以超低功耗微處理器MSP430為核心的熱計量表設計
發布時間：2009-6-18 21:11
發布者：MSP430
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我國地域廣闊，人口眾多。房屋建筑規模巨大，住宅建設量大而且面廣，至今仍呈上升趨勢，而且這個上升趨勢還將持續20～30年。 在這種情況下，把"大鍋飯"式的采暖包費制，改為按實際使用熱量向用戶收費，無疑是緩解煤電能源緊缺矛盾的有效手段。為此，本文介紹了一種新型熱量表的設計方法。該熱量表是一種分戶熱量計量裝置，它由無磁熱水流量計、溫度傳感器和微功耗單片機組成的積算儀等三部分組成。儀表安裝在系統的供水管上，并將溫度傳感器分別裝在供、回水管路上。一段時間內用戶所消耗的熱量為所供熱水的流量和供回水的焓差乘積對時間的積分。熱量表利用該原理并通過熱水流量計測量逐時流量并用溫度傳感器測量逐時供回水溫度，再將這些數據輸入積算儀進行積分計算，就能得出用戶所用的熱量。 1 熱量表的流量檢測 1.1 多流無磁熱水流量計 所謂流量，就是在單位時間內流經熱量表的熱載體(水)的體積或質量。本系統中的流量檢測單元是用來測量流量的裝置，它能輸出與流量大小成比例的脈沖信號給積分計算單元。 多流無磁熱水流量計的結構主要由熱水表表殼底座、導流座、濾網、葉輪盒、出水導流座、傳感器感應膜片等組成。其工作原理是：熱水進入表殼底座，經導流座、濾網后流進葉輪盒沖動葉輪盤旋轉，再經出水導流座流出表外。葉輪盤上端的傳感器感應膜片與傳感器作相對旋轉運動，以輸出與流量大小成線性比例關系的脈沖信號給積分計算單元。多流無磁熱水流量計殼體采用優質黃銅，經硬模鑄造、鍛造、數控機床加工后，要求其機械強度好、尺寸精度穩定一致。機芯部分可選用進口耐熱、耐磨工程塑料和元件，并應使用壽命長、計量精度高。整表的耐壓強度、測量誤差、壓力損失等要完全符合行業標準。 多流無磁熱水流量計不同于一般的熱水表，它應具有如下特點： 發訊原件采用非磁性材料的金屬膜片，避免了一般干式水表的磁性元件吸附管道類雜物而影響精度和易受外磁場干擾等現象，無磁的含義也由此而來。 機芯部分在表殼內可360°旋轉，可適應熱量表不同安裝位置。 流量計的機芯和上殼體可組成完整可拆卸的計量機構總成，便于安裝維護。 機芯選用耐熱、耐磨的工程塑料和元件，使用壽命長、計量精度高，適于熱水工況。 1.2流量傳感器 流量傳感器的機械結構外形見圖1所示。它由固定在同一個軸上的兩個葉輪盤組成，并由一個齒輪組驅動。為了簡單，齒輪在圖1中未畫出。當有水流動時，齒輪帶動兩個葉輪盤旋轉。兩個葉輪盤是由非導體材料組成的，每個葉輪盤的表面有一半面積涂敷著銅或其它金屬導體材料，在兩個葉輪盤安裝有互成120°的三個獨立感應器，當敷銅層通過感應器上方時，葉輪的旋轉信號即可被檢測出來。 圖2為感應式傳感器的硬件電路原理圖。電路中的感應器被安裝在兩個機械葉輪盤之間(見圖1)，每一個傳感器均具有對應的信號選通線和共用的觸發信號線，每路晶體管的集電極輸出應連接在一起。 2 Pt1000鉑電阻溫度傳感器 鉑電阻溫度傳感器是利用貴金屬"鉑"的電阻隨溫度單調變化的特性來測量溫度。厚膜鉑電阻元件的感溫材料是鉑膜導帶，它均勻地分布在陶瓷基片上。該傳感器以鉑作為感溫材料、以微電子厚膜工藝制作，整個器件由Pt1000感溫元件、引線電纜和不銹鋼保護管構成，經過測試和精確配對可制成熱表專用溫度傳感器。 鉑電阻溫度傳感器安裝在熱交換系統中，用于采集水溫并發出溫度信號。溫度傳感器的探頭保護管采用導熱良好且堅固耐磨的材料制造。 在同一熱量表上應采用"配對溫度傳感器"，即分別用來測量熱交換系統的入口和出口溫度的溫度傳感器的計量特性應當一致或相近。 