以超低功耗微處理器MSP430為核心的熱計(jì)量表設(shè)計(jì)

　　3熱量積分儀

　　熱量積分儀亦稱熱量積分計(jì)算器，可接收來自流量傳感器和配對溫度傳感器的信號(hào)，并進(jìn)行熱量計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示和遠(yuǎn)傳的部件。

　　3.1熱量積分儀的工作原理

　　本系統(tǒng)中的熱量積分儀通過采集外部進(jìn)水溫度傳感器的溫度信號(hào)、回水溫度傳感器的溫度信號(hào)以及管道流量傳感器的流量信號(hào)，并通過對這些信號(hào)進(jìn)行處理來計(jì)算熱流體從入口到出口所釋放或吸收的熱量，其基本計(jì)算公式如下：

　　式中：Q為釋放或吸收的熱量，J或W.h；
　　qm為流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量流量，kg／h；
　　qv為流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量體積，m3／h；
　　ρ為流經(jīng)熱量表的水的密度，kg／m3；
　　△h為在熱交換系統(tǒng)的入口和出口溫度下水的焓差值J／kg；
　　τ為時(shí)間，h。

　　圖3所示是本熱量表的原理結(jié)構(gòu)框圖。

　　3.2超低功耗微處理器MSP430FXXX

　　系統(tǒng)中的主控芯片采用美國德洲儀器公司的16位超低功耗微處理器MSP430FXXX。該芯片內(nèi)含比較器，采樣分辨率可達(dá)0.01℃。而且片內(nèi)自帶LCD驅(qū)動(dòng)模塊，可驅(qū)動(dòng)96段液晶進(jìn)行顯示。利用片內(nèi)FLASH還可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存，也可以采用內(nèi)部時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)時(shí)。該芯片為電池供電型測量應(yīng)用帶來終極解決方案，它可使設(shè)計(jì)人員能同時(shí)連接模擬信號(hào)、傳感器和數(shù)字器件。

　　超低功耗微處理器MSP430FXXX的主要特性如下：

　　◇低電源電壓范圍，1.8～3.6 V；
　　◇超低功耗，工作模式時(shí)為250μA／MIPS，待機(jī)模式時(shí)為0.8 μA，關(guān)閉模式(RAM保持)時(shí)為0.1μA；
　　◇具有五種功率節(jié)約模式；
　　◇6μs內(nèi)可從待機(jī)模式喚醒；
　　◇具有16位RISC體系和125 ns指令周期；
　　◇帶有多個(gè)捕獲／比較寄存器的16位定時(shí)器；
　　◇集成有96段LCD驅(qū)動(dòng)器；
　　◇帶有串行通信接口(USART)，可通過軟件選擇異步UART或同步SPI；
　　◇基本定時(shí)器可支持實(shí)時(shí)時(shí)鐘；
　　◇帶有節(jié)電檢測器；
　　◇帶可編程電平檢測的電源電壓管理／監(jiān)控；
　　◇內(nèi)建可在線燒錄(in-system programmable)閃存，可用于程序代碼的變更、現(xiàn)場升級(jí)和資料記錄；
　　◇型號(hào)系列化，選型范圍廣。

　　所有的MSP430器件均基于一個(gè)正交16位RISC CPU內(nèi)核，其靈活性在于其具有16個(gè)可尋址單周期16位CPU寄存器、27條指令以及7種均采用雙重取數(shù)據(jù)技術(shù)(DDFT)的一致性尋址方式。DDFY可在每個(gè)時(shí)鐘脈沖內(nèi)對存儲(chǔ)器進(jìn)行兩次存取操作，而不再需要復(fù)雜的時(shí)鐘乘法和指令流水線方案。除了能夠降低功耗和減小CPU尺寸之外，當(dāng)與現(xiàn)代程序設(shè)計(jì)技術(shù)(如計(jì)算分支)以及高級(jí)語言(如C語言)一道使用時(shí)，MSP430體系結(jié)構(gòu)的微處理器尤為有效。表1所列是MSP430所使用的7種尋址方式。

　　3.3硬件電路

　　MSP430令共有51條指令。其中核心指令有27條，代碼效率很高且速度快。應(yīng)用MSP430設(shè)計(jì)的新型熱量表的電氣原理圖如圖4所示。

　　圖4中，RT1和RT2分別為熱交換系統(tǒng)入口和出口的溫度傳感器，L1、L2、L3分別為流量傳感器中的感應(yīng)器1～3，U1為模擬多路開關(guān)，U2為CPU芯片MSP430FXXX。溫度傳感器檢測出熱交換系統(tǒng)入口和出口的溫度后，經(jīng)過模擬多路開關(guān)后送給CPU的A／D轉(zhuǎn)換端口，流量信號(hào)則送人CPU的P1.0端口，兩路信號(hào)在CPU內(nèi)經(jīng)過軟件解算后，將在CPU內(nèi)的存儲(chǔ)器中保存并從端口輸出到LCD顯示器T218010顯示。

　　新型熱量表遠(yuǎn)傳通訊接口一般采用RS-485接口或M-BUS接口，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和集中抄表，這里不再贅述。

　　4結(jié)束語

　　該熱量表采用整體式結(jié)構(gòu)、單片機(jī)自動(dòng)檢測技術(shù)、微功耗設(shè)計(jì)和無磁非接觸式流量檢測技術(shù)，因而該表安裝簡單，無需調(diào)試。實(shí)際應(yīng)用證明，利用該方法設(shè)計(jì)的熱量表性能穩(wěn)定可靠，使用效果良好。