嵌入式设计 低功耗超声波热量表的设计 精品.docx

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嵌入式设计低功耗超声波热量表的设计精品

毕业设计（论文）

低功耗超声波热量表的设计

院别

控制工程学院

专业名称

测控技术与仪器

班级学号

学生姓名

指导教师

超声波低功耗热量表

摘要

超声波热量表可实现非接触精确计量，非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关并且测量结果不受水质影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题，在诸如水量、热量等计量中有着广泛的应用。

本文设计一种用于城镇小区户用超声波热量表，主控芯片采用MSP430系列微功耗单片机，流量侦测采用超声波专用流量收发侦测芯片TDC-GP2芯片，外接超声波发射与接收探头，实现顺流与逆流超声波的收发；依据时差法通过测量时差，得出热载体流速；再扩展相应的接口电路，经由单片机，通过编程对流速度处理实现流量的采集与处理。

进水与回水管道加装铂电阻温度传感器，通过测量进水与回水温度差及流量，根据K系数法或焓值差法计算出热量。

最后，利用M-Bus总线实现热量等数据的收发，然后通过lcd将热量显示在屏幕上。

关键字：

超声波，低功耗，MSP430,TDC-GP2.

Ultrasoniclowpowerconsumptionheatmeter

Abstract

Non-contactultrasonicheatmetercanachieveaccuratemeasurement,non-contactflowmeasurement,instrumentationcostessentiallynothingtodowiththemeasuredpipediametersizeandmeasurementresultsfromwaterqualityimpacts,canbemade​​ofnon-contactmeasuringinstrumentsandportable,itcansolveothertypesmetersaredifficulttomeasurecorrosive,non-conductive,radioactiveandexplosivemediaflowmeasurementproblems,suchaswater,heat,etc.hasbeenwidelyusedinthemeasurement.

Thisdesignmethodforurbanresidentialhouseholdultrasonicheatmeter,masterchippowermicrocontrollerMSP430series,dedicatedtrafficflowdetectionusingultrasonictransceiverchipTDC-GP2chipdetection,externalultrasonictransmitterandreceiverprobe,alongcountercurrentflowwithultrasonictransceiver;basisbymeasuringthetimedifferencedifferencemethod,drawheatcarrierflow;furtherextendthecorrespondinginterfacecircuitviamicrocontroller,programmableconvectionspeedprocessingtoachievetrafficacquisitionandprocessing.Inletandreturnpipeinstallationplatinumresistancetemperaturesensorbymeasuringthewaterandreturnwatertemperaturedifferenceandtheflow,accordingtotheK-factormethodortheenthalpydifferencemethodtocalculatetheheat.Finally,theuseofM-Busdatabustransceivertoachieveheat,etc.,andthentheheatthroughthelcddisplayonthescreen.

Keyword：

ultrasonicwave，lowpower,MSP430,TDC-GP2.

1绪论

1.1课题研究的意义背景，国内外研究现状及研究方法

1.1.1研究的背景与意义

热量表是测量、计算、并显示热交换系统所释放或吸收的热量量值的仪表。

在我国，是实施城市供热体制改革，推行按热量计量收费的关键设备。

当前，随着工农业的发展，对流体流量和总量的计量及测试提出了越来越多、越来越高。

而我国城市供热行业形势严峻，能源浪费严重、采暖费收缴困难已成为影响其生存和发展的两大难题。

因此，对供热收费体制和采暖系统进行彻底改革，实现按表分户计量收费已是势在必行。

根据我国建设部1995年发布的《建筑节能“九五”计划和2010年规划》，我国住宅集中供热系统到2010年将全面实行分户计量和收费制度，相关技术工作被列为今后研究开发的主要内容。

