基于MSP430的超聲波熱量表設計

國內早期使用的易磨損、壽命低的機械式熱量表已不能適應現在的熱量計量需求，按面積收費的取暖收費制度的弊端也越來(lái)越明顯。隨著(zhù)嵌入式系統和傳感器技術(shù)的發(fā)展與完善，在熱量表設計中利用傳感器處理芯片，結合超聲波傳感器及溫度傳感器來(lái)實(shí)現長(cháng)壽命、高精度的測量已成為行業(yè)應用趨勢。

設計提出了一整套超聲波熱量表的設計方案。選用超低功耗微處理器MSP430作為CPU。使用ACAM公司的時(shí)間數字轉換芯片TDC-GP22作為傳感器信號處理的集成芯片，用此來(lái)采集和處理超聲波傳感器和Pt1000溫度傳感器的信號。在熱量表的設計方面改進(jìn)了超聲波換能器的W安裝方式，以此來(lái)減小由于中國水質(zhì)原因，管道壁上容易產(chǎn)生的結垢、結晶對高精度測量的影響，并且增加整流片設計，以此來(lái)減小由于閥門(mén)等產(chǎn)生的渦流對超聲波測量精度的影響。最后在符合行業(yè)規定的現場(chǎng)對多組熱表進(jìn)行了測試，測試結果顯示實(shí)現了低功耗、高精度的設計目標。

1 超聲波熱量表的模型設計

1.1 熱量表物理模型

熱量表的微處理器外設模塊主要包括TDC-GP22傳感器處理芯片以及流量測量模塊、溫度測量模塊和熱量計算模塊。Pt1000用于檢測管道進(jìn)出水端的溫度信號，超聲波傳感器用于實(shí)時(shí)檢測管道水的流量信息，時(shí)間數字轉換芯片TDC-GP22用于對傳感器信號的轉換，實(shí)現電子化測量。微處理器MSP430完成對傳感器信號進(jìn)行計算處理，并且將處理結果顯示在LCD屏上。熱量表物理模型示意圖如圖1所示。

圖1 熱量表物理模型示意圖

1.2 熱量表數學(xué)模型

超聲波熱量表熱量計算采用歐洲流行的k系數法]，利用管道進(jìn)出口的水溫差ΔT和管道的瞬時(shí)熱水流量，通過(guò)對時(shí)間的積分得出用戶(hù)消耗的累積熱量值：

    （1）

式中：E為熱交換系統輸出的熱量，單位J；t為流量累計的時(shí)間，單位h；η為焓修正系數，單位J/m3；Q為瞬時(shí)水流量，單位m3/h；ΔT為進(jìn)出水的溫度差，單位℃。

2 超聲波熱量表的硬件結構設計

2.1 熱量表管件設計和基表改進(jìn)

設計針對我國目前戶(hù)用小口徑（DN20/DN25）熱量表由于超聲波聲程短而引起的測量誤差較大的現狀，提出了一種可以通過(guò)延長(cháng)超聲波傳輸距離來(lái)減小測量誤差的W型安裝方式，如圖2所示。

注：①整流片②超聲波換能器③反射片

圖2 W型安裝方式

圖2所示的W型安裝方式能避免的V型安裝方式和π型管安裝方式中立柱式結構等阻擋部件對水流形態(tài)造成的影響，同時(shí)也有效地減少管道水中絮狀物的纏繞問(wèn)題。目前市場(chǎng)上存在多種廉價(jià)的大容量鋰電池足以增大超聲波的驅動(dòng)功率來(lái)增強信號，可以克服W型反射方式相比U型反射方式的反射點(diǎn)增多而帶來(lái)的信號損失問(wèn)題。通過(guò)在管道進(jìn)出口位置增加“整流片”來(lái)減少湍流形態(tài)對超聲波測量的影響，經(jīng)過(guò)多組測試，整流片能夠有效地降低管道內水流流態(tài)不均勻造成的測量誤差，有效提高了超聲波檢測流量的精度。

2.2 TDC-GP22外圍電路設計

數字轉換器TDC-GP22是在TDC-GP21基礎上的進(jìn)一步改良，并且完全兼容其所有功能、管腳和寄存器，其外設電路設計如圖3所示。溫度測量采用精度為0.004℃的Pt1000鉑電阻溫度傳感器，TDC-GP22將鉑電阻傳感器電阻的變化轉換為高精度的時(shí)間測量間隔來(lái)實(shí)現水溫檢測。簡(jiǎn)化的流量檢測環(huán)節中，為了校正比較器的電壓零點(diǎn)漂移，可以通過(guò)調節內部的斬波穩定比較器的觸發(fā)電壓來(lái)實(shí)現。其第一波脈沖寬度測量功能，又能幫助判讀和濾除管道水內的氣泡和雜質(zhì)覆蓋物對時(shí)間測量的影響。

