（化工过程机械专业论文）基于msp430单片机的智能热量表的研究.pdf

摘要 摘要 随着热能计费需求的发展，西方的热能表计费方式在国内已有大量的需求， 但进阴热能表的价格高昂，不利于在我国普及。热能表在我国属于新兴产业， 尚处于起步阶段，发展水平明鼓落衙于国外，掰以必矮研制符合我国国情的热 能表。本课题在广泛查阅图内、外相关技术资料、科技文献的基础上，缀过深 入调研，采用最新的元件、电子技术研制出基于m s p 4 3 0 单片机的智能热量表 系统。本课题研究开发的镏能热量表将超低功耗嵌入式单片计算机技术、数字 佬测爨温度技术、无磁传感技本有机结合，是一款新型的热计量仪表，能为用 户与供热公司之间提供准确的收费依据。 本文详细阐述了基于m s p 4 3 0 单片机的智能热量表的研制，包括智能热量 表的总体结构设计；热量表、m - b u s 远程抄表系统的硬件设计及电路实现；热 蹩表控制系统及与上健枧逶信系统的软4 牛耀序设计：智能热量表系统的低功耗 设计、抗干扰性设计：最后按照中华人民共和国国家计量检定规程 j j g 2 2 5 2 0 0 1 初步实验检定基于m s p 4 3 0 单片机的智能热量表。 本文研究的智能热量表实现了对供热系统中流量、温度、热量的测量；l c d 最示热量、流量、湿度等信息；电源停止供电时保存所有数据，恢复供电后正 常计量；与上位机的通信，接收、发送上位机所需的数据信息等功能。基于 m s p 4 3 0 单片机的智能热量表满足中华人民共和国城镇建设行业标准 c j l 2 8 2 0 0 0 热量表豹标猴要求，电源采用内装3 。6 v 铿电洼，经嗣寿命怒过八 年；流量传感器误差限不越过5 ，总体热量表糙度达到2 级精度标准。 荚键谣：热量表；热# b 计算；m s p 4 3 0 ；温度传惑器：s c a ni f ；m - b u s a b s l r a c t a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h en e e do fh e a tm e a s u r i n g ，t h em e a s u r i n ga n dc h a r g i n g m e t h o do ft h ew e s tb e a c a m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a ri no u rc o u n t r y b u t ，t h e i m p o r t e dh e a tm e t e ri st o oe x p e n s i v et ob ep o p u l a r i z e d s on e wh e a tm e t e rm u s tb e d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no f o u rc o u n t r y b e c a u s ei ti san e wi n d u s t r yt ou s ， t h e r ei sag r e a tg a pb e t w e e no u rp r o d u c t sa n dt h eo n e si m p o r t e d t h i sp r o j e c t r e s e a r c h e di n t e l l i g e n th e a tm e t e rb a s eo nm s p 4 3 0m c u t h ei n t e l l i g e n th e a tm e t e r i sal a t e - m o d e lh e a tm e t e r 、i ml o w - p o w e re m b e d d e ds i n g l ec h i p 。