超聲波熱量表的設計研究

趙飛，仇國富

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

0 引言

熱能表按所用流量傳感器的不同主要分為機械式熱能表、電磁式熱能表和超聲波熱能表。機械式熱能表結構簡單、價格較低，但抗雜質和纖維能力差，對水質要求較高，長期使用會因機械部件的磨損造成測量精度的降低;電磁式熱能表不論結構還是測量原理都較復雜，而且價格較高，所以很少用于戶用計量;超聲波式熱能表對水質要求略低，而且對介質成分沒有要求，測量精度高，測量傳感器沒有運動的機械部件，幾乎沒有磨損，但其價格相對較高。近幾年來，機械式熱能表在市場上所占的份額逐年減小，超聲波熱能表則逐漸上升，已經成為當今熱能表的發展趨勢［1］。

本文設計了一種采用MSP430單片機和TDC-GP2為主體的超聲波熱量表，并從測量原理、硬件和軟件方面進行了闡述。

1 超聲波熱量表測量原理

超聲波熱量表是在超聲波流量計的基礎上加上溫度測量，由流體的流量和供、回水溫差來計算出向用戶提供的熱量。其中流量測量部分是應用一對超聲波換能器相向交替（或同時）收發超聲波，通過觀測超聲波在介質中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計算流量的一種間接測量方法。

以往的超聲波熱能表的測量管道多采用斜射式，即超聲波的飛行路徑與水流的方向成一定的角度。這在一定程度上給測量帶來很大的影響，一方面管道管壁會對超聲波信號起到一定的衰減作用，另一方面超聲波傳感器入射角的選擇不當同樣會造成接收信號強度降低，而且傳感器的安裝配置也很麻煩，直接影響了測量精度。本文設計的直通式管道完全避免了以上這些問題。超聲波信號在傳感器之間直線傳播，傳感器可通過螺紋連接固定在管道中，這不但簡化了傳感器在管道上的安裝及配置方式，而且簡化了流量的計算，更利于提高測量精度。具體測量原理示意圖如圖1所示。

圖1 直通式時差法測量原理示意圖

超聲波順流傳播時間為:

其中:L為超聲波傳播距離，C為超聲波在水中的傳播速度，V為水流速度。

同理，超聲波逆流傳播時間為:

兩式相減得超聲波在順逆流中傳播時差為:

超聲波在水中的速度約為1 500 m/s，遠遠大于水流的速度，因此上式可簡化為:

最終可得水流速度:

瞬時流量:

其中:D為管道直徑，K為流速修正系數。圖2為本系統直通式管道示意圖:

圖2 直通式管道示意圖

這樣，通過超聲波傳播的時間差先求出瞬時流量，進而就可以獲得消耗的熱量了。

2 硬件設計

根據系統設計整體要求，按模塊化的電路設計思想，本熱量表的硬件系統以單片機和外圍功能電路組成，硬件電路邏輯框圖如圖3所示。

圖3 硬件電路邏輯框圖

2.1 MSP430 單片機

為了降低功耗，延長系統工作時間，擬選用超低功耗的16位MSP430單片機。

MSP430系列單片機是一個16位的精簡指令構架，能夠實現在1.8～3.6 V的低電壓下工作;具有超低的功耗，在 2.2 V，4 kHz的條件下工作時，電流消耗僅有 2.5 μA;具有一種活動模式和五種低功耗模式，在休眠模式下，電流僅有0.7 μA，具有極快的響應速度，CPU 可以在 6 μs的時間內被喚醒，進入活動模式執行中斷服務程序，一旦程序執行完畢后，系統又會返回到中斷前的狀態，繼續執行低功耗。

MSP430內部集成了諸如看門狗（WDT）、定時器、模擬比較器、串口、硬件乘法器、液晶驅動器、ADC等外圍模塊，具有非常強大的功能［2］，特別適合用在各種小型、省電、可移動的設備之中。MSP430的片內外設為系統的單片解決方案提供了極大的方便。

2.2 利用TDC-GP2實現流量和溫度采集

為減小超聲波熱量能的流量計量誤差，降低熱量表的成本，選用性能優越，價格較低的TDC-GP2。

TDC-GP2很適合低成本的超聲波熱量計設計。由于其良好的功能性（包括精確的溫度測量，觸發脈沖產生器，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，可以構成一個完整的超聲波熱量計，極低的損耗電流保證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，微處理器只需發送一個開始命令，TDC-GP2就會自動觸發傳感器并測量飛行時間，計算出結果并傳送給微處理器。

溫度傳感器采用Pt1000鉑電阻，測量精度為0.01℃。在一定的溫度范圍內，鉑電阻的電阻與溫度成線性關系。由于其精度較高，只要準確地測量出其電阻，便能根據電阻-溫度的線性關系得出對應的溫度［3］。