圖3 TDC-GP22外圍電路設計圖

4M晶振提供高速時(shí)鐘來(lái)保證TDC-GP22數字轉換的高精確度。根據電容放電的時(shí)間公式：

    （2）

通過(guò)合理設置參考電阻值（1kΩ）和放電電容值（100μF）來(lái)求出不同水溫下鉑電阻溫度傳感器Pt1000對應的阻值，進(jìn)而通過(guò)電容充放電時(shí)間的比值轉化成相對的溫度值。圖4所示基于極低功耗穩壓芯片BL8503的電源電路可以使TDC-GP22具有精確的測量條件。

圖4 電源電路圖

2.3 M-Bus通訊接口設計

目前我國建設部正在推廣三表合一，而且在我國冷熱計量迅速發(fā)展背景下，M-Bus具有遠程供電及自由拓撲等優(yōu)點(diǎn)。M-Bus作為一種接口標準，應用于遠程表讀取，對于熱表自動(dòng)抄表技術(shù)、樓宇自動(dòng)化事業(yè)及相關(guān)應用有著(zhù)重大意義。本設計采用的M-Bus電路如圖5所示。

圖5 M-Bus通訊電路圖

M-Bus采用主-從式結構半雙工通訊方式。主機向終端發(fā)送數據請求和終端向主機提供數據的過(guò)程中，主機一直向終端提供M-Bus電壓，通過(guò)電壓調制來(lái)實(shí)現數據信息的發(fā)送。因此，M-Bus總線(xiàn)既可以傳輸數據又能當做電源使用，使得終端不需要提供電源，有效降低了熱量表的功耗，延長(cháng)電池的使用壽命，減小了終端儀表電池維護的困難。

3 系統軟件結構設計

系統軟件設計部分主要是針對TDC-GP22的數字化轉換處理和與MSP430間的通信控制。TDC-GP22具有多脈沖計算功能且對溫度的檢測是完全自動(dòng)完成的，會(huì )在實(shí)際測量之后置位中斷標志位并且將測量結果保存在寄存器中。單片機只需要直接讀取其自動(dòng)完成計算的測量數據，從而實(shí)現了整個(gè)測量流程的簡(jiǎn)化，節省了時(shí)間和功耗。同時(shí)設定按鍵功能實(shí)現不同的工作模式選擇，以便檢測和觀(guān)察實(shí)時(shí)和累積的溫度、流量、熱量等。LCD模塊能夠顯示按鍵功能進(jìn)入的工作模式的數據，同時(shí)也具有顯示故障提示的功能，如欠壓、空管、結垢或雜質(zhì)覆蓋等。系統軟件設計的流程如圖6所示。

圖6 系統軟件設計流程圖

4 測試與結果分析

測試部分選取小口徑DN20管道的溫度測試和流量測試結果。測試中超聲波換能器已經(jīng)過(guò)換能器檢測裝置篩選。

超聲波熱量表溫度測試環(huán)境條件為精密數字測溫儀SPI1602A和恒溫槽HWC-R-L。溫度測試結果（50℃/70℃）如表1所示。

表1 溫度測試值結果（50℃/70℃）

根據2級表流量傳感器出廠(chǎng)測試準確度公式：

    （3）

式中：q_p=2.5m³/h，為公稱(chēng)直徑DN20對應常用流量值。超聲波熱量表流量測試環(huán)境條件為熱量表檢定裝置RJZ15-25Z。根據不同流量點(diǎn)的時(shí)差數據制定出流量特性表，標定好的流量特性表可以用來(lái)查詢(xún)測得的時(shí)差數據對應的流量。流量測試結果（55℃）如表2所示。

表2 流量測試結果（55℃）

經(jīng)過(guò)測試，溫度測量中接Pt1000溫度傳感器的配對溫度誤差小于±0.03℃，流量測試中，隨著(zhù)流量點(diǎn)選擇的增大，測量的相對誤差逐漸降低，精確度逐漸升高，即大流量點(diǎn)下流量的檢測相比小流量下的流量檢測更為精確。測試結果證明，設計的熱量表完全滿(mǎn)足國家熱量表行業(yè)標準CJ128-2007規定環(huán)境下2級表的精度要求。

5 結語(yǔ)

設計提出的基于高精度時(shí)間數字轉換芯片TDC-GP22和超低功耗單片機MSP430的超聲波熱量表，TDC-GP22的多脈沖測量和自動(dòng)處理功能以及簡(jiǎn)化的電路設計使得硬件和軟件結構簡(jiǎn)單且易Y于實(shí)現。該熱量表相對傳統的機械式熱量表具有功耗低、穩定性可靠、測量精度高等特點(diǎn)。在施行的按熱量計費體制中將會(huì )發(fā)揮重要的作用，有望廣泛地應用于熱量表等相關(guān)測量領(lǐng)域。