基于msp430的高精度熱量表設計

基于msp430的高精度熱量表設計

近年來，隨著城市供暖體制改革的深入，供暖計量成為一個吸引人的焦點。供暖計量的關鍵是研究適合中國國情的一般熱量表。本文設計了一種以MSP430FW427單片機作為控制核心的熱量表,這種熱量表采用超低功耗設計,其流量測量采用最新的無磁流量測量方法,以提高流量測量的精度和靈敏度;硬件電路中設計了光纖通信接口,使其可以利用公共的光纖網(wǎng)絡,在數(shù)字化社區(qū)網(wǎng)絡平臺上應用,以實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的遠傳和集中管理。1差法k系數(shù)法熱量表是指在一個熱流回路中流體吸收或釋放熱量多少的測量儀器。熱量表的計量原理因計算方法的不同而有所不同,計算方法分為焓差法和K系數(shù)法兩種。焓差法是計算時間的積分,采用不同溫度下熱焓值和密度直接計算出熱量值,它在理論上較K系數(shù)法更為直接、明確,而且在實用上有其優(yōu)越性。焓差法實現(xiàn)熱量計算的基本公式為式中:Q為釋放或吸收的熱量;qm為流經(jīng)熱交換系統(tǒng)的水的質(zhì)量流量;qv為流經(jīng)熱交換系統(tǒng)的水的體積流量,ρ為流經(jīng)熱交換系統(tǒng)的水的密度,?h為熱交換系統(tǒng)的入口和出口溫度下水的焓值差;τ為時間;焓值差與水的溫度有關,根據(jù)測量的入口和出口溫度,利用查表的方法可求得相應的密度和焓值。由熱量的計算公式可以看出,為得到熱量值,最終需要測量并引用如下3個參數(shù):流量—熱交換系統(tǒng)的體積流量,m3/h進水溫度—熱交換系統(tǒng)的進水溫度,℃回水溫度—熱交換系統(tǒng)的回水溫度,℃本文設計的熱量表是采用焓差法實現(xiàn)熱量的計量,熱量計量時需要實時測量的參數(shù)只有流量、進水溫度和回水溫度三個物理參數(shù)。2計量和計算用戶從熱交換系統(tǒng)獲得的熱量根據(jù)熱量的計量原理,熱量表主要由以下三個部分組成:流量計,用以測量流經(jīng)熱交換的熱水流量;一對溫度傳感器,分別測量供暖進水和回水溫度;積算器,根據(jù)與其相連的流量計和溫度傳感器提供的流量和溫度數(shù)據(jù),通過熱量的計算公式計算出用戶從熱交換系統(tǒng)獲得的熱量。本文設計的熱量表其系統(tǒng)組成如圖1所示。2.1計算精度性原則熱量表中積算器是根據(jù)流量計和溫度傳感器所提供的流量及溫度數(shù)據(jù),以一定的算法計算出用戶從熱交換系統(tǒng)獲得的熱量。積算器確定的總體原則是:(1)低功耗,由于是用鋰電池供電,所以功耗應盡可能低,盡可能減少外圍器件的使用;(2)保證計算精度和系統(tǒng)的整體精度;(3)充分考慮測量數(shù)據(jù)的存儲和安全,防止數(shù)據(jù)的遺失及破壞;(4)功能齊全,方便用戶使用。綜上所述,選用TI公司生產(chǎn)的高性能的MSP430系列單片機MSP430FW427作積算器,MSP430FW427是TI公司針對電子式流量與旋轉(zhuǎn)運動檢測最新開發(fā)的專用MCU芯片,它將超低功耗MCU、液晶顯示LCD驅(qū)動模塊和流量測量所需的器件集成在內(nèi)部,做成ScanIF模塊(稱為旋轉(zhuǎn)掃描接口),這樣既降低了功耗,也節(jié)省了外圍設備,大大降低了系統(tǒng)功耗,該器件集成有12位A/D轉(zhuǎn)換器、電壓監(jiān)控模塊、硬件乘法器等,其超低功耗結(jié)構和流量檢測模塊不僅能延長電池的壽命,同時還可以提高儀表的精度和性能。2.2轉(zhuǎn)換電路電阻值的計算溫度傳感器采用Pt1000鉑電阻,測量精度為0.01℃.其溫度測量電路如圖2所示。74HC4052為雙4通道模擬開關,由穩(wěn)壓管DZ以及精密電阻R49(2.5K)產(chǎn)生一恒流源,由單片機控制74HC4052分別選通進水回路、出水回路及1K、1.35K精密電阻的參考回路。這樣在進水傳感器、回水傳感器、1K參考電阻、1.35參考電阻的一端分別有一不同的電壓,此電壓通過74HC4052接到MSP430FW427內(nèi)部比較器的一個端口(P1.7),然后通過P2.1及R47,對C22充放電,在相等的時間內(nèi),不同的電壓對應的充電次數(shù)也不同。通過已知電阻1K、1.35K及測得的充電次數(shù),1K對應的充電次數(shù)記為D1,1.35K對應的充電次數(shù)記為D2,進水傳感器的充電次數(shù)Din,回水傳感器的充電次數(shù)Dout,可以求出相應的阻值。己知鉑熱電阻隨溫度變化的公式:式中:Rt是溫度為t時的鉑電阻值,?;A=3.96847*10-3;B=-5.80195*10-7;t為溫度℃;R0是0℃時的鉑電阻值。按上述公式可以計算電阻值。顯然,由鉑電阻的阻值很難直接求解出溫度值,使用表格法線性插值法進行溫度的標度變換。把步長為1℃的Pt1000所對應的電阻值表用三次插值法細化成步長為0.1℃.將測得的電阻值與表中電阻值進行比較,直到Rn<Rt<Rn+0.1時停止比較。此時,Rn所對應的溫度值θn為精確到小數(shù)點后1位的所測溫度。