基于MSP430FW42X單片機(jī)超聲波熱量表的設(shè)計(jì)

1 熱量表的系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

1.1 熱量表的基本原理

熱量表的工作原理：在熱交換系統(tǒng)中安裝熱量表，配對溫度傳感器分別安裝在熱交換入口和出口管道上。當(dāng)水流經(jīng)系統(tǒng)時(shí)，流量傳感器發(fā)出流量信號，配對溫度傳感器分別檢測出入口和出口溫度信號，積算器采集流量、溫度信號，根據(jù)流量傳感器給出的流量和配對溫度傳感器給出的供回水溫度，以及水流經(jīng)的時(shí)間，通過積算器計(jì)算并顯示該系統(tǒng)所釋放或吸收的熱量，在實(shí)際應(yīng)用中水的質(zhì)量都是通過測量水的體積換算得出的，因此熱量值的計(jì)算可使用下面公式：

式中：Q-釋放的熱量[J]或[kWh]；V-載熱液體流過的體積[m3]；△θ-熱交換回路中載熱液體入口處和出口處的溫差[℃]；K-熱系數(shù)，它是載熱液體在相應(yīng)溫度、溫差和壓力下的函數(shù)[J/m3°C]或[kWh/m3°C]。

上面公式稱為k系數(shù)法，本文中熱能表主要使用k系數(shù)法進(jìn)行熱量計(jì)算。熱量表的工作原理圖見圖1，超聲波基波示意圖見圖2。

圖1 熱量表系統(tǒng)工作原理圖

圖2 超聲波基表示意圖

1.2 熱量表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

熱量表由流量傳感器、供回水配對溫度傳感器及積算器（單片機(jī)處理單元）等部件組成。

1）流量傳感器。流量傳感器是用于采集水流量并發(fā)出流量信號的部件。超聲波流量傳感器采用時(shí)差法對流量進(jìn)行測量，其基本原理是：在測量通道的上游和下游分別安裝一只超聲波換能器用于超聲波信號的發(fā)射與接收，上游與下游換能器分別發(fā)射超聲波信號由另一只換能器接收，由于超聲波信號與水流信號疊加，使聲波在順流和逆流時(shí)的傳播速度不同，因此不同換能器發(fā)射的超聲波信號在水中的運(yùn)行時(shí)間就不同，通過測量該時(shí)間的差值可計(jì)算出流體的流速，然后再換算成流量，從而實(shí)現(xiàn)了流量的測量。

2）配對溫度傳感器。配對溫度傳感器是在同一個(gè)熱量表上，分別用來測量熱交換系統(tǒng)的入口和出口溫度的一對計(jì)量特性一致或相近的溫度傳感器。在本熱量表中供水、回水管道分別裝有Pt1000的熱電阻，用來測量供水和回水的溫度，由于系統(tǒng)消耗熱量與入口與出口的溫度差成正比，而與溫度的絕對值相差較小，因此使用計(jì)量特性一致或相近的一對配對溫度傳感器即可提高測量精度而對溫度傳感器的絕對精度可以要求的相對低一些以降低成本。

3）積算器。積算器（又稱積分儀）是用來采集來自流量傳感器和配對溫度傳感器的信號，進(jìn)行熱量計(jì)算、存儲和顯示系統(tǒng)所交換的熱量值的部件。

2 熱量表的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和一系列的功能子程序組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，其中主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)計(jì)算與存儲和開中斷等；系統(tǒng)的測量、數(shù)據(jù)交換等都通過中斷來完成。另外，基于MSP430FW42x的熱量表的系統(tǒng)是建立在低功耗的基礎(chǔ)上，而系統(tǒng)的功耗正比于CPU的工作時(shí)間，所以程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首先盡量縮短CPU運(yùn)行時(shí)間，利用MSP430的各個(gè)工作模式，進(jìn)行合理的切換。另外，利用I/O口對模塊供電進(jìn)行控制，即根據(jù)工作的需要接通相應(yīng)的功能模塊電源。通過對程序結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對流量的計(jì)算還有對溫度的測量都不是需要CPU持續(xù)工作來測量的，甚至每次執(zhí)行之間的間隔是相對較長的，同時(shí)這些操作任務(wù)可由單片機(jī)高速運(yùn)行時(shí)短時(shí)間完成。所以為了避免單片機(jī)在有效運(yùn)行后的長期處于等待狀態(tài)，程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在完成測量后要進(jìn)入低功耗模式LPM3，由定時(shí)器或外部中斷喚醒，這樣極大地降低了系統(tǒng)的待時(shí)功耗，做到系統(tǒng)有效運(yùn)行和電路動態(tài)運(yùn)行時(shí)才消耗電流。同時(shí)充分利用片內(nèi)的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)按鍵和顯示程序的延遲，盡量避免指令循環(huán)延時(shí)；利用單片機(jī)的外部中斷特性，在程序設(shè)計(jì)時(shí)采用中斷方式式。

圖3 程序流程圖

3 結(jié)束語

基于MSP430FW42x的熱量表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了熱量表的數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算及控制，整表電氣性能穩(wěn)定可靠、壓損小、無堵塞現(xiàn)象并適用于各種以水為介質(zhì)的熱交換系統(tǒng)，所以具有廣闊的市場前景和良好的社會效益。(end)

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