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(duì)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(hào)，配對(duì)溫度傳感器分別檢測(cè)出入口和出口溫度信號(hào)，積算器采集流量、溫度信號(hào)，根據(jù)流量傳感器給出的流量和配對(duì)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(cè)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(duì)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(hào)的部件。超聲波流量傳感器采用時(shí)差法對(duì)流量進(jìn)行測(cè)量，其基本原理是：在測(cè)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(hào)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(hào)由另一只換能器接收，由于超聲波信號(hào)與水流信號(hào)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(hào)在水中的運(yùn)行時(shí)間就不同，通過測(cè)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(cè)量。

2）配對(duì)溫度傳感器。配對(duì)溫度傳感器是在同一個(gè)熱量表上，分別用來測(cè)量熱交換系統(tǒng)的入口和出口溫度的一對(duì)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(cè)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(duì)值相差較小，因此使用計(jì)量特性一致或相近的一對(duì)配對(duì)溫度傳感器即可提高測(cè)量精度而對(duì)溫度傳感器的絕對(duì)精度可以要求的相對(duì)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(duì)溫度傳感器的信號(hào)，進(jìn)行熱量計(jì)算、存儲(chǔ)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(chǔ)和開中斷等；系統(tǒng)的測(cè)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(duì)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(duì)程序結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)流量的計(jì)算還有對(duì)溫度的測(cè)量都不是需要CPU持續(xù)工作來測(cè)量的，甚至每次執(zhí)行之間的間隔是相對(duì)較長(zhǎng)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(zhǎng)期處于等待狀態(tài)，程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在完成測(cè)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(dòng)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(yǔ)

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(chǎng)前景和良好的社會(huì)效益。(end)

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