基于單片機的智能熱量表的設計

摘 要摘 要本論文在詳細研究了戶用熱量表的結構、功能和工作原理的基礎上，依據最新行業(yè)標準，設計并開發(fā)了一種低功耗嵌入式戶用熱量表。該儀表具有設計結構簡單、高精度的特點。本熱量表采用MSP430系列芯片作為主控芯片，溫度傳感器采用鉑電阻PT1000，流量傳感器采用無磁轉子流量計。本熱量表具有以下主要特點：溫度采集模塊設計特點。設計了一種采用恒流源及其溫度補償電路為 PT1000供電的戶用熱量表溫度采集模塊，減小了恒流源受環(huán)境溫度的影響，實現(xiàn)了測溫的自適應；軟件部分采用一種對溫度測量中鉑電阻進行等精度線性插值分段的尋優(yōu)算法，且該方法不僅適用于熱量表的熱電阻非線性修正，也可對單調或分段單調非線性函數(shù)的插值區(qū)間進行優(yōu)化，根據精度要求將插值區(qū)間的劃分達到最優(yōu)，具備一定的通用性。低功耗設計。元器件使用量少，微功耗器件；工作模式的切換；利用開關控制硬件模塊工作狀態(tài)；采用中斷措施。熱量計算采用焓差法作為熱量計算的基本公式，使得流量傳感器的安裝位置不受限制；對焓值和密度進行了修正，提高了熱量計算的準確程度。 本課題設計的低功耗戶用熱量表功能較多，體積小，測溫精度高，運行穩(wěn)定，完成了設計的目標要求。 關鍵詞：熱量表；低功耗；超聲波IIAbstractAbstractIn this paper, a low-power embedded domestic heat meter has been designed and developed based on the latest industry standards to functions and working principle is studied in detail. The instrument has features such as simple design, high-precision. MSP430 series chip has been taken as the master chip, use platinum resistance PT1000 astemperature sensor, flowing sensor using non-magnetic flow meter. This heat meter has main features as follow: Temperature acquisition module design features. Use a constant current source and its temperature compensation circuit for power supply of PT1000 temperature sensor, reducing the impact of ambient temperature effect the constant current source, achieve temperature measurement of adaptive; an equivalent accuracy linear interpolation optimize algorithm has been used in software for platinum resistance temperature measurement, and this method not only applies to non-linear correction of the thermal resistance, and can also be used in monotonous or section of the monotone nonlinear function of interpolationinterval optimization, according to the interpolation accuracy of the delineation of the optimal interval, have a certain degree of commonality. Low-power design, low-power consumption microchip; switch the mode; use switches to control the working states of hardware module; using interrupt mode. so as to prevent the flow sensor installation location restriction; enthalpy and density have been amended to improve the accuracy of calculated heat. The heat meter has been designed in this issue has quite more functions, small size, high accuracy temperature measurement, operation stability; accomplish the design objectives. Key words: heat meters; low power consumption; ultrasonic目 