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

　　0 引言

　　我國(guó)地域廣闊，人口眾多。房屋建筑規(guī)模巨大，住宅建設(shè)量大而且面廣，至今仍呈上升趨勢(shì)，而且這個(gè)上升趨勢(shì)還將持續(xù)20～30年。在這種情況下，把"大鍋飯"式的采暖包費(fèi)制，改為按實(shí)際使用熱量向用戶(hù)收費(fèi)，無(wú)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(shè)計(jì)方法。該熱量表是一種分戶(hù)熱量計(jì)量裝置，它由無(wú)磁熱水流量計(jì)、溫度傳感器和微功耗單片機(jī)組成的積算儀等三部分組成。儀表安裝在系統(tǒng)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(shí)間內(nèi)用戶(hù)所消耗的熱量為所供熱水的流量和供回水的焓差乘積對(duì)時(shí)間的積分。熱量表利用該原理并通過(guò)熱水流量計(jì)測(cè)量逐時(shí)流量并用溫度傳感器測(cè)量逐時(shí)供回水溫度，再將這些數(shù)據(jù)輸入積算儀進(jìn)行積分計(jì)算，就能得出用戶(hù)所用的熱量。

　　1熱量表的流量檢測(cè)

　　1.1 多流無(wú)磁熱水流量計(jì)

　　所謂流量，就是在單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)熱量表的熱載體(水)的體積或質(zhì)量。本系統(tǒng)中的流量檢測(cè)單元是用來(lái)測(cè)量流量的裝置，它能輸出與流量大小成比例的脈沖信號(hào)給積分計(jì)算單元。

　　多流無(wú)磁熱水流量計(jì)的結(jié)構(gòu)主要由熱水表表殼底座、導(dǎo)流座、濾網(wǎng)、葉輪盒、出水導(dǎo)流座、傳感器感應(yīng)膜片等組成。其工作原理是：熱水進(jìn)入表殼底座，經(jīng)導(dǎo)流座、濾網(wǎng)后流進(jìn)葉輪盒沖動(dòng)葉輪盤(pán)旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)出水導(dǎo)流座流出表外。葉輪盤(pán)上端的傳感器感應(yīng)膜片與傳感器作相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以輸出與流量大小成線(xiàn)性比例關(guān)系的脈沖信號(hào)給積分計(jì)算單元。 多流無(wú)磁熱水流量計(jì)殼體采用優(yōu)質(zhì)黃銅，經(jīng)硬模鑄造、鍛造、數(shù)控機(jī)床加工后，要求其機(jī)械強(qiáng)度好、尺寸精度穩(wěn)定一致。機(jī)芯部分可選用進(jìn)口耐熱、耐磨工程塑料和元件，并應(yīng)使用壽命長(zhǎng)、計(jì)量精度高。整表的耐壓強(qiáng)度、測(cè)量誤差、壓力損失等要完全符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　多流無(wú)磁熱水流量計(jì)不同于一般的熱水表，它應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

　　發(fā)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(lèi)雜物而影響精度和易受外磁場(chǎng)干擾等現(xiàn)象，無(wú)磁的含義也由此而來(lái)。 ◇機(jī)芯部分在表殼內(nèi)可360°旋轉(zhuǎn)，可適應(yīng)熱量表不同安裝位置。

