
5、s, dedicated traffic flow detection using ultrasonic transceiver chip TDC-GP2 chip detection, external ultrasonic transmitter and receiver probe, along countercurrent flow with ultrasonic transceiver; basis by measuring the time difference difference method, draw heat carrier flow; further extend th
6、e corresponding interface circuit via microcontroller, programmable convection speed processing to achieve traffic acquisition and processing. Inlet and return pipe installation platinum resistance temperature sensor by measuring the water and return water temperature difference and the flow, accord
7、ing to the K- factor method or the enthalpy difference method to calculate the heat. Finally, the use of M- Bus data bus transceiver to achieve heat, etc., and then the heat through the lcd display on the screen. Keyword：ultrasonic wave，low power,MSP430,TDC-GP2. 目 录 摘 要 I 目 录 III 1 绪论.1 1.1 课题研究的意义背
8、景，国内外研究现状及研究方法 1 1.1.1 研究的背景与意义 1 1.1.2 国内外发展现状 2 1.1.3 课题的研究内容 5 2 流量 温度 热量测量 6 2.1 功能要求 .6 2.2 系统构成 .6 2.3 设计要求 .7 2.4 流量测量 .7 2.4.1 时差法超声波流量测量的基本原理7 2.4.2 时差法超声波流量测量的特点.10 2.4.3 影响时差法测量精度的主要因素.11 2.5 超声波传播时间测量的实现 11 2.5.1 TDC-GP2 简介.11 2.5.2 TDC-GP2 时间测量的工作原理.13 2.5.3 TDC-GP2 的低功耗.14 2.6 温度测量 14
9、2.6.1 热电阻测温原理及实现.15 2.6.2 应用 TDC-GP2 测温.18 2.6.3 应用 TDC-GP2 测温的影响因素.19 2.7 热量测量 19 3 硬件电路设计22 3.1 硬件设计综述22 3.2 系统硬件结构设计及工作流程 22 3.3 单片机选型 23 3.3.1 单片机选型的要求.24 3.3.2 单片机的介绍.25 3.4 超声波流量测量模块 25 3.5 温度采集模块 27 3.6 LCD 显示模块 29 3.7 键盘输入模块 29 3.8 时钟电路 30 3.9 微处理器与 TDC-GP2 的接口 31 3.10 M-BUS 通信总线 .31 4 软件电路设
10、计33 4.1 MSP430 的编程语言和编译环境 .33 4.2 软件的总体构成33 4.3 系统主流程图 34 4.4 初始化模块35 4.5 计算子程序38 4.6 中断程序 39 4.7 时差测量模块 39 4.7.1 流量测量.40 4.7.2 温度测量 41 4.8 键盘及显示模块 42 结论与展望 .45 参考文献 .47 附录 A 微控制电路原理图.48 附录 B 流量和温度采集电路原理图49 1 绪论 1.1 课题研究的意义背景，国内外研究现状及研究方法 1.1.1 研究的背景与意义 热量表是测量、计算、并显示热交换系统所释放或吸收的热量量值的仪表。 在我国，是实施城市供热体
11、制改革，推行按热量计量收费的关键设备。当前，随 着工农业的发展，对流体流量和总量的计量及测试提出了越来越多、越来越高。而我 国 城市供热行业形势严峻，能源浪费严重、采暖费收缴困难已成为影响其生存和发展 的两大难题。因此，对供热收费体制和采暖系统进行彻底改革，实现按表分户计量收 费已是势在必行。根据我国建设部 1995 年发布的建筑节能“九五”计划和 2010 年 规划 ，我国住宅集中供热系统到 2010 年将全面实行分户计量和收费制度，相关技术 工作被列为今后研究开发的主要内容。根据发达国家经验，采取分户计量收费措施可 节能 2034。但是，目前国内供热单位没有对各个用户使用的热量进行有效和精