根据发达国家经验，采取分户计量收费措施可节能20％～34％。

但是，目前国内供热单位没有对各个用户使用的热量进行有效和精确的测量和计费，这在一定程度上造成资源的极大浪费。

在水、电、煤气计费系统日益普及的今天，按户对热量消耗计量收费可使热费的收取更趋合理，但必须要使用专门的热量表对热量进行准确的计量。

因此，其相关技术的准备工作至关重要。

在注重节省能源，提高经济效益和产品质量的今天，流量计量与测试的重要性就更加突出并为越来越多的人所认识。

特别是随着现代工业生产的飞速发展，人们对流量测量的要求越来越高，对流量测量技术和仪表的研究和开发也不断深入，流量测量方法和仪表的种类也越来越多。

所以就目前情况来看，国内研究以及市场销售的热量表大都采用数字机械式结构，即热量表的积算仪为数字仪表，而流量测量部分为叶轮流量计或干簧管。

叶轮带有磁钢，因此对水质的要求高，微量的铁屑和细沙都会急剧降低测量精度直至在短期内损坏，叶轮轴承的磨损也对测量有较大的影响12J。

流量仪表一般可分为如下十大类：

压差式流量计、浮子式流量计、容积式流量计、

叶（涡）轮式流量计、电磁式流量计、流体振荡式（包括涡街式）流量计、超声流量计、热

式流量计、科里奥利质量流量计和明渠（或非满管）用流量计I”。

超声波流量计是20世纪70年代随着Ic技术迅速发展才开始得到实际应用的一种非接触式仪表．与传统的流量计相比：

（1）解决了大管径、大流量及各类明渠、暗渠测量困难的问题。

因为一般流量计随

着管径的增大会带来制造和运输上的困难，有不少流量计只适用于圆型管道，而且造价提高，能耗加大，安装不便。

这些问题，超声波流量计均可避免，提高了流量仪表的性能价格比；

（2）超声波流量计对介质几乎无要求。

它不仅可以测液体、气体，甚至对双相介质

（主要是应用多普勒法）的流体也可以测量；由于利用超声波测量原理可制成非接触式的

测量仪表，所以不破坏流体的流场，没有压力损失，并可以解决其它类型流量计所难以

测量的强腐蚀性、非导电性、放射性的流量测量问题；

（3）超声波流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、密度、粘度等参数的影响；

（4）超声波流量计的测量范围度较宽，一般可达20：

I|21。

近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。

基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为测流工作的高精度微功耗时差法超声波流量计的设计。

相比之下，本文所研究的超声热量表将超声流量传感器和温度传感器相结合构成户用型热量表，克服了上述困难，且对水质要求较低，不易损坏，使用寿命长。

因此在供热计量领域有更加广阔的应用前景。

尤其是在近些年来，流量测量技术和仪表已经得到了长足的发展。

首选工具目前应用较多的超声波流量计检测方法主要有时差法、多普勒效应法、相关法、噪声法、波束偏移法等，其中时差法应用最为普遍。

超声波流量计的时差测量法是基于超声波在具有流速的媒质里传播时，其传播时间（速率）会随着媒质流速的变化而变化的原理来实现媒质流速测量的。

时差法的关键主要是对于时间测量的高精度，近几年来，随着集成电路的高速发展，

高速时间计数处理芯片不断出现，使得几十皮秒的测量精度变得可能，这也对时差法超声波流量计的发展产生了极大的推动。

1.1.2国内外发展现状

超声波流量计是通过检测流体流动对超声波（或超声脉冲）的作用以测量流量的仪表。

研究利用超声波测量液体和气体流量已经有数十年的历史。

热量表最早起源于欧洲，德国从1964年开始热量表的首次研制工作。

最初的热量表为机械式，流量测量采用孔板、文丘里管等，70年代后才出现了电子热量表，而电子式热表也经历了从模拟积分式、电子数字积分式，直到微处理器为基础的智能式的发展过程。

1988年，国际法制计量组织公布了世界上第一个国际性的标准文件：

“OIML—R75号国际建议（Internationalrecommendation）热量表（Heatmeters）”o直到九十年代，户用热量表基本定型，设计趋于一致。

1997年4月，欧洲共同体正式通过的统一热量表标准代号为ENl434。

国外，虽然早在七十年代就实行了分户用热计量收费，但由于实施中困难较多，至今包括西欧、北欧的一些国家在内，安装户内热量表的比例仍不高。

除德国己达N75％一80％夕b，法国安装户内热量表的用户不N30％，波兰15％一20％，捷克只有2％一7％，其余大部分都是在单元进口安装热量表，计算该单元总用热量，然后按户分摊。

分摊的方法或是安装热分配表或是按面积分摊。

目前国外用户热量表的形式有带开关控制的热量表：

有单片机组成显示功能较多的热量表和由专用电路为主组成的能显示温度和流量的热量表。

从结构形式看，有将热水表与热量表合在一起的一体式结构和热水表与热量表分离的分体式结构。

国外厂家生产的热量表大多是一体式，用电池驱动，结构紧凑，功能较多。

热量表中包含一对温度传感器，对于温度传感器，国内一些厂家为了单纯的降低成本，采用半导体热敏电阻测温，但由于它对温度量程和时间的稳定性很差，根本无法满足长期温度测量的精度要求。