　　流量計(jì)的機(jī)芯和上殼體可組成完整可拆卸的計(jì)量機(jī)構(gòu)總成，便于安裝維護(hù)。

　　機(jī)芯選用耐熱、耐磨的工程塑料和元件，使用壽命長(zhǎng)、計(jì)量精度高，適于熱水工況。

　　1.2流量傳感器

　　流量傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)外形見(jiàn)圖1所示。它由固定在同一個(gè)軸上的兩個(gè)葉輪盤(pán)組成，并由一個(gè)齒輪組驅(qū)動(dòng)。為了簡(jiǎn)單，齒輪在圖1中未畫(huà)出。當(dāng)有水流動(dòng)時(shí)，齒輪帶動(dòng)兩個(gè)葉輪盤(pán)旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)葉輪盤(pán)是由非導(dǎo)體材料組成的，每個(gè)葉輪盤(pán)的表面有一半面積涂敷著銅或其它金屬導(dǎo)體材料，在兩個(gè)葉輪盤(pán)安裝有互成120°的三個(gè)獨(dú)立感應(yīng)器，當(dāng)敷銅層通過(guò)感應(yīng)器上方時(shí)，葉輪的旋轉(zhuǎn)信號(hào)即可被檢測(cè)出來(lái)。

　　1.3傳感器硬件電路

　　圖2為感應(yīng)式傳感器的硬件電路原理圖。電路中的感應(yīng)器被安裝在兩個(gè)機(jī)械葉輪盤(pán)之間(見(jiàn)圖1)，每一個(gè)傳感器均具有對(duì)應(yīng)的信號(hào)選通線(xiàn)和共用的觸發(fā)信號(hào)線(xiàn)，每路晶體管的集電極輸出應(yīng)連接在一起。

　　在觸發(fā)端(TRIGGER)施加一個(gè)正脈沖時(shí)，即可將相應(yīng)的同步選擇線(xiàn)(SELECT)置為低電平，同時(shí)起動(dòng)被選擇的LC振蕩器。當(dāng)葉輪盤(pán)上的敷銅層不在感應(yīng)器上方時(shí)，振蕩在持續(xù)一段時(shí)間后即會(huì)消失，即無(wú)阻尼振蕩；相反，當(dāng)葉輪盤(pán)上的敷銅層在感應(yīng)器上方時(shí)，振蕩則持續(xù)很短時(shí)間就消失，即阻尼振蕩，這是因?yàn)殂~層吸收了儲(chǔ)存在感應(yīng)器內(nèi)的能量。以上兩種振蕩狀態(tài)即可在傳感器輸出端(SENSOR-OUT)輸出數(shù)量不等的脈沖上升沿和下降沿。其中無(wú)阻尼振蕩時(shí)有一個(gè)脈沖上升沿和下降沿。而阻尼振蕩時(shí)則有二個(gè)脈沖上升沿和下降沿。根據(jù)以上分析，三個(gè)感應(yīng)器將在傳感器輸出端(SENSOR-OUT)輸出脈沖流，積分儀通過(guò)軟件處理這些脈沖流，即可計(jì)算出系統(tǒng)的流量。

　　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(diào)變化的特性來(lái)測(cè)量溫度。厚膜鉑電阻元件的感溫材料是鉑膜導(dǎo)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(gè)器件由Pt1000感溫元件、引線(xiàn)電纜和不銹鋼保護(hù)管構(gòu)成，經(jīng)過(guò)測(cè)試和精確配對(duì)可制成熱表專(zhuān)用溫度傳感器。

　　鉑電阻溫度傳感器安裝在熱交換系統(tǒng)中，用于采集水溫并發(fā)出溫度信號(hào)。溫度傳感器的探頭保護(hù)管采用導(dǎo)熱良好且堅(jiān)固耐磨的材料制造。

　　在同一熱量表上應(yīng)采用"配對(duì)溫度傳感器"，即分別用來(lái)測(cè)量熱交換系統(tǒng)的入口和出口溫度的溫度傳感器的計(jì)量特性應(yīng)當(dāng)一致或相近。

　　與Pt1000厚膜鉑電阻配對(duì)溫度傳感器是熱量表的重要組成部分，是測(cè)試溫度及完成熱量計(jì)算的基礎(chǔ)元器件，其測(cè)量范圍為-20℃～+150℃。

　　D00系列Pt1000元件是上海都華實(shí)業(yè)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(yīng)速度快、引線(xiàn)電阻影響小等特點(diǎn)。