錄目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第一章 引 言11.1 課題的研究背景11.2 課題的研究目的及意義11.3 熱量表在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢21.4 課題研究的主要內容2第二章 溫度測量及熱量算法42.1 溫度檢測儀表的分類42.2 溫度測量原理52.2.1 溫度傳感器的選擇52.2.2 溫度檢測原理62.3 溫度測量的實現(xiàn)72.3.1 熱電阻阻值測量實現(xiàn)的方法72.3.2 影響測溫精度的因素92.4 熱量算法的計算92.4.1 熱量計算原理92.4.2 熱量計算基本公式9第三章 流量檢測原理113.1 流量的概念113.2 時差法超聲波測流量原理123.2.1 時差法超聲波測流量的特點123.2.2 時差法超聲波測流量基本原理123.3 超聲波傳播時間測量技術14第四章 熱量表的硬件設計184.1 熱量表的總體設計184.2 單片機的選擇184.2.1 基本結構194.2.2 方便的開發(fā)環(huán)境194.3 溫度傳感器接口電路的設計204.4 流量傳感器接口電路的設計21第五章 軟件程序的設計225.1 MSP430單片機的編程語言和編譯環(huán)境225.2 系統(tǒng)主程序235.2.1 初始化模塊255.2.2 計算子程序265.3 中斷程序275.3.1 溫度測量模塊275.3.2 流量檢測模塊285.4 按鍵和顯示模塊30參考文獻32致 謝33附錄I34附錄II整機電路圖39- 40 -第一章 引 言第一章 引 言1.1 課題的研究背景在我國熱量表是一種新的計量器具產品。自改革開放以來，我國供暖供熱事業(yè)發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)供暖供熱體制也得到了極大改善。然而，我國一直以來是采取以政府為主導的供熱供暖制度，這勢必會造成不必要的浪費，并且供熱體制中也存在很多問題。由于技術的不成熟，主要依據西方歐洲國家的標準，參照蘇聯(lián)的模式，初步建立起有計劃特色的住宅鍋爐供熱體系。隨著我國經濟體制從計劃經濟向市場經濟的漸漸轉變，原來的供暖體制已經無法滿足當代經濟發(fā)展的需要。近幾年來，熱量表生產企業(yè)發(fā)展迅速；國家建設部等八部委聯(lián)合簽發(fā)的關于城鎮(zhèn)供熱體制改革試點工作的指導意見的下達，更是直接鼓舞、推動了熱量表企業(yè)的發(fā)展。隨著我國民用建筑供暖體制的改革進程，集中供熱用的熱量表是屬于國家規(guī)定“實行強制檢定”的儀表產品，研究討論檢定技術方法，正是現(xiàn)階段最值得關注的問題。1.2 課題的研究目的及意義熱量表是集測量、計算及顯示熱量交換系統(tǒng)所釋放或者吸收的熱量值于一體的儀表，是實施城市供暖供熱體質改革，推行按熱量計量收費的關鍵設備。然而，我國實行的收費方式是按面積收費而不是按照實際用熱量收費，這會造成用戶節(jié)能意識差，不利于供熱節(jié)能的推廣；另一方面使產、供、需三方的矛盾日益激化，引起越來越多的糾紛。針對以上這種狀況，我國自上世紀九十年代開始就已經自主研發(fā)熱量表，這加快了城鎮(zhèn)供熱體制改革的步伐，解決北方地區(qū)城鎮(zhèn)居民基本生活的需要，落實國家節(jié)能減排戰(zhàn)略方針，實現(xiàn)供熱事業(yè)全面協(xié)調可持續(xù)發(fā)展的必然要求。在水、電、煤氣計費系統(tǒng)日益普及的今天，實行按戶對熱量消耗量收費可使收費更加合理，但必須要使用專門的熱量表對熱量進行準確的計量。因此，關于智慧熱量表的相關技術的準備工作相當重要。熱量表的研制有助于加快我國供熱供暖體制的改革，更能滿足廣大人民群眾的需求，使供熱供暖體制更加合理化，對供熱供暖制度也起到一定的監(jiān)督作用。針對我國當下供熱供暖體制的弊病，要想徹底消除這些不利因素，更加準確的熱量表是至關重要的一部分。然而，由于我國熱量表技術普遍借鑒國外的先進技術，因此，設計研究屬于我們自己的熱量表勢在必行。近幾年我國熱量表的研發(fā)速度相當迅速。1.3 熱量表在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢我國熱量表起步較晚，最早也是從歐洲引進相關的技術進行研究，開始只是單純的仿制歐洲熱量表的相關產品，漸漸相關專業(yè)人員開始消化吸收其核心技術，在它們的基礎上研發(fā)屬于自己的熱量表，直到90年代，戶用熱量表的設計才趨于一致。熱量表由流量檢測儀表和一對溫度傳感器構成，流量傳感器有很多種，溫度傳感器也大多數(shù)不同，廠家也會采用不同的傳感器材料，但是對測量精度的要求往往不是很高，這就會造成不必要的浪費，我國生產的熱量表普遍采用的是PT1000等系列熱電阻式溫度傳感器。在流量測量原理上，熱量表中使用的流量傳感器，因其應用的原理不同，因此生產的形狀也是各異。熱量表的形狀也取決于檢測流量原理。目前，大多數(shù)流量檢測儀表中有近一半是速度式流量計，即用檢測組件測出流體在管道內的平均流速。超聲波式流量檢測儀表是近期才發(fā)展起來的，因其優(yōu)越的特點，超聲波熱量表正在快速發(fā)展成為熱量測量領域的首選。1.4 課題研究的主要內容在對國內外先進技術研究解析的基礎上，按照課題要求設計符合要求的基于超聲波檢測技術的熱量表。