基于MSP430FW42X单片机超声波热量表的设计

1 热量表的系统原理与结构

1.1 热量表的基本原理

热量表的工作原理：在热交换系统中安装热量表，配对温度传感器分别安装在热交换入口和出口管道上。当水流经系统时，流量传感器发出流量信号，配对温度传感器分别检测出入口和出口温度信号，积算器采集流量、温度信号，根据流量传感器给出的流量和配对温度传感器给出的供回水温度，以及水流经的时间，通过积算器计算并显示该系统所释放或吸收的热量，在实际应用中水的质量都是通过测量水的体积换算得出的，因此热量值的计算可使用下面公式：

式中：Q-释放的热量[J]或[kWh]；V-载热液体流过的体积[m3]；△θ-热交换回路中载热液体入口处和出口处的温差[℃]；K-热系数，它是载热液体在相应温度、温差和压力下的函数[J/m3°C]或[kWh/m3°C]。

上面公式称为k系数法，本文中热能表主要使用k系数法进行热量计算。热量表的工作原理图见图1，超声波基波示意图见图2。

图1 热量表系统工作原理图

图2 超声波基表示意图

1.2 热量表的系统结构

热量表由流量传感器、供回水配对温度传感器及积算器（单片机处理单元）等部件组成。

1）流量传感器。流量传感器是用于采集水流量并发出流量信号的部件。超声波流量传感器采用时差法对流量进行测量，其基本原理是：在测量通道的上游和下游分别安装一只超声波换能器用于超声波信号的发射与接收，上游与下游换能器分别发射超声波信号由另一只换能器接收，由于超声波信号与水流信号叠加，使声波在顺流和逆流时的传播速度不同，因此不同换能器发射的超声波信号在水中的运行时间就不同，通过测量该时间的差值可计算出流体的流速，然后再换算成流量，从而实现了流量的测量。

2）配对温度传感器。配对温度传感器是在同一个热量表上，分别用来测量热交换系统的入口和出口温度的一对计量特性一致或相近的温度传感器。在本热量表中供水、回水管道分别装有Pt1000的热电阻，用来测量供水和回水的温度，由于系统消耗热量与入口与出口的温度差成正比，而与温度的绝对值相差较小，因此使用计量特性一致或相近的一对配对温度传感器即可提高测量精度而对温度传感器的绝对精度可以要求的相对低一些以降低成本。

3）积算器。积算器（又称积分仪）是用来采集来自流量传感器和配对温度传感器的信号，进行热量计算、存储和显示系统所交换的热量值的部件。

2 热量表的软件设计

系统程序主要由主程序、中断服务程序和一系列的功能子程序组成。结构框图如图3所示，其中主程序主要完成系统的初始化、校准、数据计算与存储和开中断等；系统的测量、数据交换等都通过中断来完成。另外，基于MSP430FW42x的热量表的系统是建立在低功耗的基础上，而系统的功耗正比于CPU的工作时间，所以程序结构设计时首先尽量缩短CPU运行时间，利用MSP430的各个工作模式，进行合理的切换。另外，利用I/O口对模块供电进行控制，即根据工作的需要接通相应的功能模块电源。通过对程序结构的设计，对流量的计算还有对温度的测量都不是需要CPU持续工作来测量的，甚至每次执行之间的间隔是相对较长的，同时这些操作任务可由单片机高速运行时短时间完成。所以为了避免单片机在有效运行后的长期处于等待状态，程序结构设计中，在完成测量后要进入低功耗模式LPM3，由定时器或外部中断唤醒，这样极大地降低了系统的待时功耗，做到系统有效运行和电路动态运行时才消耗电流。同时充分利用片内的定时器实现按键和显示程序的延迟，尽量避免指令循环延时；利用单片机的外部中断特性，在程序设计时采用中断方式式。

图3 程序流程图

3 结束语

基于MSP430FW42x的热量表系统实现了热量表的数据采集、运算及控制，整表电气性能稳定可靠、压损小、无堵塞现象并适用于各种以水为介质的热交换系统，所以具有广阔的市场前景和良好的社会效益。(end)