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1、第5 篇典型应用牟I ；机乌嵌入式条统应冈基于T D C 一的GP 2 户用低功耗 超声式热量表的设计沈阳建筑大学韩松张万江陈胜昆关键词低功耗超声流量传感器温度传感器M S P 4 3 0 F 4 3 5 单片机T D C G P 2引言传统的热量仪表主要是机械式叶轮热量表，它有以下缺点：叶轮带有磁钢，因此对水质要求高，通常要加装过滤装置；压力损失大，造成能量损失；机械部件易磨损，需要经常校表；使用寿命短等。尤其在我国，供水水质一般较差，机械式热表的缺点更为突出。本文将超声流量传感器和温度传感器相结，设计了一种户用型低功耗超声波热量计。它对水质要求低，不破坏流场，无压力损失，测量精度高。该热量
2、计电池供电、寿命长、安装维护方便等优点。C P U 采用美国T I 公司的超低功耗单片机M S P 4 3 0 F 4 3 5 ，它在1M H z 主频下，工作电流为2 5 0 肚A ，并且有4 种低功耗工作模式用3 6V ( 1A h ) 锂电池供电，可连续运行6 个采暖期。T D C G P 2 具有精确的温度测量、高速脉冲发生器、停止信号使能、温度测量和时钟控制等功能。这些特殊功能模块使得它尤其适合于超声波流量测量和热量测量方面的应用。1超声波式热量表原理一个完整的热能表由3 个部分组成：一只流量计，用于测量热交换的热水流量；一对温度传感器，分别测量供暖进水和回水温度；一只积分仪，根据与
3、其相连的流量计和温度传感器提供的流量和温度数据，通过热力学公式可计算出用户从热交换系统获得的热量。1 1热量表测量原理将一对温度传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上，流量计安装在流体入口或回流管上，流量计发出与流量成正比的脉冲信号；一对温度传感器给出表示温差的模拟信号，热量表采集来自三路传感器的信号；利用积算公式算出热交换系统获得的热量。热量表热量计量系统原理图如图1 所示。图l热量表热量计量系统原理图根据流量传感器给出的流量和配对温度传感器给出的供回水温度，以及水流经的时间，通过计算器可计算并显示该系统所释放或吸收的热量。其基本公式为：r fr Q Iq 。A h d t II 田
4、。A h d t( 1 ) J0J0式中：Q 一释放或吸收的热量( J 或W h ) ； g m 流经热量表的水的质量流量( k g h ) ；吼流经热量表的水的体积流量( m 3 h ) ；p 流经热量表的水的密度( k g m 3 ) ； 在热交换系统的人口和出口温度下，水的烩值差( J k g ) ；时间( h ) 。式( 1 ) 计算热量的方法称为焓差法。焓差法的特点是，不受安装位置的限制( 同一块表安装在进水端或者回p a p e r m e s n e t c o m c n ( 投稿专用)M i c ，。c 。n t r 。1 1 e r s E 。b e d d e dS y
5、s t e m s2 5 5水端结果一样) ，焓差法计算公式复杂，不好掌握，但数据处理量小，适用于1 0M P a 以上，2 5M P a 以下的热力系统。1 2 流量测量原理流量计的主要功能是计量热交换系统的体积流量，并在积算器的控制下，将流量示值转换成电信号，向积算器输出。超声波流量计是利用流体流动对超声波脉冲或者超声波束的信号调制作用，并通过检测信号的变化来获得体积流量的一种计量仪表。超声波是通过压电晶体发射和接收的，采用传播速度差法。基本原理是：利用超声波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速，从而达到测量的目的，通称为传播速度差法。当波在管道的径向( 斜向) 穿过流体截面的次数
