基于MSP430F449的超低功耗超声波热量表设计

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目前，国内使用的热量表大多为叶轮式、电磁式热量表。对于叶轮式热量表，流体流经金属叶轮使其旋转，采用于簧管采集流量信号，虽然这种热量表的成本低，但是由于供热管中存在较多的杂质，容易造成阻碍，且对外界环境敏感，使用寿命短；电磁式热量表对水质要求很高，而热水中带有很多金属杂质，会吸附在磁头上，导致测量不准确，同时结构复杂，成本较高，功耗比较大，在实际的应用中很少用到。

超声波热量表是在超声波测量流量的基础上发展而来的新型热量表，超声波热量表克服了原有机械表和电磁表受水质影响严重和使用寿命短的缺点，具有精度高、寿命长、功耗低、基本不受水质影响的特点l J。

2 超声波热量表的系统组成及测量原理2.1 超声波热量表的系统组成系统设计中采用时间数字转换芯片TDC-GP21完成对系统流量与温度的测量，以 MSP430F449作为主控器完成进出水温度测量的计算、温度补偿及流速、热量的计算，之后通过 TI公司的物理层 M-BUS芯片 TSS721A实现远程抄表通信。此外，该囊 矬 投稿 网址 ：htp：//AudioE.en热量表采用自制的段式液晶实现两级选单功能显示，利用430芯片自带的 FLASH进行热焓值、密度值以及历史信息的存储。整体系统框图如图 1所示。

2.2 超声波热量表的测量原理欧洲热量表采取的是 K系数补偿的方式，这就要求热量表只能安装在出水管道上，不仅给施工带来了不便而且用户存在盗水的可能。因此，热量的计算采用以下公式Qf0'q ·Ah·式中：Q为释放的热量(kJ)；g 为流经热量表中载热液体的质量流量(kg/s)；Ah为进水 口与出水13温度对应的载热体的热焓值差(kJ/kg)； 为时间(S)。

由于超声波的传播速度随流体温度的升高而升2013 37卷第4期I33I 器件与电路囿魄岛圈闶 ###6旷### 6高，会给测量带来误差，因此采用温度补偿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 J。这就必须测出瞬时流量及进出水温差，然后结合热焓值得到流经热量表中载热液体的质量流量，进而算出热量。

3 超声波热量表的硬件设计3.1 温度及流量测量部分温度及流速的测量采用德国ACAM公司设计的TDC-GP21芯片，实现超声波传播时间和进出水温度的测量。TDC-GP21内部集成模拟输入拈，可以将超声波信号转换成数字脉冲信号，并通过内部将零点温漂限制在2 mV以内，提高了测量的精度。

与TDC-GP2不同，用户在测量超声波传播时间时，只需有单片机通过 SPI总线对 TDC-GP21发送顺流和逆流时间测量命令，该芯片就会通过内部电路产生相应的起始和结束信号，其内部的寄存器会 自动存储计算得到波传播的时间，然后 MPS430单片机通过读饶存器中的值，通过计算得到瞬时的流量 。

在初期的测试时-定要注意：TDC-GP21驱动超声波换能器时，-定要将换能器放到水中，不然测得的结果和理论计算的不符合。

TDC-GP21内部集成了-个 PICOSTAIN温度测量单元，实现对温度的测量，其原理是通过测量电阻对电容的充放电时间得到的。放电时间的比值就是电阻的比值，因此通过读取放电时间，在根据参考电阻的阻值即可计算出温度传感器的阻值，进而通过查表得到相应的温度值。温度测量部分的电路如图2所示。

C 为充电电容，选用 COG类型；PT1和 gI2接两个Ptl000温度传感器，实现对进水和出水的温度测量；P]3和PT4接参考电阻，大小为1 kQ，精度为0.1% 的精密电阻，以便减小误差带来的影响，提高系统的灵敏度。

3.2 M-BUS通信部分超声波热量表通过 M-BUS(Meter Bus)总线通134t 201337卷第4期. . . . . r -- - - - - -- - - - - -- - - - - - - - - -- - 信实现 自动抄表～超声波热表测得的数据通过M-BUS上传到集中器，然后由集中器通过 GPRS无线拈将数据传输到供暖中心的后台，实现人性化的计费和管理。该设计采用TI的物理层 M-BUS芯片TSS721A。TSS721A芯片广泛应用于仪表总线的收发器，内部的接口电路可以调节仪表总线结构中主从机之间的电平，同时该接收器可由总线供电 ]。根据M-BUS协议，M-BUS总线上可以有 255个终端，通信距离为 1 000 m，每栋楼只需设置-个 M-BUS总站即可。TSS721A的连接电路图如图3所示。

3.3 液晶显示部分MSP430F449内置IED驱动，可以驱动160段液晶。

根据JG 255-2001热量表的鉴定规程，-级选单显示：出水温度、进水温度、温差、累计热量、流量等；二级选单显示历史数据(最近13个月固定日期的累计热量、累计流量等)。按-下按钮实现每级选单内的转换，按状钮3秒钟切换到下-级选单。显示效果如图4所示。

- 级选单 二级选单累计热量值 瞬时流量 历史累计能量值圈 圆 圃 进水温度 历史累计冷量值囤 温差 历史累计流量值广1--] 厂 ---] 厂--- l 嘲 。l I瑚 。l I l图4 液晶显示效果图(截图)4 超声波热量表的软件设计系统的软件主要由 MSP430F449实现对 TDC-GP21的控制，处理测得的超声波传播时间及水温，控投 投稿 网址 ：htp：//AudioE.cn 器 件 与电路 。

囿 s囿响 ###6旷###凹6 U制整个系统的功耗，实现真正的低功耗设计。主程序的流程图如图5所示。

TDC-GP21与单片机之间通过 SPI接 口通信 ，测量时单片机将指令发送给 TDC-GP21，然后 TDC-GP21根据指令自动将测得的数据放到寄存器中，测量结束后，单片机在读取测量的数据进行相应的处理。详细的指令控制操作可以参照 TDC-GP21的使用手册，再此给出TDC-GP21寄存器的配置，具体应用时根据自己的工程来设置。

5 结束语该热量表经测试流量误差低于 1.5%，温度误差低于0.0312，静态工作电流≤10 txA，采用 3.6 V/2.4Ah锂电池供电时，可以使用6年，完全满足国家热量表行业标注2级表的精度要求。由于TDC-GP21是高端数字模拟混合器件，在设计电路板时，需要考虑好电源的稳定及合理的地线分布，数字地跟模拟地要分开并-点接地，以便减少脉冲信号引起的串扰，传输线之间的寄生电容，进-步提高测量精度6 J。

采用TDC-GP21设计的超声波热量表不仅可以用于供热热量的测量，还可以用于制冷热量的计算，实现产品的更新换代。由于超声波热量表的成本低、功耗孝测量精度高且不易损坏，因此超声波热量表具有良好的应用前景。