t h et e c h n i c o l o g yo f n u m e r i ct e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t , a n dt h et e c h n i c o l o g yo fn o n m a g n e t i cs e n s o r t h i s h e a tm e t e rp r o v i d e se x a c tc h a r g eg i s tb e t w e e nt h eh e a t i n gc o m p a n ya n dt h e c o n s u m e r s t h et h e s i se x p a t i a t e st h er e s e a r c ho ni n t e l l i g e n th e a tm e t e rb a s eo nm s p 4 3 0 ，i t i n c l u d et h eh e a tm e t e rd e s i g no ( h o l i s t i cs t r u c t u r e ，t h eh a r d w a r ea n dc i r c u i td e s i g no f h e a tm e t e ra n dm - b u sa m r s ，t h es o f t w a r ed e s i g no fh e a tm e t e rc o n t r o ls y s t e ma n d c o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e m s ，t h el o w - p o w e ra n da n t i - j a m m i n gd e s i g n f i n a l l y , t h e i n t e l l i g e n th e a tm e t e rb a s eo nm s p 4 3 0m c u w a st e s t e dp r i m a r i l yb ye x p e r i m e n t a c c o r d i n gt o t h ei n t e l l i g e n th e a tm e t e r sh a v ef u n c t i o nw i t ht h em e a s u r ea n dd i s p l a yo fh e a t ， f l u xa n dt e m p e r a t u r e t h e ys a v ed a t aw h e nt h ep o w e rs u p p l ys t o pa n dm e a s u r e n o r m a l l yw h e nt h ep o w e rr e s u m e t h e ya l s oc o l m n u n i c a t i o n sw i t hp cr e c e i v ea n d s e n dt h ed a t ar e q u e s t e db ya m r s a c c o r d i n gt h e ，t h e i n t e l l i g e n th e a tm e t e ri su pt ot h em u s t a r d t h ep o w e rs u p p l yi sl i t h i u mb a t t e r yw i t h 3 6 v , i tw i l lw o r ki n c e s s a n c ye x c e e d8y e a r s a n dt h ee r r o rl i m i to ff l u xs e n s o ru n d e r 5 t h ee r r o rl i m i to fi n t e l l i g e n th e a tm e t e ru pt og r a d e2a c c o r d i n gt ot h ep r e c i s i o n c r i t e r i o no f h e a tm e t e r s k e yw o r d s ：h e a tm e t e r ；h e a tc a l c u l a t i o n ；m s p 4 3 0 ；t e m p e r a t u r es e n s o r ；s c a ni f ； m b u s i i 学位论文独剖性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的硒究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标漉和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获缛壹魑盍堂或箕缝教育税褥豹学蕴或证书面使雳避的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 约说明并表示谢意。 