因此国内厂家也逐步改进，将国际上普遍采用的铂薄膜热电阻Ptl00、Pt500、Ptl000（数字表示0"C时的电阻值）作为温度传感器。

热量表所带流量计因其流量测量的原理不同而有多种形式。

目前，欧洲使用最多的流量计是机械式，机械式流量计在欧洲已有几十年的制造和使用历史。

最近几年，国外又开发和应用了超声波流量计。

从热量表市场来看，机械式热量表呈下降趋势，超声热量表则在逐年上升。

据统计，1996年两者份额分别是90％和0％，1999年为80％和20％，2000年达到70％对30％。

欧洲有生产热量表的厂家15—20家，其中多数生产机械式流量计热量表，而生产超声波流量计热量表的只有3，4家。

其中的Kamstrup公司1996年生产超声波流量计热量表2万块，到1999年就猛增至10万块pJ。

据国外专家介绍，波兰开始热量计量时全部使用带机械式流量计的热量表，出于陆续出现问题，现正逐步更换成带超声波流量计的热量表。

而后来进行热计量改造的罗马尼亚、斯洛文尼亚从一开始就采用超声波流量计热量表。

在丹麦，尽管政府很重视供热水质，但机械式流量计也只能运行5年左右就要更换。

在欧洲，机械式流量计损坏后，有50％仍更换为机械式，其原因是为迁就原来的热量积算仪；另外50％更换成超声波热量表。

我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口，直

到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，50年代有了新成仪表厂（上海仪表厂前身）所开发的文丘里管流量计，60年代开始涡轮、电磁流量计的生产。

至今，我国已形成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研究开发和生产的产业，从事量仪表研究和生产的单位超过230家。

对于超声波流量计，我国起步同样较晚，60．70年代机械工业部上海工业自动化仪表研究所、北京大学相继研制；近年若干科研和生产单位又推出所开发的一些新颖仪表。

上世纪80年代中期，国内仪表厂从国外引进专有技术，生产具有80年代国际水平的仪表。

我国的超声波流量计研究工作虽然起步较晚，但由于广大科技工作者的努力和引进国外先进的技术，国产的超声波流量计已开始批量生产并投入使用。

目前，国内超声波流量计生产厂家主要有上海自动化仪表有限公司、南京康创流量计有限公司、唐山汇中仪表有限公司、唐山大方电子技术有限公司、大连索尼卡电子有限公司、大连长风电子有限公司、北京衡安特测控技术有限公司等。

但是，国内生产的超声波流量计无论从测量精度上还是测量方法上与国外相比都有一定的差距。

如荷兰Instrormet公司、美国Danniel公司、Controlotmn公司等厂家生产的超声波流量计在测量精度上，及便携角度来说都达到了较高的水平。

由于超声波流量计测量液体或气体的独特优点，以及我国现代化建设的突飞猛进，国内对超声波流量计的需求和在超声波流量测量领域研究的投入都会不断增加，相信在不远的将来，国内的超声波流量测量计数和产品都会达到世界一流水平。