本課題主要對以下幾個方面進行研究：首先，在超聲波檢測流量的原理基礎上，根據目前供熱系統(tǒng)實現(xiàn)分戶計量的要求，提出了基于超聲波檢測技術并且可以提高測量精度的智慧熱量表的技術方案，主要是通過超聲波的發(fā)射和接受測量超聲波的傳播時間，然后根據流量算法計算出流量，最后按照熱量計算公式計算熱量。其次，課題要求熱量表要采用電池供電，考慮到整個系統(tǒng)的功耗，采用了目前應用較為廣泛且處理能力較強、方便調試、功耗較低的芯片MSP430作為整個系統(tǒng)的控制器。整個系統(tǒng)硬件電路的設計包括超聲波發(fā)射和接收電路的、溫度傳感器接口電路、電源電路、M-BUS遠程抄表電路、超聲波傳播時間測量電路及顯示電路的設計。最后，進行軟件流程的設計和程序的編寫，包括時差測量、溫差測量以及顯示流程的設計和程序的編寫。第二章 溫度測量及熱量算法第二章 溫度測量及熱量算法2.1 溫度檢測儀表的分類溫度是描述系統(tǒng)不同自由度之間能量分布狀況的基本物理量，是決定以系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的宏觀性質，一切互為熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度。根據物理學理論，溫度是與大量分子的平均動能相聯(lián)系，它反映了物體內部分子無規(guī)則運動的劇烈程度。物質的許多物理現(xiàn)象和化學性質都與溫度有關，同時許多生產過程，特別是化學反應過程，都是在一定的溫度范圍內進行的。溫度檢測儀表可分為接觸式和非接觸式兩大類。常用的接觸式測溫組件有熱電偶、鉑電阻、銅電阻、半導體熱敏電阻等。使測量物體與被測介質，依靠傳熱或對流進行熱交換達到平衡的測溫方法稱為接觸式測溫方法。接觸式測溫方法的主要優(yōu)點是方法簡單、可靠，測量精度高。它的不足之處是測溫需經歷熱量的交換與平衡過程，因而會導致被測介質熱場的破壞和測溫過程的延遲，所以不適于測量熱容量小、溫度極高以及運動物體的溫度，也不適合直接測量腐蝕性介質的溫度。任何熱載體都會將其一部分熱能轉換為輻射能，這些輻射能被其它物體接受后可轉變?yōu)闊崮苁蛊錅囟壬?，上述過程稱為熱輻射。載體溫度越高，輻射到周圍空間的能量就越多，受體接受的能量也越多，其溫度也會越高。熱輻射同電磁輻射一樣，無需任何傳遞媒介，或者說無需直接接觸即可在物體之間傳遞熱能，這就是實現(xiàn)非接觸測溫的主要依據。非接觸式測溫法又稱為輻射式測溫法，該方法的主要優(yōu)點是測溫上限原則上不受限制（一般可達3600），測溫速度快且不會對被測熱場產生大的干擾，還可適用于對運動物體、腐蝕性介質等的溫度測量。其缺點是容易受外界因素（如輻射率、距離、煙塵、水汽等）的干擾導致測溫誤差大、標準困難，且結構復雜、價格昂貴等。下面介紹幾種溫度檢測儀表：氣體溫度檢測儀表：多用氫氣或氦氣作測溫物質，因為氫氣和氦氣的液化溫度很低，接近于絕對零度，故它的測溫范圍很廣。這種溫度計精確度很高，多用于精密測量。電阻溫度檢測儀表：分為金屬電阻溫度計和半導體電阻溫度計，都是根據電阻值隨溫度的變化這一特性制成的。金屬溫度計主要用鉑、金、銅、鎳等純金屬及銠鐵、磷青銅合金；半導體溫度計主要用碳、鍺等。電阻溫度計使用方便可靠，已廣泛應用，它的測量范圍為-260至600左右。液晶溫度檢測儀表：用不同配方制成的液晶，其相變溫度不同，當其相變時，其看起來變了色。如果將不同相變溫度的液晶涂在溫度記錄儀一張紙上，則由液晶顏色等光學性質的改變，便可知道溫度為何。此溫度記錄儀的優(yōu)點是讀數(shù)容易，而缺點則是精確度不足，常用于觀賞用魚缸中，以指示水溫。熱電偶溫度檢測儀表：熱電偶溫度計是由兩條不同金屬連接著一個靈敏的電壓計所組成。金屬接點在不同的溫度下，會在金屬的兩端產生不同的電位差。電位差非常微小，故需靈敏的電壓計才能測得。由電壓計的讀數(shù)，便可知道溫度為何。2.2 溫度測量原理2.2.1 溫度傳感器的選擇溫度傳感器相應的可分為接觸式和非接觸式兩大類，接觸類就是讓溫度傳感器與待測物體直接接觸，來測量被測物體溫度的變化；而后者是把溫度傳感器與待測物體分隔開一定的距離，通過檢測被測物體發(fā)出的紅外線來達到測溫的目的。在整個溫度檢測領域當中，溫度傳感器一般分為接觸式和非接觸式溫度傳感器。然而，由于兩者測量方式的不同，應用情況也不相同。接觸式溫度傳感器廣泛應用于大多數(shù)場合，而非接觸式溫度傳感其只有在比較特殊的情況下采取使用。我們首先介紹一下接觸式溫度傳感器。熱電式溫度傳感器是接觸式溫度傳感器中使用最廣泛的。熱電式傳感器是利用敏感組件將溫度轉化為電量的變化，從而達到測量溫度的目的。最典型的熱電式溫度傳感器是熱電偶溫度傳感器，具有結構簡單、使用方便、測量準確度高、測溫范圍寬等優(yōu)點。熱電阻傳感器是利用電阻率隨溫度變化這一現(xiàn)象來測溫度。熱電阻主要用于工業(yè)測溫，可分為金屬熱電阻式和半導體熱電阻式兩大類，前者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電阻。大多數(shù)金屬具有正的電阻溫度系數(shù)，溫度越高電阻值越大。一般溫度每升高1電阻值約增加0.4%到0.6%。由半導體制成的熱敏電阻大多數(shù)具有負溫度系數(shù)，溫度每升高1，電阻值約減小2%到6%。利用以上特性，可實現(xiàn)溫度的檢測。熱電阻是目前接觸式測溫中應用十分廣泛熱電式傳感器。它具有以下優(yōu)點： 電阻溫度系數(shù)大，溫度增加時，其電阻值有明顯增大。 在工作范圍內，物理和化學性能穩(wěn)定，不易被介質腐蝕。 