学位论文作畿签名( 瑚2 黟签字嚣期碑”男加 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解巍星盍堂有关保罄、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阕。本人授权直星塞迸可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缭印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学俄论文收录到中国学攮论文全文数据库，并通过网终囱 社会公众掇供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字目期：潮年f 2 月蟛日 导碌整鸯毡如 签字日期：洲年l 月彩睡 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源、背景及研究目的 本课题来源于深圳市科技计划项目“能量表的研制”，课题主要研究和开 发基于m s p 4 3 0 单片机的热量表。新中国成立以来，供热事业有了很大发展，对 国家经济建设、提高人民生活水平和改善环境发挥了重要作用。当前由于我国 建筑物的保温隔热和气密性能很差，供暖系统热效率低，至2 0 0 0 年，全国城市 建筑耗能将占能源生产总量的1 4 ，单位住宅建筑面积采暖能耗为相同气候条件 下发达国家的3 倍。我国实行住房制度改革后，房屋建筑的耗能问题凸现出来， 据统计，目前建筑耗能占全社会总耗能的2 5 以上，其中6 0 * , 6 以上为采暖能耗。 并且供热能源浪费严重，住户供热费用收缴困难，已成为影响我国供热行业生 存和发展的两大难题“1 。长期以来，我国城市集中供热收费的基本情况是供热企 业与热用户之间没有计量仪表，仍按传统落后的建筑面积结算收费，既不科学 又不合理。随着对供热节能研究的深入，热计量与温度控制己成为当前我国暖 通行业关注与研究的热点。 改革开放以来，我国的集中供热事业获得了长足发展。1 9 9 0 年全国集中供 热面积为2 1 亿平方米，1 9 9 8 年达到8 6 亿平方米，1 9 9 9 年我国6 8 8 个城市中， 具有集中供热的城市达到2 8 6 个，集中供热普及率为1 2 2 4 ，其中三北地区的 集中供热普及率为2 9 1 。集中供热是我国最基本的供热方式。，尽管集中供热 是目前最安全、最方便的供热形式，但在使用中凸显的弊端逐渐成为社会进步 和生活质量提高的障碍。首先集中供热投资大，运行成本高，不仅会因设备、 技术、楼层等因素造成温度不均衡，还会因为不能按需供热而造成能源浪费。 其次，集中供热收费一般按面积计算，无论用户是否使用都要交纳相关的费用， 使得用户在使用过程中不注意节约，可关时不关、甚至开着窗户供热等。再次， 集中供热时供热原料在燃烧过程中排放大量有害气体和尘埃，构成大气污染。 鉴于此，分户供暖或集中供暖分户计量在近两年被大力提倡，其最大优势就是 可以根据天气变化自行调节供暖时间及温度，大大提高供暖的自主性，方便用 户控制，原来集中供暖所发生的拖欠供暖费用现象也得到解决。 随着供暖制度的改革，国家建设部在一些城市实施供暖制度改革试点，对 第1 章绪论 热能实行计量收费。供热改革的基本目标是使热能转变为商品，从而在热供应 者和热消费者之间建立明确的商品市场关系；供热改革的另一个目标是通过合 理的热价和收费系统达到供热节能目的”1 。我国政府已经越来越重视引进现代先 进供热管理办法，并进一步加大供暖体制改革力度。不久的将来，供热收费将 全部按照用户实际消费的热量进行收费，这既鼓励用户节省能源，又可减少浪 费和污染，同时也提高整个供热系统的有效运行。基于m s p 4 3 0 单片机的智能热 量表既可用于居民家庭又可用于现代化的中央供暖供冷智能大厦中，摒弃传统 的按面积收费实行按实际热耗量收费，真正做到“用多少热，交多少钱”，用户 可以根据气候经济等条件自行调节，节省热费。在西方经济发达国家，热量表 的应用已经相当广泛，热量作为供热公司与热用户之间收费的计量依据，不仅 已被用户广泛接受，而且起到明显的节能作用，其节能效果可以达到2 0 9 6 3 0 n , 6 5 。 