目前，超声波流量计主要分为单声道和多声道两种类型。

单声道超声波流量计是在

被测管道或渠道上安装一对换能器构成一个超声波通道，应用比较多的换能器是外夹式

和插入式。

单声道超声波流量计结构简单、使用方便，但这种流量计对流态分布变化适

应性差，测量精度不易控制，一般用于中小口径管道和对测量精度要求不高的渠道。

多

声道超声波是在被测管道或渠道上安装多对超声波换能器构成多个超声波通道，综合各

声道测量结果求出流量。

与单声道超声波流量计相比，多声道流量计对流态分布变化适

应能力强，测量精度高，可用于大口径管道和流态分布复杂的管渠”。

近年来，国外竞

相开发出经实流核准的高精度带测量管段的中小口径超声流量计，且用双声道或多声道

以改善单声道测量平均流速的不确定影响量，使测量精度大大提高。

传播速度差法超声波流量计是目前极具竞争力的流量测量手段之一，其测量精度已优于1．00,4。

多声道超声波流量计的精度已高于0．5％。

1.1.3课题的研究内容

本文围绕时差法超声波流量计测量技术的实现，详细地分析和叙述了系统硬件和软件各部分的组成和设计原理。

（1）测量元件的选型：

热量表需要直接测量的物理量有两个：

温度和流量。

因此测量元件的选择主要就是测温传感器、流量传感器的选择。

这两个传感器的正确选择对提高热量的测量起着至关重要的作用。

（2）硬件电路的设计：

主要是对温度测量电路、流量测量电路、、数据存储，结果显示以及按键的设计。

（3）软件系统的设计：

包括主程序流程、流量部分流程、显示部分流程、力求实现对硬件电路延伸和扩展。

（4）对本测量系统的软件、硬件上的低功耗方面的分析和设计。

2流量温度热量测量

2.1功能要求

1）设计一种适用于民用与工业用各种口径超声波热量表。

2）实现采暖设备热量精确测量。

3）整机微功耗设计，电池供电。

4）小口径管道（D≤25mm）流速测量范围0～5m3/h

5）大口径管道（D≥50mm）流速测量范围0～30m3/h

6）流速测量精度±0.2m3/h

7）需要对温度进行补偿。

2.2系统构成

热量表系统由3．6V锂电池供电；系统的控制和处理中枢电路板在正式产品被放置到管件内部，通过一个按键实现人机交互，两个带有绝缘导线的Ptl000探头，逆着水流的方向放置在供热设备的进水13和出水口，以便有效采集进水温度和出水温度；超声换能器被密封在管件的两端，相距大约68．7毫米，换能器信号通过磁环滤波接到电路板的超声处理端。

电路板上留有JATG和BSL接151，JATG接口用来电路的在线调试和程序的写入以及加密，BSL是用来产品程序的升级。

超声式热量表的硬件电路主要由以下几个部分组成：

MSP430F448单片机、超声波流量测量电路、温度测量电路、显示电路、M-bus通讯电路以及程序下载调试接口电路等，整个硬件电路框图设计如图2.1

图2.1硬件电路框图

2.3设计要求

要求确定微功耗热量表总体设计方案。

元器件选型，设计微功耗流量计硬件电路，编写C语言应用程序，进行模块化与系统调试。

2.4流量测量

流量传感器作为热量表的重要组成部分，其流量检测准确度直接影响热量表的整体精度。

影响流量检测精度的两个重要因素是流量测量管段的机械结构和超声信号的采集处理，本章主要对超声波流量检测方法、超声信号的采集处理进行论述。

在本次设计中，流量检测方法使用了经典的时差法。

2.4.1时差法超声波流量测量的基本原理

通过采用两个超声波换能器交替作为发射器和接收器收发超声波，即观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法。