較高的電阻率，以便制成小尺寸組件，減小熱慣性。 電阻隨溫度變化保持單值函數(shù)，最好是線性關系。 易于得到高純物質，復現(xiàn)性好，價格較便宜。因此，綜合以上考慮，在該設計當中采用熱電阻溫度傳感器來進行溫度檢測。2.2.2 溫度檢測原理熱電阻的測溫原理是基于電阻的熱阻效應（電阻體的阻值隨溫度的變化而變化）進行溫度測量的。因此，只要測出感溫熱電阻的阻值變化，即可測出被測溫度。在我國，大多數(shù)測溫組件主要采用Pt1000熱電阻。其溫度與阻值的變化關系如下：當溫度小于0（在其測量范圍內）時，關系式為： (2.1)當溫度大于0時，關系式為： （2.2）式中：是0時的鉑電阻阻值，單位為，為t時的鉑電阻阻值，單位為。其中，常數(shù)A、B、C分別為A=3.90802/；B=5.775/；C=-4.2735/。為了加快溫度與電阻值關系收斂速度，我們可以對初值采用式（2.2）的線性部分： （2.3）得到 (2.4)把此值作為溫度迭代的初始溫度，經過4次迭代，得到溫度，這就順利補償了溫度傳感器的非線性誤差。2.3 溫度測量的實現(xiàn)鑒于以上對溫度檢測基本原理的分析，并且考慮到溫度傳感器的選擇，我們可選擇不同的方法求出鉑電阻在不同溫度下的溫度值。所以，溫度檢測的重要任務就是電阻值的測量和實現(xiàn)，設計方法實現(xiàn)溫度測量非常重要，考慮到熱量表電池供電、低功耗、計算簡單等因素，介紹下面兩種方法。2.3.1 熱電阻阻值測量實現(xiàn)的方法本課題采用電橋測量法，一般Pt1000電阻的測溫實現(xiàn)方法有兩種。一種是恒流源供電，如圖2-1所示，另一種就是恒壓源供電，如圖2-2所示。區(qū)別主要為電源不同，這也就會引起計算公式的差異。圖2-1 恒流源測溫電路（1）可求出電壓表的電壓為： （2.8）當RRc，成立時，有 （2.9）測出，的大小便可以算出。圖2-2 恒壓源測溫電路(2)電壓表的電壓： （2.10）2.3.2 影響測溫精度的因素 引線電阻的影響。用于測量的金屬熱電阻總要有連接導線，由于金屬熱電阻本身的電阻值較小，所以引線的電阻值及其變化就不能忽略。為此，金屬熱電阻的引線通常采用三線式或四線式接法。 自然誤差。在用金屬熱電阻測量電路時，電阻中總要留過一定的電流并消耗一定的電功率，通電后的發(fā)熱同樣會造成電阻值的變化，但這種變化是不希望的。使用中應盡量減小電阻通電產生的熱而引起的誤差。解決的辦法是限制電流，規(guī)定其值不超過6mA。 安裝精度的影響。我們知道熱電阻要盡量安裝在管道的中間，以使熱電阻盡量與被測物體充分接觸，但是，這就會引起不必要的接觸電阻產生。因此，熱電阻的安裝也會對測溫精度產生不可忽略的影響。2.4 熱量算法的計算2.4.1 熱量計算原理熱量計算原理：將一對溫度傳感器分別安裝在供水管道的進出水口，溫度傳感器將測得的進出水的溫度傳送到單片機，單片機將收到數(shù)據進行處理計算，最后計算出熱量。2.4.2 熱量計算基本公式（1） 焓差法 （2.11)其中：Q是釋放或吸收的熱量；是流經熱量表的品質流量；是流經熱量表的液體流量；指流經熱量表的液體密度；是指在熱交換系統(tǒng)的入口和出口溫度下液體的焓值差：；t為時間。該公式表示：當水流經系統(tǒng)時，根據配對溫度傳感器給出的進出液體溫度，以及流量傳感器給出的體積流量，通過積分運算就可以得到該系統(tǒng)吸收或者釋放的總熱量。（2） 熱系數(shù)法 （2.12）其中：Q為吸收或者釋放的熱量；v是為液體流過的體積；為熱量表入口處液體的溫度；為熱量表出口處液體的溫度；k為熱系數(shù)。但是使用該公式有個前提：即必須滿足入口溫度高于出口溫度時才能獲得對應k系數(shù)，否則該公示不可使用。本課題采用焓差法來計算熱量。第三章 流量檢測原理第三章 流量檢測原理3.1 流量的概念和溫度一樣，流量也是控制過程中的重要參數(shù)。一方面，它是判斷生產狀況、衡量設備運行效率的重要指標。例如，在許多工業(yè)生產中，一方面用測量和控制流量來確定物料的配比與消耗，以實現(xiàn)生產過程自動化和最優(yōu)控制；另一方面，還需要將介質流量作為生產操作和控制其它參數(shù)（如溫度、壓力、液位等）的重要依據。所以，對流量的測量與控制是實現(xiàn)生產過程自動化的一項重要任務。在生產過程中，常把單位時間內流過工藝管道某截面的流體數(shù)量稱為瞬時流量，而把某一段時間內流過工藝管道某截面的流體總量稱為累積流量。瞬時流量和累積流量可以用體積表示，也可以用質量或重量表示。（1） 體積流量 以體積表示的瞬時流量用表示，單位為；以體積表示的累積流量用表示，單位為。他們的計算式分別為 （3.1） （3.2)式中，為截面A中某一微元面積上的流體速度；為截面A上的平均流速。（2） 重量流量 以重量表示的瞬時流量用表示，單位為牛頓/小時；以重量表示的累積流量用表示，單位為牛頓（N）。它們與流量的關系分別為 (3.3）式中，表示流體的重度。（3） 質量流量 以質量表示的瞬時流量用表示，單位為/s；以質量表示的累積流量用表示，單位為。它們與體積流量的關系分別為 （3.4）式中，表示流體的密度。3.2 時差法超聲波測流量原理3.2.1 時差法超聲波測流量的特點時差法測流量原理具有以下幾個特點：(1) 對于小管徑時差測量比較困難。目前可測的最小管徑為25mm，采用V型或W型聲道以擴大聲程長度，增加順逆向聲傳播時間。對于Z型聲道一般用于50mm以上管道。(2) 用途比較廣泛，適用于各種液體和不同管徑。除管道外，還可用于管道、河流等的流速、流量的測量。