6、越多，其测量准确度就越高。超声波流量传感器的测量腔体内部没有任何可动部件，无阻力、无磨损，所以对介质的成分或杂质含量要求不高，因此使用寿命长。1 3 温度测量原理热量表采用P t l 0 0 0 的铂电阻作为温度传感器。其优点具体体现在：由于可以让引线电缆长度较长，从而为热量表的安装( 供回水管道相距较远时) 提供了更便利的条件；由于它的电阻值变化量大，因此测量的灵敏度高对仪表的设计很有利；对降低系统的功耗有利；由于传感器本身的电阻增大，因此，导线电阻对整个测量的影响就减少了。但由于传感器本身在安装前须进行精确配对，因此，一旦安装到表体上，就不能替换。P t l 0 0 0 热电阻温度采样原理
7、：在对进出水口热水温度进行采样时，温度传感器采用铂热电阻( P t l 0 0 0 ) 二线制接法的温度电桥进行温度测量。铂热电阻在0 8 5 0 范围内其阻值与温度变化的关系为： R 。一R 。( 1 + A + B t2 )式中：R 。温度为O 时铂热电阻的电阻值；R 温度为t 时铂热电阻的电阻值；A 一3 9 0 97 6 1 0 - 3 ；B 一一5 8 8 35 6 1 0 _ 7 。2 超声波式热量表热量测量系统的组成2 1硬件系统设计热量测量的核心是积算仪，它的设计采用嵌入式系统，其核心部件是一个高性能低功耗的单片机。积算器能把流量计和温度传感器测量到的物理信号通过A D 转换变
8、成数字信号，并按式( 1 ) 进行热量计算，该部分还能实现数据的储存、查阅以及数据交换和传输等功能。2 0 0 7 年增刊中央处理器采用美国德州仪器公司( T I ) 生产的M S P 4 3 0 F 4 3 5 单片机，硬件部分主要分为：单片机主板、T D C G P 2 、模拟量输人单元、键盘输入单元、L C D 显示单元、串行通信模块等。系统便于维护，性能稳定。主要功能包括：温度和流量信号的数据采集、处理、存储和显示，远程通信，电池状态检测，供热时间显示。积算仪的硬件电路原理图如图2 所示。硬件系统包括数字电路和模拟电路。数字电路由系统控制电路、高频振荡和计数电路、接口电路和微机控制电路
9、等组成；模拟电路由超声波发射电路、超声波接收电路、超声波接收发射转换电路以及温度测量电路等组成。图2 基于T D C G P 2 的超声波热量表系统结构框图由于嵌入系统具有功能多、可靠性好、体积小、低功耗、成本低等特点，可以节省大量的外部器件。M S P 4 3 0 F 4 3 5是专门为流量测量设计的新型1 6 位低功耗单片机，片内集成1 2 位A D 、1 6 位定时器、模拟比较器、串行接口、硬件乘法器等模块，从而使得A D 转换、定时和计数功能都能在片内进行；并且，片内集成8K B 的F l a s hM e m o r y ，既可作为程序存储器，也可利用剩余部分保存重要数据，这样可以节
10、省外扩的E 2 P R O M ，简化了硬件电路，同时，降低了功耗。当工作电压为2 2V ，单片机主频为1M H z时，其活动模式下的工作电流只有2 0 0p A ；而当处于低功耗模式L M P 3 时，电流只有0 7 扯A ，且从低功耗模式下唤醒只要通过片内的定时器中断即可唤醒，或利用流量脉冲进行外部唤醒，因此，完全可以省去外部中断唤醒电路。T D C G P 2 是A C A M 公司通用T D C 系列的新一代产品。G P 2 具有精确的温度测量，高速脉冲发生器，停止信号使能，温度测量和时钟控制等功能。这些特殊功能模块使得它尤其适合于超声波流量测量和热量测量方面的应用。加上一个简单的微处
11、理器和一个传感驱动与接收器，就可以构成一完整的超声波热量计。极低的损耗电流保证了在这些应用中电池具有较长的有效使用时间。微处理器只须发送一个开始命令，T D C G P 2 就会自动触发传感器并测量飞行时间，T D C G P 2 可自动完成测量。G P 2 计算出结果并传送给微处理器。T D C G P 2 与2 5 6 平砖机乌藏入式系忱应冈l 函围团置衄a d v m e s n e t c o r n c n ( 广告专用)第5 篇典型应用M S P 4 3 0 F 4 3 5 接口电路如图3 所示。超图3T D C G P 2 与M S P 4 3 0 F 4 3 5 接口电路2 2
