基于超聲波技術(shù)的戶用低功耗熱量表的研究

引言：超聲波熱量表是用于劑量熱費(fèi)的新型計量工具，被廣泛地運(yùn)用在各種住宅小區(qū)，居民局，寫字樓和事業(yè)單位蘇浙集中供熱、空調(diào)、供暖等熱量消耗的計量，本文結(jié)合實(shí)際，討論了低耗能超聲波的熱量表的設(shè)計研究，從基本工作原理到軟硬件的設(shè)計入手，探討了熱量表的組成原理，基礎(chǔ)軟硬件的穩(wěn)定性論述了溫度測量原理，流量測量原理，針對原有的儀器設(shè)備存在的問題，提出改進(jìn)措施，提出一種新型熱量表的軟、硬件設(shè)計方案，從軟件和硬件兩個方面考慮低耗能設(shè)計。

一、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,超聲波熱量表伴隨先進(jìn)的測量技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生.由于其自身具有的精度高、安裝方式方便、使用壽命長等特點(diǎn)，逐漸取代傳統(tǒng)的、落后的測量儀器，成為熱量表中的主流產(chǎn)品。成本和功耗是市場競爭中產(chǎn)品方面的首要考慮因素，因此，一款既滿足客戶要求，又能降低成本和耗能的超聲波熱量表，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，本文從工作原理和硬件設(shè)計、軟件設(shè)計方面，提出了一種低成本、耗能低的超聲波熱量表的設(shè)計方案。

二、超聲波熱量表的測量原理

本文提出的低耗能超聲波熱量表主要是模擬美國IT公司的MSP430F448微控

制器，并以此作為主控制器，檢測芯片采取德國GP21芯片，用以檢測介質(zhì)的溫度和流量。并通過電路實(shí)現(xiàn)紅外通信，以便于遠(yuǎn)程和現(xiàn)場抄表以及實(shí)施監(jiān)控調(diào)整。采用液晶顯示器，表現(xiàn)方式方便、直觀。采用單按鍵控制，單節(jié)電池供電。以下是本測量表的具體熱量計算公式、熱量測量、流量測量。

1、熱量計算方法

目前測量表中主要有兩種測量方法，一種是焓差法，另外一種是K 系數(shù)法。本文采用的是前者——焓差法。利用焓差法計測量出液體的流量和溫度，計算出熱量，溫度和流量測量的具體表達(dá)方式為：

注：Q——為吸收或釋放的熱量，單位為J；ρ為流

Qv——流經(jīng)熱量表的水體積流量，單位為 m3/h；△h——進(jìn)出口焓值差，單位為 J/Kg；

2、流量測量方法

質(zhì)量流量和體積流量是最常見的兩種測量方法，質(zhì)量流量的主要特點(diǎn)是不受到來自密度流體和溫度的制約，但是不易測量，因此，一般測量的是體積流量。本文涉及的低耗能超聲波熱量表是基于 愛用U型安裝的測量表，直接確定管道的直徑，通過流量檢測和介質(zhì)流速檢測計算結(jié)構(gòu)，并通過采用超聲波時差法測量。檢測芯片體內(nèi)各國發(fā)送脈沖，通過GP21芯片檢測脈沖，計算從發(fā)送到接受的時間間隔，上下游獨(dú)立檢測一次，公國上下游檢測的時間差、傳輸?shù)木嚯x，計算出介質(zhì)速度超聲波的順流傳播時間，即td和逆流傳播時間，即tu，計算公式為：

注：v 為介質(zhì)速度，c 為超聲波在介質(zhì)中的速度，L傳輸距離。

最終，管道瞬時流量為：

注：△t 為時間差。

3、溫度測量方法

通過阻值不同的電阻對電容放電或充電到電壓值所需要時間不同的原理，見解反應(yīng)電阻阻值大小，即用電泳放電充電法檢測溫度。

三、超聲波熱量表電路設(shè)計

在低功耗的熱量表電路設(shè)計中，首先，要考慮的是單片機(jī)的型號的選擇。選擇單片機(jī)主要考慮因素是開發(fā)環(huán)境和功能，低功耗系統(tǒng)設(shè)計中首要關(guān)注的功能是單片機(jī)本身的提供的節(jié)能措施和耗能因素。其次，在低功耗超聲波熱量表電路設(shè)計中，應(yīng)盡量減少外圍擴(kuò)展的器件，以降低整個系統(tǒng)消耗的功率。在傳統(tǒng)熱量表產(chǎn)品中，系統(tǒng)在休眠時處于斷電狀態(tài)，為了喚醒單片機(jī)，需要通過外部的程序中斷進(jìn)行定時喚醒，因此，傳統(tǒng)熱量表產(chǎn)品多數(shù)設(shè)計了10s 的外部中斷喚醒電路，其框圖如圖所示。但是在單片機(jī)休眠過程中，此部分電路耗能也是相當(dāng)可觀的。

表1：外部中斷喚醒電路框圖

四、智能低功耗熱量表軟件設(shè)計

降低耗能，除了從硬件設(shè)計方面著手以外，還要結(jié)合相應(yīng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計配合。軟件系統(tǒng)主要有中斷服務(wù)器程序、主程序、子程序組成。中斷服務(wù)器是軟件系統(tǒng)的核心設(shè)計，主要負(fù)責(zé)信號采集、處理數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)，這些都是在中斷服務(wù)程序中完成操作的，主程序主要包含有等待中斷喝單片機(jī)的初始化。軟件設(shè)計的功能主要有幾個部分，例如中斷服務(wù)子程序、主程序、測量計算子程序，通訊子程序等等。中斷服務(wù)器的主要功能是通過中斷服務(wù)字程序控制真?zhèn)€系統(tǒng)的工作時序，通過定時器分配熱量表各個功能的執(zhí)行事件，給各功能木塊的軟件標(biāo)志激活相應(yīng)的處理模塊。主程序的功能是對各個子程序協(xié)調(diào)處理，完成對單片機(jī)和外部電子器件的初始化處理，讀取存儲的數(shù)據(jù)顯示給相關(guān)的技術(shù)人員，然后在操作下進(jìn)入功耗狀態(tài)，最后等待響應(yīng)服務(wù)器。主程序受MCU調(diào)用，上電后即時開始進(jìn)入運(yùn)行轉(zhuǎn)臺，首先完成系統(tǒng)初始化，然后初始化各個板塊，進(jìn)而執(zhí)行對應(yīng)的功能指令。最后，是計算及測量的子程序。系統(tǒng)的溫度測量以及流量信號的測量工作主要由GP21 芯片來完成，GP21芯片的功能處理模塊主要有有控制器、運(yùn)算器、寄存器和數(shù)據(jù)處理模塊。

五、結(jié)束語

在完成超聲波熱量表的整體設(shè)計后，筆者通過對比驗(yàn)證了本文的超聲波熱量表在流量的檢測精確度和穩(wěn)定性上更符合大眾的需求，和社會的需要。該款超聲波熱量表的設(shè)計基本上已經(jīng)完善了全部的功能，通過優(yōu)化使得耗能進(jìn)一步降低，具有成本低、耗能低、智能化程度高等特點(diǎn)，可以用電池供電，供電方式方便，適用于廣大住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、寫字樓、企事業(yè)單位的供暖計量和計費(fèi)，具有很好的推廣使用前景。

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作者簡介

伊文君（1984.06—），男，浙江人，通信工程本科學(xué)歷，研發(fā)工程師；研究方向：電子研發(fā)方面，儀器儀表類。