時差法較適于測量純凈液體。有較多氣泡的液體或懸浮物會阻礙聲脈沖正常傳播，導致不能正常測量。(3) 電子線路的集成程度較高，幾乎不需要修理與維護，編程靈活簡單，用戶輸入的數(shù)據均為常用的原始直接數(shù)據，不需要經過人工計算，省力省時效率高。(4) 組成簡單，主要有換能器和電子電路構成。不僅對導電的介質，而且對不導電的介質實現(xiàn)無壓損測量。因為時差法超聲測流量具有許多突出優(yōu)點，所以它具有強大的生命力。3.2.2 時差法超聲波測流量基本原理時差法超聲波流量測量的基本原理是：利用超聲波在流體當中逆流和順流傳播速度的差異，在管道的兩端安裝一對換能器，兩換能器交替發(fā)射和接受信號，最終測出超聲波的傳播時間差，將數(shù)據傳送到單片機進行處理計算，最后計算出總的熱量。圖3-1 時差法超聲波測流量示意圖超聲波流量計的超聲波換能器一般是斜置在管壁外側，如圖3-1所示。圖中采用一對換能器，每一個換能器兼作聲波的發(fā)射和接受，實際應用中也可以采用兩對換能器。假設聲波在順流方向的傳播時間為，在逆流方向的傳播時間為，據圖可以求出： （3.5） (3.6)其中：為超聲波傳播的折射角度；c為聲波在靜止流體的傳播速度；D為管道內徑大??；流體的流速為v；為信號在一個循環(huán)中除在流體中傳播所需的時間。順流方向和逆流方向的傳播時間差為： （3.7)大多數(shù)情況下cVsin，所以上式可變?yōu)?(3.8)因此，如果知道了，及D，并且檢測出超聲波傳播時間并計算出傳播時間差，就可以計算出超聲波在流體當中的傳播速度V，超聲波流量計所測得的流速與實際傳播速度之間存在差異，主要是由于聲速取順逆流方向聲波傳播時間，聲速會產生一定的誤差。為減小這種誤差，可令： （3.9）取，則 （3.10）帶入(3.8)式得 （3.11）其中，Q為修正系數(shù)，為管道截面積。即 （3.12）3.3 超聲波傳播時間測量技術準確測量超聲波的傳播時間是本設計的關鍵之處。一般的，測量時間方法有三種，分別為脈沖計數(shù)法、鎖相環(huán)路法、高精度計時芯片。由于高精度計時芯片測量時間的方法較前兩種方法精度更高，并且滿足低功耗的要求，因此本設計采用高精度計時芯片TDC-GP2來測量超聲波傳播時間。計時芯片的基本測時原理如圖3-2所示，其中計時芯片的START和STOP管腳，分別是開始計時控制信號和結束計時控制信號的輸入腳，它們的觸發(fā)電平是由生產廠家自己設定的，并且只接收一次觸發(fā)，即當START通道中第一個作START信號的脈沖到來后，通道則視為關閉，不再接收任何脈沖信號，直到芯片初始化后，下一次測量才會開始，STOP通道也會做相同處理。這種芯片可直接與單片機通訊，并且具有低功耗、高精度的優(yōu)勢，使硬件電路的設計更為方便，更是降低了整機成本和功耗。圖3-2 計時芯片的測時原理TDC-GP2很適合低成本的超聲波熱量計。由于其良好的功能性（包括精確的溫度測量，觸發(fā)脈沖產生器，窗口和時鐘校準器），加上一個簡單的微處理器（不需要A/D轉換）和一個傳感驅動與接收器，就可以構成一完整的超聲波熱量計。極低的損耗電流保證了在這些應用中電池具有較長的有效使用時間，TDC-GP2可自動完成測量。微處理器只須發(fā)送一個開始命令，TDCGP2就會自動觸發(fā)傳感器并測量飛行時間。GP2計算出結果并傳送給微處理器。TDC-GPZ的內部結構如圖3-3所示。主要對它的TDC模塊進行介紹，分析其工作原理。圖3-3 TDC-GPZ芯片內部結構圖觸發(fā)脈沖發(fā)生器可產生頻率、相位和脈沖個數(shù)都可調的脈沖序列。高速振蕩器頻率用作基本頻率。這個頻率在內部被倍頻，它還可以自由地除以因子2-15進行分頻，可以產生1-15個脈沖序列，每個脈沖序列都可通過設置寄存器來調節(jié)其相位。通過發(fā)送代碼Start_Cycle來啟動觸發(fā)脈沖發(fā)生器。觸發(fā)脈沖發(fā)生器提供兩個輸出結果：Fire1和Fire2。每個輸出在5V時的驅動能力是48mA。這兩個輸出的驅動能力可以同時增加到96mA。此外，每個輸出信號可以被反向使信號的振幅加倍，輸出管腳能被單獨地設置為高阻態(tài)。TDC-GPZ內部具有兩種測時模式，其中一種稱為粗計時模式(CoarseCount)，另外一種就是高精度計時模式(FineCount)，如圖3-4所示。圖3-4 TDC一GPZ計時原理圖數(shù)字TDC是以信號通過內部門電路的傳播延遲來進行高精度時間間隔測量的。采用前置配器來擴展可測量的最大時間間隔，分辨率保持不變。在此模式下，TDC的高速單元并不測量整個時間間隔，僅僅測量從START或STOP信號到相鄰的基準時鐘上升沿之間的間隔時間（fine-counts）。在兩次精密測量之間，TDC記下基準時鐘的周期數(shù)。門電路的傳播延遲時間主要取決于溫度和電壓。在測量范圍2中測量結果是精確測量值和粗略測量值的總和。因此在測量范圍2中必須進行校準。在校準期間，TDC分別測量一個和兩個基準時鐘周期。這種測量方式的測量結果精度對于芯片內部的基礎邏輯門的延遲時間非常依賴。利用這種方法，才有上面提到的65Ps的精度。具體測量過程為：高速度即使單元在Start信號到來時才開始工作，Start信號過來一個高電平，高速計時單元立即開始計時，高速計時單元會計時一定時間。利用之前講述的高精度計時模式測量該信號到參考時鐘的下一上升沿之間的時間，STOP信號在計時單元工作期間到來，會立即測出START與STOP之間的時間，否則會立即進入粗計時狀態(tài)。