與Pt1000厚膜鉑電阻配對溫度傳感器是熱量表的重要組成部分，是測試溫度及完成熱量計算的基礎元器件，其測量范圍為-20℃～+150℃。 D00系列Pt1000元件是上海都華實業有限公司的高阻值鉑電阻敏感元件，其溫度每變化1℃，電阻值變化3.8Ω。而且具有靈敏度高、熱響應速度快、引線電阻影響小等特點。 3熱量積分儀 熱量積分儀亦稱熱量積分計算器，可接收來自流量傳感器和配對溫度傳感器的信號，并進行熱量計算、存儲、顯示和遠傳的部件。 3.1熱量積分儀的工作原理 本系統中的熱量積分儀通過采集外部進水溫度傳感器的溫度信號、回水溫度傳感器的溫度信號以及管道流量傳感器的流量信號，并通過對這些信號進行處理來計算熱流體從入口到出口所釋放或吸收的熱量，其基本計算公式如下： qm為流經熱量表的水的質量流量，kg／h； qv為流經熱量表的水的質量體積，m3／h； ρ為流經熱量表的水的密度，kg／m3； △h為在熱交換系統的入口和出口溫度下水的焓差值J／kg； τ為時間，h。 圖3所示是本熱量表的原理結構框圖。 系統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。該芯片內含比較器，采樣分辨率可達0.01℃。而且片內自帶LCD驅動模塊，可驅動96段液晶進行顯示。利用片內FLASH還可進行實時數據保存，也可以采用內部時鐘系統進行計時。該芯片為電池供電型測量應用帶來終極解決方案，它可使設計人員能同時連接模擬信號、傳感器和數字器件。 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，工作模式時為250μA／MIPS，待機模式時為0.8 μA，關閉模式(RAM保持)時為0.1μA； 具有五種功率節約模式； 6μs內可從待機模式喚醒； 具有16位RISC體系和125 ns指令周期； 帶有多個捕獲／比較寄存器的16位定時器； 集成有96段LCD驅動器； 帶有串行通信接口(USART)，可通過軟件選擇異步UART或同步SPI； 基本定時器可支持實時時鐘； 帶有節電檢測器； 帶可編程電平檢測的電源電壓管理／監控； 內建可在線燒錄(in-system programmable)閃存，可用于程序代碼的變更、現場升級和資料記錄； 型號系列化，選型范圍廣。 所有的MSP430器件均基于一個正交16位RISCCPU內核，其靈活性在于其具有16個可尋址單周期16位CPU寄存器、27條指令以及7種均采用雙重取數據技術(DDFT)的一致性尋址方式。DDFY可在每個時鐘脈沖內對存儲器進行兩次存取操作，而不再需要復雜的時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，當與現代程序設計技術(如計算分支)以及高級語言(如C語言)一道使用時，MSP430體系結構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。 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。應用MSP430設計的新型熱量表的電氣原理圖如圖4所示。 新型熱量表遠傳通訊接口一般采用RS-485接口或M-BUS接口，以實現遠程控制和集中抄表，這里不再贅述。 4結束語 該熱量表采用整體式結構、單片機自動檢測技術、微功耗設計和無磁非接觸式流量檢測技術，因而該表安裝簡單，無需調試。實際應用證明，利用該方法設計的熱量表性能穩定可靠，使用效果良好。 |
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