在我国，供暖计量收费势在必行，为此，中华人民共和国建设部于2 0 0 1 年 2 月1 8 日发布“7 6 号令” 8 年 v d c 2 3 a h ，电池寿命：郅年 m i n ：2 7v d c ：n l a x - 4 0 v d cm i n ：1 $ v d c ；m a x ：3 6 v d c 电源电压 电流：8 5 1 0 m b 电流：0 0 0 0 1 4 ) 4 m a 显示l c d ，8 位，专用符号汉字+ 9 位数码+ 多位单位量纲 数据存储 e e p r o mf l a s h 环境温度工作5 5 0 ；存放1 5 - 6 0 温度范围：0 - 1 0 0 1 2 附加输入 2 个可达i h z 的脉冲输入接口， 2 个可达1 h z 的脉冲输入接口，也可作 也可作输出接口输出接口( i h z ，5 0 v d c 5 0 m a ) ，选择 输出接口 ( 1 h z ，5 0 v d c ，5 0 m a ) ，选择匹配匹配 红外光电，m 总线，r s 2 3 2 ，z r - b u s红外光电，m 总线，r s 2 3 2 ，z r - b u s 数据接口 ( 任选) ( 任选) 7 第1 章绪论 1 4 课题研究的意义 为适合市场经济体制运作的要求，同时满足住户对家居生活自动化、安全 化、舒适化的要求，基于m s p 4 3 0 单片机的智能热量表是一种合理、准确的计量 用户用热( 冷) 量的装置，并实现无人抄表，使得住宅小区各住户的热、水、 电、气等表能够自动计量并将数据远传至物业管理中心，由管理中心统一对各 表数据进行录入、计费，有效提高物业管理的自动化程度和水平。 建设部要求2 0 0 0 年以后新建住宅、公建工程的供热室内采暖系统必须设计 为一户一表系统，具有分户控制、分户计量和按户收费等功能；凡原有住宅建 筑的室内采暖补建工程，也必须按供热计量系统设计。这意味着在今后几年内， 全国将需要5 0 0 0 万台热量表投入使用，随着该项工作的不断发展，还要完成对 原有住宅供暖系统的改造，对热能表的需求将有一个巨大市场，热量表的市场 前景非常广阔。同时，远程抄表系统为实现国家建设部在小康住宅标准中提出 的推广应用户外计量( 含水、电、暖、燃气表) 技术提供了有利的保障，并能 够避免计量和收费过程中的各种错计、漏计用量和拖欠费用等现象，也有利于 促进科技进步和新材料的研制，所以基于m s p 4 3 0 单片机的热量表的研究不仅具 有可观的经济效益还有重大的社会价值。 8 第2 章基于m s p 4 3 0 的智能热量表系统结构设计 第2 章基于m s p 4 3 0 的智能热量表系统结构设计 2 1 基于m s p 4 3 0 的智能热量表系统简介 2 1 1 热量表的组成及相关性能指标 中国国家标准j j g 2 2 5 2 0 0 1 热能表检定规程中，热量表的定义：用于测 量及显示热交换回路中载热液体所释放的热量的计量器具。热量表主要以下三 个部分组成：( 1 ) 流量计，用以测量流经热交换的热水流量；( 2 ) 配对温度传 感器，分别测量供暖进回水温度；( 3 ) 积算器，根据流量计和温度传感器提供 的流量和温度，通过热力学公式计算出用户从热交换系统中获得的热量。 热量表作为一种计量器具，是属于国家规定“实行强制检定”的仪表产品， 热量表应满足热量表行业标准c j l 2 8 2 0 0 0 和中华人民共和国国家计量检 定规程j j g 2 2 5 2 0 0 1 中规定的各项指标和相关要求，主要有以下： ( 1 ) 热量表至少显示热量、流量、累积流量、供回水温度和累积工作时间； ( 2 ) 显示小数数位必须有小数点分开；显示分辨力方面：使用时，热量单 位至少为l k w h 或1 m j ；累积流量单位至少为0 0 1m 3 ；温度单位至少为0 11 2 ； ( 3 ) 热量的显示单位必须用j 或者1 1 及其十倍数；累积流量的显示单位 必须用m 3 ；温度的显示单位必须用；显示单位必须标在不被混淆的位置； ( 4 ) 热量表必须能够在最大热功率下持续3 0 0 0 h 无超量程的显示热量；在 最大热功率下工作1 小时，热量表最小位至少进一位； ( 5 ) 热量表应能承受规定温度及压力下的水压强度试验和密封性试验； ( 6 ) 流量传感器的最大压降a p 不应超过2 5 k p a ； ( 7 ) 温度传感器应采用铂电阻温度传感器，如果温度传感器和积算器组成 一体，也可以采用其他形式的温度传感器； ( 8 ) 温度传感器应经过测量选择配对； ( 9 ) 最大温差和最小温差之比应大于1 0 ，供货厂家必须提供最小温差值； ( 1 0 ) 热量表的电池宜采用内装电池，内装电池的使用寿命应大于5 年； ( 1 1 ) t 作电源欠压时，应提示； ( 1 2 ) 工作环境温度：环境a 类：+ 5 + 5 5 ；环境b 类：一2 5 + 5 5 1 2 ； ( 1 3 ) 热量表准确度等级：l 级、2 级、3 级；具体指标如表2 1 和表2 2 。 