高精度計時芯片會測出參考時鐘第二次高電平到來的時間，至此，時間測量完成。最終，經過芯片中的數(shù)據處理模塊得出時間： （3.13）第四章 熱量表的硬件設計第四章 熱量表的硬件設計4.1 熱量表的總體設計熱量表的總體結構由以下三個部分組成：流量計，用途是采集水流量并發(fā)出流量信號的器件；配對溫度傳感器，分別用于測量熱交換系統(tǒng)進水和回水溫度；數(shù)據處理及顯示模塊，目的是接收來自流量傳感器和溫度傳感器提供的流量和溫度信號，并通過熱量計算公式可得到用戶在一定時間內從熱交換系統(tǒng)獲得的熱量。如圖4-1所示：圖4-1 熱量表總體框圖4.2 單片機的選擇本課題選擇單片機MSP430F4152作為系統(tǒng)芯片。該芯片具有超低功耗、功能集成度高等優(yōu)點，特別適用于功率要求較低的場合，廣泛應用于自動信號采集系統(tǒng)、液晶顯示的智能儀表、智能檢測與控制系統(tǒng)、醫(yī)療與運動系統(tǒng)、家用電器和保安系統(tǒng)等領域。MSP430F4152單片機采用內存結構，對內存進行統(tǒng)一編址，利用公共內存控件對系統(tǒng)的全部功能模塊尋址。同其它微處理器相比，該芯片可以大大延長電池的使用壽命，單片機的啟動更加迅速；芯片抗干擾能力強；64KB的尋址控件，僅3種指令格式，且全部為正交結構；盡可能做到1位元組/指令；源操作有7種尋址模式，外部中斷I/O口具有中斷能力；對同時發(fā)生的中斷按優(yōu)先級別處理；嵌入中斷機構，支持在中斷服務過程中再次響應其它中斷；外圍模塊地址不占用RAM控件，均在模塊內；有10位或更高精度的ADC。4.2.1 基本結構MSP430FE425引腳定義：圖4-2 MSP430FE4152引腳定義選用封裝為64腳扁平封裝，其工作溫度范圍：-4085。4.2.2 方便的開發(fā)環(huán)境 1建立開發(fā)環(huán)境在光盤中找到software文件夾下的EW430-ev-web-342A.exe檔并運行。在安裝過程中，最簡單的方法是按默認位置安裝。2新建一個工程編寫代碼完成后，可按F7快捷鍵或選擇主菜單Project下的Make子菜單建立可執(zhí)行二進制代碼檔。若工程編譯（Make）成功，則可進行下載調試。否則，出錯信息會顯示在信息窗口中，根據出錯信息調試程序。圖4-3 MSP430的內嵌仿真模塊4.3 溫度傳感器接口電路的設計圖4-4 溫度傳感器接口電路溫度傳感器接口電路如圖4-4所示。有一對熱電阻傳感器和芯片ELM7S14B組成。ELM7S14B是COMS施密特觸發(fā)反向集成電路。內部電路由三段邏輯門電路構成，可以達到高抗噪性能和非常穩(wěn)定的輸出，還可以調整信號脈沖。4.4 流量傳感器接口電路的設計圖4-5 流量傳感器接口電路流量傳感器接口電路如圖4-5所示，有一對換能器和放大電路芯片組成。換能器的安裝包括夾裝式和固定式兩種。在這里簡單介紹一下固定式安裝方法。在制造流量計時將換能器固定在測量管上，并于測量管組成一體，構成專門的超聲波式流量傳感器。測量時，流體與換能器接觸。因此，固定式超聲波流量計可用于液體和氣體的測量。第五章 軟件程序的設計第五章 軟件程序的設計超聲波熱量表系統(tǒng)的整個軟件采用模塊化結構設計，將各功能模塊設計成獨立的編程調試程序塊，這樣不僅有利于功能的擴展，而且便于調試和連接，更有利于程序的移植和修改。5.1 MSP430單片機的編程語言和編譯環(huán)境MSP430單片機的開發(fā)軟件較常用的是IAR公司的IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境，它可以編輯、匯編和編譯匯編語言和C語言源文件，并且其C語言和匯編語言具有相同格式的頭檔，給開發(fā)帶來了靈活性。單片機應用C語言進行編程更符合當下的潮流。C語言編程有很多優(yōu)點，程序結構簡潔、緊湊、規(guī)整，表達式簡練、使用靈活。編寫的程序可讀性強，編譯效率高。數(shù)據類型種類繁多。C語言具有5種基本的數(shù)據類型和多種構造數(shù)據類型以及復合的導出類型，同時還提供了與地址密切相關的指針機器運算符。指針可以指向各種類型的簡單變量、數(shù)組、結構和聯(lián)合乃至函數(shù)等。此外，C語言還允許用戶自己定義數(shù)據類型。C語言具有編寫結構化程序所必需的基本流程控制語句，C語言程序是由函數(shù)集合構成的，函數(shù)各自獨立，并且作為模塊化設計的基本單位。語法限制不太嚴格，能進行位（bit）操作，可以直接對硬件進行操作。因此，C語言既具有高級語言的功能，又兼容低級語言的許多功能，可用來編寫系統(tǒng)軟件。具有較高的可移植性。它的語句基本上無須修改就能用于各種型號的計算機和各種操作系統(tǒng)。C語言是處于匯編語言和高級語言之間的一種中間型程序設計語言，常被稱為中級語言。它既有高級語言的基本特點，又具有匯編語言面向硬件和系統(tǒng)，可以直接訪問硬件的功能。本設計采用C語言編程，因此，需要把寄存器分為兩組。(1) 高速緩存器（R12R15），為了滿足計算準確，速度較快，因此，高速寄存器用來傳送參數(shù)(2) 普通寄存器（R4R11），在編寫程序過程中，要用到大量的變量以及中間變量，因此，可以利用普通寄存器來儲存這些參數(shù)。但是要注意，這些參數(shù)十分重要，要注意保護，確保不會出現(xiàn)差錯。由于測量過程的復雜性，外界有較多的干擾因素，中斷可能隨時發(fā)生，因此，編寫中斷函數(shù)不適合調用約定。