12、 确的测量和计费，这在一定程度上造成资源的极大浪费。在水、电、煤气计费系统日 益普及的今天，按户对热量消耗计量收费可使热费的收取更趋合理，但必须要使用专 门的热量表对热量进行准确的计量。因此，其相关技术的准备工作至关重要。在注重 节省能源，提高经济效益和产品质量的今天，流量计量与测试的重要性就更加突出并 为越来越多的人所认识。特别是随着现代工业生产的飞速发展，人们对流量测量的要 求越来越高，对流量测量技术和仪表的研究和开发也不断深入，流量测量方法和仪表 的种类也越来越多。所以就目前情况来看，国内研究以及市场销售的热量表大都采用 数字机械式结构，即热量表的积算仪为数字仪表，而流量测量部分为叶轮流
13、量计或干 簧管。叶轮带有磁钢，因此对水质的要求高，微量的铁屑和细沙都会急剧降低测量精 度直至在短期内损坏，叶轮轴承的磨损也对测量有较大的影响 12J。 流量仪表一般可分为如下十大类：压差式流量计、浮子式流量计、容积式流量计、 叶(涡)轮式流量计、电磁式流量计、流体振荡式(包括涡街式)流量计、超声流量计、热 式流量计、科里奥利质量流量计和明渠(或非满管)用流量计 I” 。超声波流量计是 20 世 纪 70 年代随着 Ic 技术迅速发展才开始得到实际应用的一种非接触式仪表与传统的流 量计相比： (1)解决了大管径、大流量及各类明渠、暗渠测量困难的问题。因为一般流量计随 着管径的增大会带来制造和运输
14、上的困难，有不少流量计只适用于圆型管道，而且造 价提高，能耗加大，安装不便。这些问题，超声波流量计均可避免，提高了流量仪表 的性能价格比； (2)超声波流量计对介质几乎无要求。它不仅可以测液体、气体，甚至对双相介质 (主要是应用多普勒法)的流体也可以测量；由于利用超声波测量原理可制成非接触式的 测量仪表，所以不破坏流体的流场，没有压力损失，并可以解决其它类型流量计所难 以 测量的强腐蚀性、非导电性、放射性的流量测量问题； (3)超声波流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、密度、粘度等 参数的影响； (4)超声波流量计的测量范围度较宽，一般可达 20：I|21。近几年来，随着电子技
15、术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很 快。基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用 领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为测流工作的高精度微功耗时差法 超声波流量计的设计。 相比之下，本文所研究的超声热量表将超声流量传感器和温度传感器相结合构成 户用型热量表，克服了上述困难，且对水质要求较低，不易损坏，使用寿命长。因此 在供热计量领域有更加广阔的应用前景。尤其是在近些年来，流量测量技术和仪表已 经得到了长足的发展。 首选工具目前应用较多的超声波流量计检测方法主要有时差法、多普勒效应法、 相关法、噪声法、波束偏移法等，其
16、中时差法应用最为普遍。超声波流量计的时差测 量法是基于超声波在具有流速的媒质里传播时，其传播时间(速率)会随着媒质流速的变 化而变化的原理来实现媒质流速测量的。 时差法的关键主要是对于时间测量的高精度，近几年来，随着集成电路的高速发 展， 高速时间计数处理芯片不断出现，使得几十皮秒的测量精度变得可能，这也对时 差法超声波流量计的发展产生了极大的推动。 1.1.2 国内外发展现状 超声波流量计是通过检测流体流动对超声波(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。 研究利用超声波测量液体和气体流量已经有数十年的历史。 热量表最早起源于欧洲，德国从 1964 年开始热量表的首次研制工作。最初的热量 表为机械式，流量测量采用孔板、文丘里管等，70 年代后才出现了电子热量表，而电 子式热表也经历了从模拟积分式、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。1988 年，国际法制计量组织公布了世界上第一个国际性的标准文件： “OIMLR75 号国际建议(Internationalrecommendation)热量表(H