12、软件设计软件设计重点是配合硬件实现低功耗和两种工作模式，软件采用模块化编程设计。主要由主程序、中断服务程序和各种子程序组成。主程序主要完成系统的初始化，初始化后进入低功耗状态，等待中断。软件设计上，单片机大部分时间处于L P M 3 休眠状态，主程序只用来进行初始化、更新显示并转入休眠，一切控制及计算均在中断子程序中完成。中断服务程序是此系统软件设计的核心，完成全部信号处理工作，包括流量计数器中断和按键中断。中断服务程序先判断系统的工作模式，然后进行相应的处理。子程序即各个功能模块，包括控制测量模块、数据采集和数据处理模块以及数据实时显示模块等。为了提高热量表的抗干扰能力，使用单片机片内集成的
13、看门狗定时器。M S P 4 3 0 F 4 3 5 单片机受到静电干扰后，芯片的部分结构被软击穿或硬击穿，造成芯片损坏或不正常工作，芯片的工作电流急剧增加提高芯片的温度。用片内集成的温度传感器监控芯片的温度，温度超过设定的最高温度进行强行复位，使系统保证正常工作。为了充分利用M S P 4 3 0 F 4 3 5提供的低功耗模式，在采暖期，当不进行信号采集、处理、显示等工作时，单片机均处于睡眠状态，使得整机功耗极低；在非采暖期，超声波流量传感器一般没有流量脉冲，因此不进行热量运算和存储，非采暖期的功耗很低。程序大部分时间处在低功耗休眠状态，工作时以中断方式完成功能。基于T D C G P 2
14、 超声波检测流程图如图4 所示。牟与机乌嵌入式条皖应同超声波检测+ l 选通T D c G P 2 ，切换传感器写入乘法因子设置G P 2 为自动校正工作方式设置G P 2 脉冲启动方式启动检测脉冲 一NYI1分析求2 号通道与1 号通道置出错标志4 个脉冲时间差I 一一关闭T D C - G P 2+返回图4 基于T D C G P 2 的超声波检测流程图结语用超声传感器取代叶轮进行流量测量，克服了机械式热表易磨损，对水质要求高的缺点，十分适合我国国情。在系统设计过程中，选用了超低功耗单片机M S P 4 3 0 和T D C G P 2 ，并配合硬件电路的低功耗设计，延长了供电电池寿命。与
15、机械式热表相比，在高温测量时，其精度更高，完全可以替代机械式热表进人家庭。远程抄表设备可 进行远程抄表和管理，是很有前景的热计量仪表。船参考文献 1 张涛低功耗技术在智能热表中的研究与应用E D 河北工业大学，2 0 0 6 E 2 金海龙，潘勇新型智能热量表的开发研究E J 传感技术学报，2 0 0 5 ( 6 ) E 3 王长军，朱善安温度自校正型低功耗热量表E J 自动化仪表，2 0 0 4 ( 2 ) 4 仝卫国，郭友瑞非接触式超声热量计的设计E J 传感器技术，2 0 0 5 ( 1 ) 5 李晶，莫德举户用低功耗超声式热量表的研究 J 北京化工大学学报，2 0 0 5 ( 1 ) 6 沈建华，杨艳琴，翟骁曙M S P 4 3 0 系列1 6 位低功耗单片机原理与应用 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 4 p a p e r m e s n e t c o i n c n ( 投稿专用)M i c r 。c 。n t r 。I I e r s E m b e d d e dS y s t e m s2 57基于TDC-的GP2户用低功耗超声式热量表的设计基于TDC-的GP2户用低功耗超声式热量表的设计作者：韩松， 张万江， 陈胜昆 作者单位：沈阳建筑大学相似文献(0条)相似文献(0条)本文链接：http:/ 下载时间：2010年1月12日