在編寫當中要注意： 寄存器的信息安全保護，在整個過程中都要保護寄存器中儲存的信息數(shù)據。 INTVEC處定義中斷變量，這是不可忽略的。整個軟件構成如圖5-1所示，系統(tǒng)主程序和中斷服務程序構成系統(tǒng)的軟件程序。整個系統(tǒng)完成初始化以后自動進入掉電模式，而一些中斷程序可將單片機喚醒進入工作模式。這些終端程序包括測量程序、案件顯示程序和時鐘程序等，單片進入工作模式以后開始進行內存的讀寫、進行數(shù)據計算處理，等到這些工作完成以后，系統(tǒng)又自動進入掉電模式。整個軟件系統(tǒng)采用模塊化設計，這些模塊包括溫度檢測模塊、流量檢測模塊、通訊模塊。圖5-1系統(tǒng)軟件的總體設計結構5.2 系統(tǒng)主程序本系統(tǒng)中的主程序主要是完成單片機MSP430F4152的內部模塊和寄存器的設置、端口資源和內存的配置、存儲功能與數(shù)值計算，其它時間單片機會自動轉入低功耗模式，測量和按鍵中斷會把它從睡眠狀態(tài)喚醒。因此CPU大部分時間都處于在低功耗模式下，把功耗降到最低。主程序流程圖如圖5-2所示。開始參數(shù)處理初始化進入低功耗模式等待中斷喚醒按鍵中斷？5s時間到？判別按鍵LCD顯示啟動時差測量TimeEndSign=0？啟動溫度測量TimeEndSign=0？計算子程序存儲資料YYYYNNNN圖5-2主程序流程圖5.2.1 初始化模塊(1) 看門狗初始化。使單片機可以在無人狀態(tài)下實現(xiàn)連續(xù)工作，其工作原理是：看門狗芯片和單片機的一個I/O引腳相連，該I/O引腳通過程控它定時地往看門狗的這個引腳上送入高電平(或低電平)，這一程序語句是分散地放在單片機其它控制語句中間的，一旦單片機由于干擾造成程序跑飛后而陷入某一程序段進入死循環(huán)狀態(tài)時，寫看門狗引腳的程序便不能被執(zhí)行，這個時候，看門狗電路就會由于得不到單片機送來的信號，便在它和單片機復位引腳相連的引腳上送出一個復位信號，使單片機發(fā)生復位，即程序從程序內存的起始位置開始執(zhí)行，這樣便實現(xiàn)了單片機的自動復位。在系統(tǒng)運行以后也就啟動了看門狗的計數(shù)器，看門狗就開始自動計數(shù)，如果到了一定的時間還不去清看門狗，那么看門狗計數(shù)器就會溢出從而引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)復位。所以在使用有看門狗的芯片時要注意清看門狗。(2) I/O埠的初始化。MSP430F4152共有48個I/0埠，其中Pl、P2口具有中斷能力。大多數(shù)的I/O口會被使用，而大部分I/0不僅可作為輸入/輸出口還可以和片內模塊功能復用，因此I/0的初始化會比較繁雜。對本課題中所使用的I/O埠的初始化如下：P1口：具有中斷能力，外部中斷可經過該埠傳遞到單片機，將P1.6、P1.7設置為中斷方式，通過下降沿觸發(fā)，其余埠設置為輸出狀態(tài)，不去使用。P2口：P2.l，P2.2，P2.4，P2.5，P2.6和P2.7全部設置成輸出狀態(tài)，而把P2.0為定時器TA2設置為捕獲輸入，把P2.6設置為比較器A輸出，P2SEL的第7位置1；將P2.3設置為按鍵輸入，令P2SEL=Ox41。P3口：溫差和時差測量芯片的控制端口，將P3.0P3.3，P3.5P3.7全部設置為輸出狀態(tài)，僅把P3.4設置為輸入狀態(tài)。P4口：P4.0P4.5設置為輸出狀態(tài)，當作液晶顯示器的控制埠使用；P4.6設置為輸出狀態(tài)，可作為發(fā)射接收電路切換控制端口；P4.7不用，設置成輸出狀態(tài)。P5口：P5.2P5.4設置為輸出狀態(tài)，可作為時鐘電路的控制端口；其余埠用不到，也可以設置為輸出狀態(tài)。P6口：P6.3P6.5設置為輸出，用作控制端；其它埠全部設置為輸出狀態(tài)。(3) 內部時鐘的初始化。系統(tǒng)共采用了三種不同的時鐘信號，分別為MCLK、SMCLK、ACLK。其中，把50H賦給SCFI0控制寄存器，意思是DCOCLK的頻率可在2.826.6MHz之間調整。把A0H賦給FLL_CTL0控制寄存器，可選擇振蕩器電容為pF。SCFQCTL寄存器賦予的值與SCFI0中的D位可作為控制DCOCLK的頻率MCLK和SMCLK信號。SCFQCTL的位與含義如表5-1所示：表5-1 系統(tǒng)時鐘控制寄存器76543210MNNNNNNN其中，N的范圍為1127，當DCO在MCLK和SMCLK前允許分頻時，SMCLK的頻率可由式5.1得到 （5.1）=32768Hz、分頻系數(shù)D=2，N=121，MCLK和SMCLK為7.99MHz，該頻率值不可以超過DCOCLK設定的范圍。(4) 內部定時器的初始化。使用單片機MSP430F4152內部的基本定時器Basic Timer1可用來控制芯片的休眠時間，中斷的時候單片機自動進入工作狀態(tài)。Basic Timer1由BTCNT1、BTCNT2與一個控制寄存器BTCTL構成，BTCNT1、BTCNT2作為兩個計數(shù)單元使用。BTCTL各位定義如表5-2所示：表5-2 基本定時器控制寄存器76543210SSELHOLDDIVFRFQ1FRFQ0IP2IP1IP05.2.2 計算子程序計算子程序是通過測量的溫度差值與超聲波傳播時間來計算瞬時/累積流量、瞬時/累積熱量的程序。