基于MSP430F4152单片机的超声波热量表的设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

2 热量表的测量原理我国北方的供热自2009年改革到现在已慢慢走上了正轨，预计在未来的几年当中，热量计价收费将会成为改革供热计量方面的-个重点工作。

而超声波热量表因具有测量时无接触部件，低压降、低能量消耗且测量误差小的优势，正逐渐取代机械式热量表，成为用户和热力公司的首眩1 超声波热量表的基本组成超声波热量表主要 由单片机、TDC-GP21、- 对换能器和温度传感器组成。本设计以 TI公司生产的低功耗单片机 MSP430F4152为控制器，采用德国ACAM公司的新-代产品 TDC-GP21时间转换芯片来检测介质流量与温度。它的基本系统组成如图 1所示。

超声波收发拈I< ]LCD显示J高精度计时拈f< 输入输出樟封俞 . MSP430F4l52 单片机 l i l电 脉 键 由 温度测量拈l<： /L 冲盘 口广块输 输 通数据存储拈K 出 入 讯图1 超声波热量表硬件系统组成图超声波热量表的测量原理并不复杂，简单地说 ，是利用超声波在介质中的传播速度在顺流和逆流方向的时间差，再利用这个差值求出流体的流速，从而测量流量的-种方法。

图 2 超声波热量表测试原理图2.1 温度的检测TDC-GP21是德国 ACAM公司在 TDC-GP2的基础上，进行了更深的研究与改进的-种针对超声波热量表的-些特性而设计的新-代产品。

其封装方式采用 QFN32管脚的形式。此芯片内除了具备TDC-GP2的所有功能，还增加了超声波热量表所需要的信号处理模拟部分，例如模拟开关以及内部集成了温度测量所需要的施密特触发器，使超声波热量表的设计开发更加简单，在降低材料和人工成本的同时，还提升了超声波热量表的测量质量和功耗等级，使其拥有更高集成度、更- - 1 --《仪器仪表与分析监测》2013年第1期低功耗以及更高精度的优势。其测量原理是利用温度传感器的铂电阻对电容的充放电时间，通过充放电时间与参考电阻推算出温度传感器电阻值，根据铂电阻与温度的对应关系从而得 出温度值。

本设计的温度传感器选用 PTIO00的铂电阻。原理电路图如图3所示。

1311l21O1698! - . []6刚二3o l 窭鸯器换能器C14lOnFpTloo0- [ GND图 3 温 度检 测与速度检测 电路图2.2 热量的采集热量表中热量的计算方法-般采用焓差法和系数法，其计算本质是相同的，不同的是焓差法计算的是质量流量，而系数法计算的是体积流量。采用系数法时值的标定是在出水 口标定的，这就意味着热量表的流量传感器只能安装在出水口，而计算时用的流量值则来 自入水 口，从而造成的误差 比较大。故本设计采用焓差法，其公式为：Q J g Ahdt式中，Q--释放的热量 (kJ)；g --流经热量表 中载热液体 的质量流量(k s)；△ --热交换回路中入口温度与出口温度对应的载热液体的焓值差 (kJ/kg)；- - 时间 (S)。

h CpT式中，- - 水在温度 T时的焓值 (kJ/kg)；c --水的平均比热 [kJ/(kg·oC)]；水的温度值 (℃)。

2.3 流量的测量流量的检测主要撒于水流速度的检测，而水流速度的检测则采用超声波时差法来测量。由- 2 - TDC-GP21发送-列脉冲，经过换能器转换成超声波在水中传播，换能器接受超声波后发送脉冲，由TDC-GP2检测脉冲，记下收发-次脉冲所用的时间间隔。

L换f B器 换自 §器 I、 l r l V////)t'/////A图4 流量检测原理设超声波在两换能器之间的传播距离为 ，超声波在管道内静止的液体中传播速度为 I/r，假设管道截面内的液体流速分布均匀并且流速为 。超声波顺流时所用的时间 t 为：tl ( ) (1)超声波逆流时所用的时间t 为：t2L( ) (2)转换公式 (1)和 (2)，可得：VL/t1 (3)- VL/t2 (4)将公式 (3)减去公式 (4)，可得：2V：L/t1-L/t2 (5)由公式 (5)，可得：V (L/t1-L/t2)/2L/2 X (1/t1-1/t2) k/2× (t2-t1)此时瞬时流量 (m /s)Q可表示为：Qn×R×R×V (6)由 RD/2，则 瞬 时流 量公 式 (6)可改写为：Q兀×D X D/4×V X 3 600 (7)从上述的超声波液体流量测量原理可知，采用速度差法测量液体流速有很大的优势。公式只与传播距离、顺流和逆流的传播时间有关，而与液体中的传播速度、温度和液体的成分等无关，这对实际测量是非常有利的。

3 液晶显示的设计采用液晶 LCD显示，怪为四级菜单。-级他 盯 m吣 mm 腿 皿nB SH～- 5 --基于 MSP430F4152单片机的超声波热量表的设计 赵灿。等菜单也就是正常显示，显示 日期、当前时间、表号、人口温度、出口温度、温差、流量、热量和功率；二级菜单显示历史数据，即某月份所用 的流量和热量；三级菜单用来调节时间；四级菜单用来调试和校正，其显示内容和-级菜单-样，只是在采集数据的频率加快了很多。

4 基表的选择超声波热量表基表 的选择对其稳定性起着非常重要 的作用。市场上的超声波基表种类繁多 ，有些为 了外形美观而忽略了最初设计 的意义 ，不但严重违反 了流体力学原理，还造成水流力和水流束的无序变化和大量涡流，甚至造成不易堵塞的地方也严重堵塞。笔者推荐使用直射式基表。采用直射式基表 的最大好处是反射过程受外界干扰小 ，运行稳定可靠，缺点是费用高。

5 软件的设计软件设计是产品的另-个重心，数据经硬件采集过来后由它进行处理、计算和转换。另外，热量表与其他设备问的数据通讯也靠软件来实现。

软件的设计必须和硬件的设计紧密结合，才能使产品的性能得到更好地发挥，满足市场 的要求。

6 结论超声波热量表的出现不仅改革了收费体制和采暖系统，响应了国家的号召，实现了国家节能减排的计划，还解决了机械式热量表和支架式热量表的弊端，给用户和热力公司带来了方便，是- 项非常值得推广的产品。