基于超聲波檢測(cè)的新型熱能表設(shè)計(jì)

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(tuán)大連分公司，大連，116023）

0 引言

近年來(lái)我國(guó)大力倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)能型社會(huì)，我國(guó)北方供暖的收費(fèi)體制正在由按面積收費(fèi)轉(zhuǎn)向按使用熱能收費(fèi)。供熱按實(shí)際用熱量實(shí)現(xiàn)分戶計(jì)量，這就要求對(duì)用戶使用的熱能進(jìn)行更加準(zhǔn)確的計(jì)量，因此研發(fā)一種既能準(zhǔn)確的對(duì)熱能進(jìn)行計(jì)量，又具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)的熱能表將有著重要的意義。

本文設(shè)計(jì)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(jī)，采用超聲波檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的熱量計(jì)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(jì)

本文所研究和設(shè)計(jì)的基于超聲波檢測(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)三個(gè)功能：為系統(tǒng)進(jìn)行流量測(cè)量時(shí)提供所需要的超聲波信號(hào)；對(duì)接收端超聲波換能器接收到的超聲波進(jìn)行放大、整形；為時(shí)差測(cè)量單元提供精準(zhǔn)的啟動(dòng)和停止使能信號(hào)，其結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)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(shí)差測(cè)量單元、溫差測(cè)量單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；控制切換、顯示電路；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗，其結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)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(cè)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(cè)量部分

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

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括MSP430F413單片機(jī)控制電路、超聲波發(fā)射接收電路、時(shí)差測(cè)量電路、溫差測(cè)量電路、顯示電路、切換電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、供電和電源管理電路以及JTAG調(diào)試檢測(cè)接口等幾個(gè)部分構(gòu)成。

2.1 時(shí)差測(cè)量電路

時(shí)差測(cè)量電路由MSP430F413和TDC-GP2組成，如圖4所示。

2.2 溫差測(cè)量電路

選擇合理的溫度傳感器以后，就要對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)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(zhǎng)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(cè)量電路如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

熱能表整個(gè)系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，將程序設(shè)計(jì)為可獨(dú)立進(jìn)行編程調(diào)試的程序模塊，這樣有利于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，且便于調(diào)試和連接，使程序有較強(qiáng)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(chǔ)器和端口資源配置、數(shù)值計(jì)算和存儲(chǔ)功能，其余時(shí)間轉(zhuǎn)入低功耗模式，待測(cè)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(shí)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(cè)的新型熱能表的設(shè)計(jì)方案現(xiàn)展開(kāi)討論。對(duì)超聲波檢測(cè)、高精度時(shí)差和溫差測(cè)量、低功耗等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的分析，處理器選用了能力更強(qiáng)的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F413，針對(duì)超聲波發(fā)射接收電路和高精度測(cè)量的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了熱量計(jì)量的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)試?？朔藗鹘y(tǒng)熱能表測(cè)量精度不高、穩(wěn)定性不好和壽命短等缺點(diǎn)，提高了新型熱量計(jì)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖4 時(shí)差測(cè)量電路Fig.4 The circuit of time-interval measurement

圖5 溫度測(cè)量電路Fig.5 The circuit of temperature measurement

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