q 第2 章基于m s p 4 3 0 的智能热量表系统结构设计 表2 1 总量检定最大误差限 1 级2 级 3 级 p ( 州等舢割庐( s h 等舵詈p ( 州等枷s 书 式中：e 相对误差限； a t m 最小温差； a t 使用范围内的温差； o a , 常用流量m y h ； q 使用范围内的流量m 3 h 表2 2 分量检定最大误差限 流量传感器误差限e 。配对温度传感器误差限e 口计算器误差限e g l 盱( 删书且 级 5 配对温度传感器的温差误差应 2 即2 枷z 詈 满足( 0 5 + ，等 ( o 针等 级 对单支温度传感器温度误差应满 且5 足( o 3 0 + 0 o o s t 1 ) c 3 e 。= 土( s + 。s 詈) 级 式中：e 相对误差限； a t i i 。最小温差； at 使用范围内的温差； q p 常用流量m 3 h ； q 使用范围内的流量m 3 h 2 1 2m s p 4 3 0 系列单片机 m s p 4 3 0 单片机是美国德州仪器( t i ) 1 9 9 6 年开始推向市场的1 6 位超低功 耗混合信号处理器( m i x e ds i g n a lp r o c e s s o r ) ，具有以下特点：( 1 ) 低电压、超 低功耗；m s p 4 3 0 单片机电源电压采用1 8 3 6 v 低电压，r a m 数据保持方式下 耗电仅0 1 1 a ，活动模式耗2 5 0 # a i i p s ，i 0 输入端口的漏电流最大为5 0 n a ， 远低于其它系列单片机，并且内部模块可以关闭。另外m s p 4 3 0 单片机采用矢 量中断，支持十多个中断源，并可任意嵌套。用中断请求将c p u 唤醒只要6 z s ， 通过合理编程降低系统功耗，又可对外部时间请求做出快速响应，其应用系统 的一枚电池使用l o 年。( 2 ) 强大的处理能力；m s p 4 3 0 单片机是1 6 位单片机， 某些型号采用1 6 位多功能硬件乘法器、d m a 等先进体系结构，大大增强了数 1 0 第2 章基于m s p 4 3 0 的智能热量表系统结构设计 据处理和运算能力，有效的实现一些数字信号处理的算法。( 3 ) 系统工作稳定； m s p 4 3 0 为工业级器件，运行可靠性高，所设计的产品适用于各种民用或工业环 境。( 4 ) 丰富片内外设；看门狗( w d t ) ，定时器a ( i i m e r - a ) ，定时器b ( 1 - 蚰e r - b ) ， 硬件乘法器，液晶驱动器l c d ，1 0 1 2 位a d c ，直接数据存取d m a ，端口卜6 ( p 1 6 ) ， 基本定时器( b a s i ct u n e r ) ，可在线仿真的f l a s h 内存等，丰富的片内外设为 系统的单片解决方案提供极大方便。( 5 ) 高效的开发方式；国内大量使用的是 f l a s h 型，其片内有3 t a g 调试接口与可擦除f l a s h 存储器，由j t a g 接口控制 程序运行、读取片内c p u 状态，及存储器内容等信息供设计者调试，整个开发 ( 编译、调试) 都可在同一个集成软件环境中进行，只需p c 机和，r a g 调试器， 开发语言有汇编和c 。目前较好的软件开发工具有i a r w o r k b e n c h v 3 4 1 “”。 m s p 4 3 0 单片机可以应用与传统单片机的应用领域，更适合用于一些电池供 电的低功耗产品，如能量表( 水表、电表、气表) 、手持式设备、智能传感器等， 及需要较高运算性能的智能仪器设备。1 r i 公司利用m s p 4 3 0 的超低功耗特性， 针对某些特殊的应用领域推出一些专用单片机，如专门用于水表、气表、热表 等具有无磁传感模块的m s p 4 3 0 f w 4 2 x 单片机，用这些单片机来设计相应的专 用产品，不仅具有m s p 4 3 0 单片机的超低功耗特性，还能大大简化系统设计。 