基于超声波检测的新型热能表设计

2015-05-15石桂名柏久宇孟繁盛

电子测试 2015年8期

石桂名,柏久宇,孟繁盛

（1.大连科技学院电气工程系，大连，116052；2.东软集团大连分公司，大连，116023）

0 引言

近年来我国大力倡导建设节能型社会，我国北方供暖的收费体制正在由按面积收费转向按使用热能收费。供热按实际用热量实现分户计量，这就要求对用户使用的热能进行更加准确的计量，因此研发一种既能准确的对热能进行计量，又具有价格优势的热能表将有着重要的意义。

本文设计一种高性能、高精度、低功耗的新型超声波热能表，该热能表系统选用MSP430系列16位超低功耗单片机，采用超声波检测技术来实现系统的热量计量。

图1 超声波发射和接收电路结构框图Fig.1 Block diagram of transmit and receive circuit of ultrasonic

1 总体设计

本文所研究和设计的基于超声波检测技术的热能表的技术方案，主要包括超声波发射和接收电路部分、16位超低功耗处理器MSP430的控制部分和高精度测量部分。

1.1 超声波发射和接收电路

超声波发射和接收电路主要实现三个功能：为系统进行流量测量时提供所需要的超声波信号；对接收端超声波换能器接收到的超声波进行放大、整形；为时差测量单元提供精准的启动和停止使能信号，其结构框图见图1。

1.2 MSP430处理器控制部分

方案控制部分采用TI公司的16位超低功耗处理器MSP430F413，主要完成三方面功能：与时差测量单元、温差测量单元进行数据交互；控制切换、显示电路；实现系统低功耗，其结构框图见图2。

图2 MSP430处理器控制电路结构框图Fig.2 Block diagram of control circuit of MSP430 processor

图3 高精度测量电路结构框图Fig.3 Block diagram of measuring circuit of high-precision

1.3 高精度测量部分

方案采用德国ACAM公司的TDC-GP2芯片实现高精度测量，这部分主要实现两方面的功能：分别测量超声波在一般流速的液体中顺流传播和逆流传播的时间；测量热水在进水管和回水管的温度，其结构框图见图3。

2 硬件设计

系统主要包括MSP430F413单片机控制电路、超声波发射接收电路、时差测量电路、温差测量电路、显示电路、切换电路、实时时钟电路、供电和电源管理电路以及JTAG调试检测接口等几个部分构成。

2.1 时差测量电路

时差测量电路由MSP430F413和TDC-GP2组成，如图4所示。

2.2 温差测量电路

选择合理的温度传感器以后，就要对温度信号进行采集和处理。方案中选用铂电阻PT1000，铂电阻阻值远大于导线电阻且连接导线长度小于1m，因而可以忽略导线电阻的影响，采用两线的连接方式。温度测量电路如图5所示。

3 软件设计

热能表整个系统的软件采用模块化设计，将程序设计为可独立进行编程调试的程序模块，这样有利于系统功能的扩展，且便于调试和连接，使程序有较强的可移植性和适应性。

主程序主要完成处理器MSP430F413的一些内部模块和寄存器的设置、存储器和端口资源配置、数值计算和存储功能，其余时间转入低功耗模式，待测量和按键中断将其从休眠模式下唤醒。这样处理器大部分时间都工作在低功耗模式下。

4 结论

本文围绕基于超声波检测的新型热能表的设计方案现展开讨论。对超声波检测、高精度时差和温差测量、低功耗等关键技术进行了深入的分析，处理器选用了能力更强的16位超低功耗单片机MSP430F413，针对超声波发射接收电路和高精度测量的方案进行设计，并实现了热量计量的实验室环境测试。克服了传统热能表测量精度不高、稳定性不好和寿命短等缺点，提高了新型热量计量的准确性和可靠性。