基于GP22設計低功耗控溫熱能儀表

高小明 彭 勇 楊 程

(西南科技大學計算機科學與技術學院，四川 綿陽 621010)

熱能表主要用于測量供暖系統在室內釋放的熱量值。隨著供熱計費體制的改革，機械式熱能表、超聲波熱能表及電磁式熱能表等不斷涌現，其中超聲波熱能表以其測量準確及性能穩定等諸多優點而成為主流產品。

筆者利用超聲波在流動的流體中傳播時，順水流傳播速度與逆水流傳播速度之差計算流體流速，從而計算出流體流量[1，2]；同時結合進水與回水的溫度之差計算熱能消耗量[1,3]，以STM8L超低功耗微控制器和時間計數器GP22作為主控芯片，設計低功耗超聲波熱能計量表。

1 測量原理①

目前的供暖系統幾乎全部采用熱水流動方式進行熱量交換，熱量計算取決于流過室內管道的熱水流量F和流入室內與流出室外的溫度差ΔT，因此熱能表的硬件主要由流量傳感器配以溫度傳感器實現。流量計算通過檢測超聲波在水中的速度變化率來實現，如圖1所示，A、B兩個超聲換能器分別安裝在水管上側，超聲換能器中心距離為L，管徑為D。

圖1 超聲波流量測量的結構與原理

當超聲換能器A發射超聲波時，超聲波經過兩個反射面后，超聲換能器B接收到超聲信號；反之亦然。從超聲換能器A到B，超聲波傳輸(逆流)的時間：

(1)

從超聲換能器B到A，超聲波傳輸(順流)的時間：

(2)

超聲波從超聲換能器A到B或從B到A傳輸的總距離為2S+L，因而只要測出tAB或tBA抵消掉V超聲，計算出水流速度V水流。最后根據管徑計算得到流量F，即：

(3)

溫度差ΔT可以通過安裝在進水管和回水管的兩個熱電阻來檢測，其數學關系式為：

Q=C·M·ΔT=C·F·ρ·ΔT

(4)

式中C——水的比熱容；

M——水的質量；

ρ——水的密度。

2 系統實現方案

超聲波熱能表的硬件由超聲換能器、溫度傳感器、信號檢測電路、微控制器系統和顯示器件組成，并備有數據通信接口(如紅外通信接口及無線網絡接口等)，以方便檢測數據的上傳，實現遠程抄表功能。超聲波熱能表的硬件結構如圖2所示。

圖2 超聲波熱能表硬件結構框圖

微控制器采用超低功耗的STM8L152C8，采用超低漏電工藝和優化的體系結構，具備4種超低功耗工作模式，可以滿足6μA以內需要連續監控的應用，特別適用于各類檢測儀表。

3 電路

3.1 流量/溫度檢測模塊電路

流量/溫度檢測模塊結合超聲換能器和熱電阻對水管內的水流量和溫度進行檢測[4]。系統采用專用集成芯片GP22，該芯片通過SPI接口進行配置，能夠單獨實現超聲信號的發射，接收延遲的計算，集成了超聲波熱能表所需要的信號處理模擬部分，如模擬開關和低噪聲斬波穩定(自動校正溫度電壓)模擬信號比較器，其內部集成了溫度測量所需的施密特觸發器，使其雙通道測量精度達到45ps，溫度檢測分辨率達0.001 5℃，實現了更高的集成度、更低功耗和更高精度的超聲波熱能表方案。流量/溫度檢測模塊的電路如圖3所示。

圖3 流量/溫度信號檢測電路

GP22的fire_up和fire_down引腳通過兩個電阻驅動超聲換能器。接收端通過兩個電容將超聲回聲信號耦合到GP22的模擬輸入端口，此處采用COG電容來保證較高的溫度穩定性，繼而保證回聲信號的穩定性[5～6]。芯片內還集成了時鐘標定功能，克服了外部陶瓷晶振在不同環境下的溫漂，并且僅在測量時才啟動外部時鐘工作，降低了系統功耗[7～9]。

3.2 微控制器系統電路

微控制器采用低功耗的STM8L052R8，該芯片集成了LCD顯示接口，設有54個通用I/O端口，自帶SPI接口可以直接與流量/溫度測量模塊連接，同時該芯片還有多達28個12bit的DAC輸入端口，可以實現電池電量的檢測等功能[7]。低功耗STM8L052R8微控制器部分的電路如圖4所示。