2 1 3 远程自动抄表系统 远程自动抄表系统简称a m r s ( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ) ，是不需要 到达现场就能完成抄读用户消耗量的智能化管理系统。随着计算机、超大规模 集成电路和通讯的飞速发展，a m r s 系统在智能化、低功耗、低成本和通信标准 化设计中发展迅速。a m r s 基本工作原理：利用电子、计算机、网络、传感技术， 对传统电、水、热表等改进成远传表，在户外安装计量系统，将每个计量表传 出的数据送到集中器存储，经过变换送到智能电路单元，并通过数据总线并联， 在总线上任何一点皆可用装有接收卡的计算机直接对话，自动抄收三表数据。 远程自动抄表系统的主要优点： ( 1 ) 远程通信数据传输网络组网方便：可根据实际情况，选用有线或无线 的传输方式，如利用电力载波传输方式、r s - 4 8 5 、总线传输方式等； ( 2 ) 实时或定时自动抄表，减轻人工劳动强度，提高经济效益； ( 3 ) 提高系统的数据准确性，克服人工抄表的不确定因素，提高供水管理 系统的管理水平、经济效益； 第2 章基于m s p 4 3 0 的智能热量表系统结构设计 ( 4 ) 通过上位机管理系统，进行实时监控，查处异常耗能计量表： ( 5 ) 上位机数据数据管理方便，报表自动生成，用户缴费情况详细，查询 方便埘乜”。 远程自动抄表系统设计的原则： ( 1 ) 数据传输可靠性高；保证耗能计量数据可靠的传输至上位机管理系统， 在传输过程中数据不丢失； ( 2 ) 性价比高：保证数据传输可靠的同时要考虑价格，增加市场竞争力； ( 3 ) 维护方便：设计过程中尽量减少集中器的功能，让热表进行数据采集、 信息存储等工作：集中器负责热表、上位机的通信，减小危险集中，维护方便； ( 4 ) 易于系统功能扩展：如扩展成浏览器、服务器模式，使用户方便的在 线查询；还可增加能源管理专家系统，对用户计量表数据进行统计、分析“。 目前的远程抄表系统的通信信道主要包括管理中心与集中器、集中器与采 集器的通信信道，几乎所有a 眦s 系统都采用分布式体系结构。可以采用串行总 线连接各分散的集中器或测量表，实现各节点的互连，常用的模式有低压电力 线载波通信、r s 一4 8 5 网和仪表总线m b u s ( m e t e r - b u s ) 等。 m - b u s 总线( 即m e t e r - b u s ) 应用于底层数据的采集，具有极性可互换、总 线拓扑结构可任意、传输距离远、价格低廉等特点，是专门为消耗测量仪器和 计数器传送信息的数据总线。它是一种廉价家用电子系统( h e s ) ，是用于水表、 电表、气表、热表等各种测量装置的自动抄表总线结构，己成为欧洲标准。m b u s 是一种主从、半双工系统，通信由主机控制，由主机( p c 机和电平转换器组成) 、 从机( 各种仪表) 和两线电缆组成，从机以并联形式连接到电缆上，从机电源 由主机提供，m b u s 形成了自己独特的电平特征“。 2 2 热量表原理 2 2 1 热量计算原理 1 、热量计算的基本理论 热量的计算公式有下面两种形式3 ： q = f ( h i 一吩) 毋 1 2 ( 2 1 ) 第2 章基于m s p 4 3 0 的智能热量表系统结构设计 式中：q 释放的热量，k j , t 时间，s ； 靠流经热量表中载热液体的质量流量，k g s ； 热交换回路中入口温度对应的载热液体的比焓值，k j k g ； 臃热交换回路中出口温度对应的载热液体的比焓值，k j k g ； q = r 七( e 一只) d v ( 2 2 ) 式中：q 释放的热量，j 或k w h ； v 载热液体流过的体积，m 3 ； 口，热交换回路中载热液体入口处的温度，； 晓热交换回路中载热液体出口处的温度，； 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 聊3 或k w h m 3 ； 习惯上，称式( 2 i ) 为焓差法，式( 2 2 ) 为热系数法。根据欧洲标准e n l 4 3 4 ， 热系数的计算采用以下公式： ( 2 3 ) 矿：墨华( 2 4 ) p 式中：r - - - - 4 6 1 5 2 6j ( k g k ) ； 口= o ( 当体积计量位置在入口处) 或晓( 当体积计量位置在出口处) 以= 1 ( 7 1 一一p 1 2 2 矽 ( 2 5 ) 捌 式中：珥，以为常数； 疗= p p ( p 1 6 5 3 m p a ) 。 