通過計算和查表得到溫度,算出溫差。采用圖2的測溫電路可以很好地減少由于標準電阻的漂移造成的測量誤差,因為所測的每只傳感器的電阻值都是標準電阻的比值,所以兩只傳感器之間的相對溫漂得以抵消,保證了測量的精度。2.3回轉(zhuǎn)時的振蕩信號流量計用來測量流經(jīng)熱交換系統(tǒng)的熱水流量。流量檢測信號的采集是決定流量檢測精度的重要一環(huán),本設計中流量信號采集采用無磁、葉輪式流量傳感器,它是通過葉輪室上方設置的二個電感在葉輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生振蕩信號來實現(xiàn)的。其電路由阻尼振蕩電路和電容組成,電感下方為旋轉(zhuǎn)的葉輪,其上有半圓形金屬膜片,當葉輪旋轉(zhuǎn)時,電感產(chǎn)生有阻尼和無阻尼振蕩,將此振蕩信號送入MSP430FW427內(nèi)含的ScanIF模塊進行計數(shù),即可以高精確地實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動流量的測量。測量電路如圖3,設計中葉輪式流量傳感器采用多流速結(jié)構,以保證較寬的流量測量范圍和較高的計量精度。該流量檢測的測量原理和電路結(jié)構簡單、可靠;不需要外部流量檢測IC,極大地簡化了系統(tǒng)硬件設計和軟件設計,并提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性;葉輪無磁鐵,不受介質(zhì)水銹影響,確保熱量表不出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。3算法的基本思想目前國內(nèi)外研制的熱量表均采用儀表總線M-BUS實現(xiàn)熱量表的遠傳功能,這種通信方式需要在供暖區(qū)域內(nèi)專門布線才能實現(xiàn),由此增加了系統(tǒng)的成本。隨著光纖通信技術的發(fā)展和光纖材料成本的下降,光纖通信已成為通信的主要手段之一。FTTH全光纖網(wǎng)絡采用一纖三波長的特殊通道處理方式,將一根光纖分成三個不同的波長信道,分別傳輸語音、數(shù)據(jù)和有線電視信號,做到不同的業(yè)務采用不同處理方式,不同的業(yè)務占用不同的通道,不同的業(yè)務享有不同的優(yōu)先級,用各業(yè)務自有的幀格式傳送,沒有質(zhì)量損耗,保證了傳輸?shù)馁|(zhì)量,全光纖網(wǎng)絡進入社區(qū)和家庭已成為現(xiàn)實,本設計利用這種公共的光纖網(wǎng)絡,采用FTTH技術實現(xiàn)遠傳,以降低通信成本。FTTH接入網(wǎng)由多業(yè)務集中控制單元OLT、小區(qū)光纖網(wǎng)絡、多業(yè)務用戶單元ONU三部分組成。由于是利用公共的光纖網(wǎng)絡,因此僅需設計ONU,本文設計的用戶單元ONU光纖通信接口電路如圖4.設計中采用CYPRESS公司的CY7B923/933為數(shù)據(jù)收發(fā)芯片,光模塊選用sta公司的sta155MTX、sta155MRX.發(fā)送、接收控制邏輯用CPLD實現(xiàn),CPLD選用ALTERA公司的EP7032.主機發(fā)送控制命令,通過CPLD控制CY7B923/933工作在傳輸模式,其發(fā)送與接收過程如下:在發(fā)送端,將輸入數(shù)據(jù)送入到CPLD中,通過CPLD對其編碼,將編碼后的數(shù)據(jù)送到CY7B923,通過CY7B923將電信號轉(zhuǎn)換為光信號,然后通過光模塊sta155MTX將光信號發(fā)送出去;在接收端,光模塊sta155MRX通過光纜將接收到的光信號傳送給CY7B933,CY7B933再將光信號轉(zhuǎn)換為電信號送給CPLD,CPLD通過對所接收到的信號解碼,還原出數(shù)據(jù)進行存儲。4熱量表主程序軟件設計為了降低功耗,系統(tǒng)從硬件和軟件兩個方面進行了低功耗設計。硬件方面采用超低耗嵌入式單片機MSP430FW427,并對系統(tǒng)進行了合理的電源設計及供電管理;軟件設計中,則充分考慮了低功耗的設計要求,利用MSP430FW427多種休眠模式,進行模式切換,只有在時間到或掉電時才使CPU處于活動狀態(tài),其他情況CPU處于省電模式3,從而減少一些不必要的能量損耗。熱量表主程序的流程如圖5所示。開機復位后先進行初始化,然后進入液晶顯示程序,再進入省電模式等待,其他要實現(xiàn)的處理任務如按鍵顯示、流量計量、溫度測量等均作為中斷事件,來喚醒單片機執(zhí)行中斷服務子程序,執(zhí)行之后又進入省電模式。熱量計算由時間控制,每一分鐘喚醒單片機一次,執(zhí)行測溫、讀流量、熱量計算、數(shù)據(jù)存儲任務。所以熱量計算的軟件主要包括:調(diào)用測溫子程序測溫;然后根據(jù)得到的溫度值查焓值表;讀計數(shù)器得到一分鐘內(nèi)的流量;按式(1)計算這一分鐘消耗的熱量Q1;并進行耗熱量的累加,重新存儲熱量、溫度等數(shù)據(jù)。5熱量表完全符合國家標準本文設計的熱量表采取分量檢定方法進行了實驗