圖4 微控制器系統電路

由于該微控制器芯片內部自帶有16MHz的RC振蕩器，因此省略了外部系統時鐘，進一步降低了系統的功耗，同時配備了一個32.768kHz外部石英晶體，提供給系統內部實時時鐘使用。該系統的其他I/O端口設計用于按鍵輸入、電機控制、LED指示燈及電源控制等。

3.3 電機閥驅動電路

電機閥用于控制熱水流量，并根據進水與回水的溫差判斷室內熱量需求，適當地調節熱能的供給量，從而節約能源。系統采用了一個H橋來驅動電機的正/反轉，通過單片機的端口和閥門限位檢測實現電機閥的開/閉功能，其電路如圖5所示。

圖5 電機閥驅動電路

3.4 系統外圍電路

系統外圍電路主要包括按鍵、紅外通信接口、LCD顯示器接口、電源檢測及電源控制等，用于實現整個系統的協同工作。系統顯示器是定制的LCD，并對內部顯示字符進行了特殊標定，如圖6所示。系統還配備了紅外通信接口，通過相應的協議，與手持抄表設備進行數據通信，自動完成抄表功能。紅外系統的電路如圖7所示。

圖6 LCD字符標定

圖7 紅外接口電路

圖7所示的紅外接口電路中采用了兩個三極管來驅動紅外發光二極管工作，利用微控制器的一個端口產生38kHz載波信號驅動Q7通斷，利用TXD端口驅動Q8進行載波編碼，實現載有數據信息的紅外發射。紅外接收端利用Q9進行電源控制，僅在需要接收數據的情況下才開啟接收電源，紅外接收管的輸出可直接利用RXD端接收數據，與發射數據格式兼容。

4 系統工作流程

系統上電自檢后大部分時間處于低功耗狀態，在正常工作模式下，通過對GP22的初始化配置，實現超聲信號的發射和接收，并計算出超聲波傳輸的延遲時間，通過SPI接口將測量結果傳輸至微控制器系統。GP22每30s完成一次溫度采樣，并利用微控制器實現溫度的轉換。根據超聲波延遲時間計算出流體流量和熱能消耗，并將累積結果顯示在LCD上。系統完整的工作流程如圖8所示。

5 方案測試

筆者以上述方法設計并制作出一套控溫熱能表，將其與SIEMENS的熱能表2WR6串聯于同一管道，進行累積熱量、累積流量及當前流速等關鍵參數的測試，并以該設備為基準，對樣機的計算系數進行校正。測試目標、方法與儀器見表1。

圖8 熱能表工作流程

測試參數儀器方法 功耗微安表GDM-8261W=UI 流量SIEMENS熱能表2WR6對比測試 熱能SIEMENS熱能表2WR6對比測試水溫玻璃式溫度計對比測試紅外紅外終端Pt900驗證通信

測試結果表明，熱能表能夠對平均累積熱量、累積流量及當前流速等關鍵參數進行正常測量并予以顯示，整機系統功耗較低。測試結果的誤差范圍見表2。

表2 測試結果的誤差

正常工作時，系統整機電流保持在27μA，能夠滿足電池長期供電的需要；水溫顯示結果與玻璃溫度計顯示結果幾乎一致；紅外通信采用標準抄表通信協議，與市面上的抄表終端Pt900能夠正常通信。

此次測試重點進行了關鍵參數與SIEMENS 2WR6熱能表相應參數的對比，在熱水流量較低的情況下(低于0.010m3/h)，由于計算精度等原因，測量結果波動較大；流速較大時，測量結果比較穩定。通常情況下水暖流速均大于0.500m3/h時才能保證室內正常采暖。因此，在正常使用時能夠滿足暖氣供應熱能的計量。

6 結束語

筆者以STM8L052R8微控制器為核心，利用超聲測速原理和專用時間計數芯片GP22設計熱能計量表，系統電路結構簡單、體積小巧。實驗證明：該系統測量結果穩定、性能可靠，能夠滿足熱能計量的需要，具有較大的市場應用前景。但作為產品，在制造過程中還必須滿足2001年國家質量技術監督局發布的《JJG 225-2001熱能表檢定規程》。