f = 矿0 ( 矿= 1 3 8 6k ) ： 1 3 曩一母 一一一 哆一够 ： 一矿 k 。一矿 傀 扣 二、狲比 一 札式 第2 章基于m s p 4 3 0 的智能热量表系统结构设计 可以看出，热系数是由焓差计算得来的，焓差法和热系数法本质上是相同 的。 2 、热量计算方法的选取 虽然选用不同的方法带来的热量误差不大，但是不同方法对应系统程序中 不同的计算函数设计方法，如果选择不当，将为计算函数的设计增加难度，降 低程序执行效率。焓差法与热系数法是一致的，但在不同的情况下，应该优先 考虑不同的方法。在测量过程中，为了计算方便，在流量传感器输出质量流量 时，采用焓差法计算；流量传感器输出体积流量时，采用热系数法计算。 根据相关资料与数据，比较不同的热量计算方法后，采用热系数法计算热 量，其计算公式如下： q = v a t 幸k( 2 6 ) 式中：q 释放的热量，j 或k w h ； v 载热液体流过的体积，m 3 ； t 进水温度与回水温度的差( t v t r ) ，1 2 t v 热交换回路中载热液体入口处的温度，； t 热交换回路中载热液体出口处的温度，； 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 一或k w h 皿3 ；k 系数根据k 系数表确定，如表2 3 。 表2 3k 系数值表 量辟协 t r 1 02 03 0 6 07 08 09 01 0 01 8 0t r + 2 5珏 n1 1 6 4 i 1 6 01 1 5 6 1 1 4 01 1 3 41 1 2 7 1 1 2 0 1 1 1 21 1 6 7 2 s 1 01 1 6 51 1 6 0 1 1 5 61 1 4 21 1 3 6 1 1 2 91 1 2 2 1 1 1 51 1 6 31 0 2 01 1 6 31 1 6 21 1 5 61 1 4 11 1 3 51 1 2 91 1 2 21 1 1 51 1 5 82 0 3 0 1 1 6 21 1 6 l1 1 5 91 1 4 11 1 3 6 1 1 2 91 1 2 21 1 1 51 0 4 61 1 5 43 0 4 0 l - 1 6 21 1 6 11 1 5 91 1 5 51 1 4 21 1 3 61 - 1 3 01 1 2 31 1 1 61 0 4 7 1 1 5 04 0 5 01 1 6 2 1 1 6 11 1 5 9 1 1 5 6 1 1 4 21 1 3 61 1 3 01 1 2 31 1 1 61 0 4 81 1 4 6s o 6 01 1 6 21 1 6 l1 1 5 9 1 1 5 61 1 3 7 1 1 3 l2 41 1 1 71 0 5 01 1 4 l 6 0 7 01 1 6 21 1 6 11 1 5 91 1 5 7 1 1 4 31 1 3 21 1 2 51 1 1 81 0 5 l1 1 3 67 0 1 4 第2 章基于m s p 4 3 0 的智能热量表系统结构设计 t 降盈 t r1 02 03 0 6 07 08 09 0 l o o 1 8 0t r + 2 5五 8 01 1 6 21 1 6 21 1 6 0 1 1 5 71 1 4 4 1 1 3 91 1 2 61 1 1 91 0 5 31 1 3 l8 0 9 01 1 6 3 1 1 6 21 1 6 11 1 5 81 1 4 51 1 4 01 1 3 41 1 2 01 0 5 51 1 2 69 0 j 鲫1 1 6 4 1 1 6 31 1 6 11 1 5 9 1 - 1 4 6l - 1 4 i1 1 3 5 1 1 2 9 1 0 5 71 1 2 0j n 口 j 7 狰1 1 7 31 1 7 l 1 1 6 11 1 5 6l 1 5 11 1 4 51 1 3 9 1 7 0 j 矗口1 1 7 41 1 6 4 1 1 5 91 1 5 41 1 4 91 1 4 3xj 8 口 t n + 2 5 1 1 6 71 1 6 31 1 5 91 1 5 5 1 1 4 31 _ 1 3 81 1 3 31 1 2 81 1 2 2 乃 2 51 02 03 06 07 08 09 0j 口口1 8 0 表2 3 是适合冷、热两用的k 系数表，由测量的流量和进回水温度，根据k 系数表值可很方便的计算出热量值。