基于超聲波檢測的新型熱能表設(shè)計

石桂名,柏久宇,孟繁盛

（1.大連科技學(xué)院電氣工程系，大連，116052；2.東軟集團大連分公司，大連，116023）

0 引言

近年來我國大力倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)能型社會，我國北方供暖的收費體制正在由按面積收費轉(zhuǎn)向按使用熱能收費。供熱按實際用熱量實現(xiàn)分戶計量，這就要求對用戶使用的熱能進行更加準(zhǔn)確的計量，因此研發(fā)一種既能準(zhǔn)確的對熱能進行計量，又具有價格優(yōu)勢的熱能表將有著重要的意義。

本文設(shè)計一種高性能、高精度、低功耗的新型超聲波熱能表，該熱能表系統(tǒng)選用MSP430系列16位超低功耗單片機，采用超聲波檢測技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)的熱量計量。

圖1 超聲波發(fā)射和接收電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of transmit and receive circuit of ultrasonic

1 總體設(shè)計

本文所研究和設(shè)計的基于超聲波檢測技術(shù)的熱能表的技術(shù)方案，主要包括超聲波發(fā)射和接收電路部分、16位超低功耗處理器MSP430的控制部分和高精度測量部分。

1.1 超聲波發(fā)射和接收電路

超聲波發(fā)射和接收電路主要實現(xiàn)三個功能：為系統(tǒng)進行流量測量時提供所需要的超聲波信號；對接收端超聲波換能器接收到的超聲波進行放大、整形；為時差測量單元提供精準(zhǔn)的啟動和停止使能信號，其結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

1.2 MSP430處理器控制部分

方案控制部分采用TI公司的16位超低功耗處理器MSP430F413，主要完成三方面功能：與時差測量單元、溫差測量單元進行數(shù)據(jù)交互；控制切換、顯示電路；實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗，其結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 MSP430處理器控制電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of control circuit of MSP430 processor

圖3 高精度測量電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of measuring circuit of high-precision

1.3 高精度測量部分

方案采用德國ACAM公司的TDC-GP2芯片實現(xiàn)高精度測量，這部分主要實現(xiàn)兩方面的功能：分別測量超聲波在一般流速的液體中順流傳播和逆流傳播的時間；測量熱水在進水管和回水管的溫度，其結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要包括MSP430F413單片機控制電路、超聲波發(fā)射接收電路、時差測量電路、溫差測量電路、顯示電路、切換電路、實時時鐘電路、供電和電源管理電路以及JTAG調(diào)試檢測接口等幾個部分構(gòu)成。

2.1 時差測量電路

時差測量電路由MSP430F413和TDC-GP2組成，如圖4所示。

2.2 溫差測量電路

選擇合理的溫度傳感器以后，就要對溫度信號進行采集和處理。方案中選用鉑電阻PT1000，鉑電阻阻值遠(yuǎn)大于導(dǎo)線電阻且連接導(dǎo)線長度小于1m，因而可以忽略導(dǎo)線電阻的影響，采用兩線的連接方式。溫度測量電路如圖5所示。

3 軟件設(shè)計

熱能表整個系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計，將程序設(shè)計為可獨立進行編程調(diào)試的程序模塊，這樣有利于系統(tǒng)功能的擴展，且便于調(diào)試和連接，使程序有較強的可移植性和適應(yīng)性。

主程序主要完成處理器MSP430F413的一些內(nèi)部模塊和寄存器的設(shè)置、存儲器和端口資源配置、數(shù)值計算和存儲功能，其余時間轉(zhuǎn)入低功耗模式，待測量和按鍵中斷將其從休眠模式下喚醒。這樣處理器大部分時間都工作在低功耗模式下。

4 結(jié)論

本文圍繞基于超聲波檢測的新型熱能表的設(shè)計方案現(xiàn)展開討論。對超聲波檢測、高精度時差和溫差測量、低功耗等關(guān)鍵技術(shù)進行了深入的分析，處理器選用了能力更強的16位超低功耗單片機MSP430F413，針對超聲波發(fā)射接收電路和高精度測量的方案進行設(shè)計，并實現(xiàn)了熱量計量的實驗室環(huán)境測試。克服了傳統(tǒng)熱能表測量精度不高、穩(wěn)定性不好和壽命短等缺點，提高了新型熱量計量的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖4 時差測量電路Fig.4 The circuit of time-interval measurement

圖5 溫度測量電路Fig.5 The circuit of temperature measurement

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