本設計在實際的測量中采用的是高精度測量芯片TDC-GP2，但是在進行溫度測量時，結果寄存器中存儲的值不是我們渴望得到的溫度，而是放電電容的放電時間，因此必須通過溫度查表程序才能得到準確的溫度值。在超聲波傳播時間測量時，TDC-GP2結果寄存器中的數(shù)值是由16位整數(shù)與16位小數(shù)組成并且以2的補碼形式存儲的32位固定浮點數(shù)。根據溫差與瞬時流量，通過熱量以及流量算法將其轉換成熱量，這就是計算熱量的整個過程。5.3 中斷程序5.3.1 溫度測量模塊溫度測量流程圖如圖5-3所示。高精度測量芯片TDC-GP2中內嵌高精度低功耗溫度測量單元。溫度測量單元接收到微控制器發(fā)送的“Start_Temp”信號就會啟動，進行溫度測量。在測量結束后，置位中斷標志位會向芯片發(fā)送中斷信號，結果寄存器會存儲下測量的結果。CPU要通過比較判斷測量結果是否有效，當溫度傳感器斷路、短路或者是TDC溢出引起中斷時，測量結果無效；并非以上三種情況時，可視為溫度測量有效，讀出寄存器中的數(shù)值，然后根據通過查表來計算液體溫度，并把測量結果存儲起來。圖5-3 溫差測量流程圖5.3.2 流量檢測模塊超聲波傳播時間測量流程如圖5-4所示。把超聲波采集信號的時間間隔設定為5s，可通過一個寄存器 Count1_T和基本定時器（Basic Timer1）來實現(xiàn)時間間隔的設置。在本設計方案的中所設定的溢出時間是1s，然而要實現(xiàn)5s的定時時間，定時器中斷的次數(shù)需要被統(tǒng)計下來，可由一個寄存器完成。寄存器初始值賦值5，當定時器到達之前設置的1s后，就會產生定時器中斷，進入中斷程序，接著要判斷Count1_T是否為0。如果是0，就表明定時5s的時間到，將Count1_T清零并轉換到超聲波傳播時間測量程序；如果不是0，把Count1_T值減1并且返回睡眠狀態(tài)下，等待下一次定時器中斷的到來?；径〞r器中斷喚醒I/O和USART中斷關顯示NUMT=35?CONT2=0?LMP3NUMT-1 NUMTCONT-2 CONTYLAMP0NTACCR2捕捉A2開發(fā)射脈沖N返回進入溫度測量NUM=5?A0-A2 T1TACCR0捕捉A0上電發(fā)射電路順逆流轉換開關切換發(fā)連續(xù)脈沖發(fā)啟動脈沖YNY 圖5-4超聲波傳播時間測量流程圖進入超聲波傳播時間測量中斷程序時，必須首先把單片機從睡眠狀態(tài)下喚醒，因為基本定時器中斷的優(yōu)先級別最低的原因，任何一個內部中斷或者外部引起的中斷都會在此中斷過程之前回應。5.4 按鍵和顯示模塊熱量表的數(shù)據顯示和液晶顯示屏的開啟都可以通過鍵盤鍵盤操作來完成。熱量表輸入的參數(shù)不會過于復雜，因此只需要使用一個按鍵來作為輸入接口。按鍵中斷清中斷標志位有按鍵按30 CONT2第三次按鍵第四次按鍵第五次按鍵第二次按鍵第一次按鍵 N N N NY讀FLASH讀FLASH讀FLASH讀FLASH Y Y Y Y讀FLASH顯示瞬時流量顯示瞬時流量顯示瞬時流量顯示瞬時流量顯示瞬時流量CONT1+1CONT1+1CONT1+1CONT1+1CONT1+1結束結束結束結束結束圖5-5 按鍵處理模塊程序流程過程如圖5-5所示。熱量表中，共有瞬時/累積流量/熱量、入/出口溫度和時間7個物理量，按鍵顯示過程為從瞬時流量開始，按下一次就會顯示一個物理量，7次為一個循環(huán)，顯示7次之后再從第一個開始。所以需要一個寄存器CONTI來累計按鍵次數(shù)，CNOTI初始值為0。當有鍵按下時，寄存器CONTI判斷是第幾次按下，將相應位置的數(shù)值送往顯示?？紤]到功耗因素，液晶顯示屏不會一直處于顯示狀態(tài)，本設計設置為如果60s無按鍵操作則顯示自動關閉。60s的定時也可以由基本定時器BT實現(xiàn)，因為基本定時器每2s中斷一次，因此沒有鍵按下時，定時器BT累積中斷30次便可以關閉液晶顯示。當有按鍵按下時，首先將30這一數(shù)值儲存到寄存器CNOTI，每次中斷之后，不僅要判斷超聲測量定時寄存器UNMT的值，還要檢測CNOTZ中的值是否是0，如果是0就關閉液晶顯示，若不是0把CON2減1。參考文獻參考文獻1 張宏建，自動檢測技術與裝置，化學工業(yè)出版社，2010，170-1712 田良，綜合電子設計與實踐，東南大學出版社，2002，5-93 潘永湘，程控與自動化儀表，機械工業(yè)出版社，2007，26-274 王祁，智能儀表設計基礎，機械工業(yè)出版社，2009，17-185 魏立峰、王寶興，單片機原理及應用技術，北京大學出版社，2006，44-516 范立南，謝子殿，單片機原理及應用教程，北京大學出版社，2006，76-827 樓然苗，李光飛，51系列單片機設計實例(第2版)，2006，23-268 胡漢才，單片機原理及接口技術M，清華大學出版社，1996，103-1129 全國大學生電子設計競賽獲獎作品匯編，北京理工大學出版社，2004，28-2410 黃智偉，全國大學生電子設計競賽制作實訓，科學出版社，2007，27-3411 房小翠，王金鳳，看門狗電路手冊M，國防工業(yè)出版社，1999，55-5612 李華，MCS-51系列單片機實用接口技術M，北京航空航天大學出版社，79-8413 劉大茂，智能儀器(單片機應用系統(tǒng)設計)M，機械工業(yè)出版社，1997，186-18914 姜志海，劉連鑫.單片機微型計算機原理及應用，北京：機械工業(yè)出版社，200715 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