管道内部结构简化如下图：

图2.。

4.1时差法超声波流量测量原理图

图中，换能器1：

逆流换能器；

换能器2：

顺流换能器；

L：

超声波传播长度，

；

D：

管内直径；

V：

介质流速；

：

超声波传播方向与流体流向间的夹角。

通过换能器A、B相互间交替收发超声波，当流体以速度V流动时，超声波的实际传播速度C＇是声速C和流体在声道方向上的速度分量

的叠加，即：

（2.1）

可以分别求出超声波信号在流体中顺流与逆流的传播时间

与

：

（2.2）

（2.3）

所以，两式相减得顺流与逆流的时间差ΔT：

（2.4）

一般情况下，超声波在液体中传播速度在1000m/s以上，而多数工业系统中流体流速远小于声速，即C2远大于

，所以

可以略去，故原式可化为

，即

（2.5）

于是，知道了D、C、

，通过测时间差就可以求得流速V。

但是，这种方法的问题是必须知道声音在流体中的传播速度C，而声速是流体温度的函数，随温度的变化而不断变化。

所以，为了消除声速对流速测量的影响，可作如下两种处理。

（1）求顺流与逆流的传播时间之和。

（2.6）

由于C2远大于

，所以略去

，得

（2.7）

再代入（2.5）中，得

（2.8）

（2）求顺流与逆流的传播时间之积。

即

，得

（2.9）

再代入（2.5）中，得

（2.10）

综上，由公式（2.8）或（2.10）均可求出流速。

通过上述的转化，流速的测量可以基本不受声速的影响。

再通过得到的流速V可以计算出流量

。

声道上测得的流体流速

是线平均流速，而所需测量的是面平均流速

，

和

之比值称为速度修正系数，以K表示：

（2.11）

速度修正系数K是管道中流体雷诺数ReD的函数。

①在ReD≥5000的紊流条件下；K=（1.119~0.011）×LogReD；

②在ReD≤2300的的层流条件下,K=4/3。

图2.2K与ReD的关系图

图2.2表明,从层流过渡到紊流,流速修正系数K产生较大的偏移。

流速分布变化影响K值大小。

当换能器安装位置的上下游存在弯头、阀门、泵和接头等扰动源时,使流速分布偏离或畸变,K值变化较大。

因此,换能器的安装应远离扰动源,且有足够长的直管段。

流速分布应是管道轴对称的充分的紊流条件。

另外,换能器发射和接收平面中心如果偏离管道中心轴,会使速度修正系数K降低。

因此,流量

可用下式表达

（2.12）

其中，

为管道流通截面积。

2.4.2时差法超声波流量测量的特点

①组成简单，主要有换能器和电子电路构成；

②不仅对导电的介质，而且对不导电的介质实现无压损测量；

③测量不受压力、密度、粘度等参数的影响，输出特性线性范围宽；

④采用多声道测量，可在较短的直管道条件下获得较高的测量精度，可测正反两方向流；

⑤无可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻；

⑥电子电路部分采用微处理器，可进行各种补偿和运算；

⑦灵密度高，可检测到流速的微小变化。

由于时差法超声测流量具有许多突出优点，所以它具有强大的生命力。

2.4.3影响时差法测量精度的主要因素

在测量流体流量的过程中，有一些因素对于测量精度有很大影响，因此这些问题在设计过程中需要注意：

（1）加工精度及温度变化对机械尺寸的影响。

声路角、管道直径D、声程L等机械参数的加工精度、温度稳定性对流量的测量有直接的影响。

在测量过程中，它们会随着温度的变化而变化。

这种误差可以通过精密加工，合理选材以及合理的结构设计使影响减到最小。

（2）温度变化对流速的影响。

超声波的传播速度随流体温度的升高而升高，因而会给测量带来误差。

流体温度变化对精度的影响可以采用温度补偿的方法通过测量流体的温度和温度补偿数学模型的计算实现自动补偿。

（3）流体中介质以及添加剂对超声波传播速度的影响。

因为超声波在不同介质中的传播速度是不同的，微量添加剂例如某些溶解盐的含量都会对声波速度造成影响，因此在设计超声波流量测量单元时，要对流体的成分有比较正确的分析。

（4）电子元器件的性能，精度，稳定情况以及电路板的布线等对于测量结果也是有重大影响的，因此在设计流量测量模块时要充分考虑这些情况的影响。

2.5超声波传播时间测量的实现

由时差法超声波流量计的基本原理可以知道，时差法超声波流量计的测量精度与超声波传播时间的准确测量密切相关。

只有在既能稳定、准确地测量传播时间又能有效地对顺、逆流传播时差进行计算的前提下，才谈得上测量精度。

所谓超声波传播的时间，应该是指从发射信号的开始时间起，到接收换能器接收波形的起振点止，两者之间的这段时间。

由于脉冲计数法是一种粗测时方法而且随着高精度计时芯片的出现，使超声波传播时间的测量变得更加精确与方便。

这种芯片可以直接与单片机通讯，并且具有高精度、低功耗的优势，方便了硬件电路的设计，降低了整机成本和功耗。

通过调研，本课题选用了德国ACAM公司生产的高精度计时芯片第二代产品TDC-GP2。

2.5.1TDC-GP2简介

目前计时芯片的基本测时原理如图2.3所示，其中计时芯片的START和STOP管脚，分别是计时开始控制信号和计时结束控制信号的输入脚，它们的触发电平由生产厂家设定，并且只接收一次触发，即START通道中第一个作为START信号的脉冲到来后，该通道则视为关闭，不再接收任何脉冲信号，直到芯片初始化，下一次测量开始，STOP通道也做相同处理。

这种芯片可以直接与单片机通讯，并且具有高精度、低功耗的优势，方便了硬件电路的设计，降低了整机成本和功耗。

如下图2.3:

图2.3计时芯片的测时原理

通过调研，本课题选用了德国ACAM公司的高精度计时芯片第二代产品TDC—GP2，如图2．8是其内部结构图。

它具有超高的精度和小尺寸的封装，尤其适合于低成本的工业应用领域。

TDC．GP2具有高精度时间测量单元，高速脉冲发生器，接收信号使能，温度测量和时钟控制等功能，这些特殊功能模块使得它尤其适合于超声波流量测量和热量测量方面的应用。

这款芯片利用现代化的纯数字化CMOS技术，将时间间隔的测量量化到65ps的