2.3 LCD液晶顯示模塊

液晶顯示器LCD可顯示用熱量、供熱介質流量、供水溫度、回水溫度、熱費、累計工作時間等相關信息。通過熱量表面板上的按鍵可設置開始計時時間及選擇相關信息等。

2.4 M-BUS總線

儀表總線M-BUS（歐洲標準EN1434-3）是專為計量儀表數據傳輸而設計的，目前主要用于熱計量領域，也可用于其他計量領域，主要特點如下:

1）兩線制總線，通常采用雙絞線，沒有正、負極性之分，施工布線簡單;

2）采用獨特的電平特征傳輸數字信號，抗干擾能力強;

3）總線供電，降低維護成本;

4）總線型拓撲結構，擴展方便，組網成本低;

5）主從式異步半雙工傳輸，采用主叫/應答的通信方式，有專門設計的報文格式。

4 軟件設計

超聲波熱能表的軟件設計是根據軟件要實現的功能和低功耗兩個主要目的而設計的。主程序非常簡單，當MSP430芯片上電復位后，立即進入初始化，開始主時鐘頻率的選擇以及外部I/O端口的配置等，完成初始化配置后，主程序打開中斷使能，MSP430單片機進入低功耗模式，等待中斷觸發。一旦有中斷觸發信號，MSP430單片機會被立即喚醒，進入執行相應的中斷子程序。中斷子程序執行結束后，單片機再次進入低功耗模式，處于休眠狀態，等待下次中斷觸發信號。因此，大部分時間，單片機都處于低功耗模式，這可以使整個系統的功耗降到非常低［4］。

限于篇幅，本文只給出用TDC-GP2測量芯片的流量測量的軟件流程。如圖4所示。

圖4 流量測量子程序流程圖

流量測量是超聲波熱能表測量的關鍵部分，是熱能表測量的核心。主要通過測量超聲波在水中的飛行時間來測流速，進而積算出流量、熱量的。為了消除電路延時以及傳感器誤差等其他影響，需要對水流進行兩次測量，包括超聲波在水中的順流飛行時間和逆流飛行時間，通過計算出兩者的時間差，可以較為精確地計算出水流的速度。

超聲波在順流中的飛行時間測量如圖4所示，每一次流量測量的開始都要對TDC-GP2進行初始化，重新配置TDC-GP2，當然也需要對時鐘進行再次校準。時鐘校準是以8個32.768 kHz的時鐘周期為基準，對4 MHz的高速時鐘進行校準。對于觸發脈沖發生器，4 MHz的高速時鐘頻率可以在內部進行倍增，并且除于8得到1 MHz的脈沖，而且發送脈沖的個數可以由軟件發送，可以最多發送15個脈沖。激活觸發脈沖器后，同測量溫度一樣，首先要對TDC-GP2的中斷引腳信號進行檢測，若為高電平，則先讀出測量數據。然后讀取TDC-GP2的狀態寄存器，若GP2ST＆0x0600＞0，即 TDC-GP2測時溢出或預計數器溢出，需要重新測量。若判斷TDC-GP2狀態寄存器正常，則由MSP430單片機切換模擬開關通道，保證上游超聲波傳感器發射超聲波，下游傳感器接收超聲波信號。切換開關完成后，表明測量前預備工作基本結束，此時可啟動發送激勵脈沖信號，本文采用發送15個1 MHz脈沖。

當發射激勵脈沖的同時，啟動TDC測時單元，開始計時。上游傳感器接收到激勵脈沖后，發射超聲波信號，下游傳感器接收到超聲波信號后產生微弱的電壓信號，經過濾波、放大到TDC-GP2的Stop端口，結束計時。此時，超聲波順流飛行時間測量結束，同理可以測出超聲波逆流飛行時間。

時差測量程序如下:

5 結語

開發的超聲波流量計經過實際系統測試，取得了較好的測量結果，系統的測量精度和穩定性都達到了預期的設計要求，并且系統設計在提高測量精度的同時大大降低了功耗。從而表明，該系統設計合理，切實可行。

［1］羅琴，李鳴，徐愛華.基于MSP430的熱量表的溫度測量［J］.計量與測試技術，2008.

［2］朱登科.高精度低功耗芯片TDC-GP2在熱表中的應用［Z］.http://www.acam.de/fileadmin/Download/pdf/others/.

［3］李國洪，宋興風，劉麗娜.超聲波熱量表的設計與實現［J］.制造業自動化，2009（8）.

［4］周杏鵬，仇國富.現代檢測技術［M］.北京:高等教育出版社，2004.