从上图可知，通过进回水的温度值查表得 到k 值有一定困难，对于微处理器来说是比较复杂的过程。但是，在同样的进 水温度下，随着回水温度的变化k 系数值变化不大，所以可利用最小二乘法原 理分别得到在进水温度为1 8 0 ，1 7 0 ，1 6 0 ，1 5 0 1 2 ，3 0 ，2 0 1 2 ，1 0 时关于回水温度t r 的k 系数函数：同时根据上面的k 系数表也可以利用最小二 乘法原理分别得到在回水温度为1 5 0 ，1 4 0 ，1 3 0 ，1 2 0 ，3 0 ，2 0 ， 1 0 时关于进水温度t v 的k 系数函数，再通过线性插值法最终确定k 系数值， 具体算法如下： ( 1 ) 已知t r 、t v ；如表2 3 ，通过最小二乘法分别计算不同回水温度下， 自变量为进水温度的k 系数方程，如：t r = 1 0 时，k = - 2 e - 0 6 t v 2 - 0 0 0 0 3 t v + 1 1 6 8 ； ( 2 ) 计算a ，b ；其中a = t r 1 0 ( 取整) ，b = t r 1 0 ( 取余) ； ( 3 ) 计算得出t 1 ，t 2 ：其中t 1 = a x l 0 ；t 2 = ( a + 1 ) x 1 0 ； ( 4 ) 根据t 1 、t 2 对应的关于t v 的k 系数方程，分别计算得到k l ，k 2 ： ( 5 ) 根据k = k l + b ( k 2 一k 1 ) 1 0 ( 线性插值法) ，计算得出t v 、t r 所 对应的k 系数值。 在同样的进水温度下，随着回水温度的变化k 系数值变化不大，所以上述 1 5 第2 章基于m s p 4 3 0 的智能热量表系统结构设计 算法中先用最小二乘法拟合得到关于进水温度的k 函数，再利用线性插值法得 到t v 、t r 所对应的k 值。此算法下得到的k 系数值有较高准确性，也提高了微 处理器的效率。下面两个图( 图2 1 ，图2 2 ) 分别是t r = 2 5 和t r = 1 0 1 2 时 利用最小二乘法得到的关于进水温度t v 的k 系数函数，其它函数就不一一给出。 l 1 8 1 1 6 1 1 4 1 1 2 1 1 1 吣 1 0 6 廖缈l 雾_ l 鬟荆攀攀辫 戮罐鬻霉溺 。鬟 i l l l ；酝戳。燃瀚。；。；。澎。一l l t o 图2 1t r - - 2 5 c k = - 2 e - 0 6t v 2 0 0 0 0 3t v + 1 1 6 8 1 1 8 1 1 6 1 1 4 1 1 2 ￥ 1 1 1 佣 1 1 0 4 1 1 5 0 t v 图2 2 t r = 1 0 c k = - 2 e - 0 6t v 2 0 0 0 0 3t v + 1 1 6 7 3 2 2 2 智能热量表的工作原理与总体结构 智能热量表由流量传感器、供回水温度传感器及计算、显示装置组成。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，根据与温度相关的热量系 数和体积、温差计算出采暖系统所消耗的热能值，显示载热液体从入口至出口 所释放的热量值。同时智能热量表含有远程抄表系统，具备传输数据和远程供 电能力。热量表系统的工作原理图见图2 3 。 1 6 第2 章基于m s p 4 3 0 的智能热量表系统结构设计 _ 一。一1 ；供水管道； 回水管道； i 图2 3 热量表系统工作原理 2 3m s p 4 3 0 _ w 4 2 7 单片机 2 3 1m s p 4 3 0 f w 4 2 7 单片机的选取 本系统微处理器c p u 采用m s p 4 3 0 f w 4 2 7 单片机，是t i 公司针对电子式流 量与旋转运动检测最新开发的专用眦u 芯片，将超低功耗m c u 、旋转扫描接口 ( s c a ni f ) 和液晶显示l c d 驱动模块结合为一体。m s p 4 3 0 f w 4 2 7 单片机的超低 功耗结构和流量检测模块不仅延长电池的寿命，还提高智能热量表的性能和精 度；另外采用谐振回路作为旋转扫描接口的测量信号传感器，通过测量谐振回 路的不同阻尼系数，大大提高转动流量测量的精确度；采用m s p 4 3 0 f w 4 2 7 设 计的流体测量器具，电路结构也非常简单、可靠，直接取代以往的1 m s 3 7 2 3 b ， m s p 4 3 0 f 、w 2 7 的使用简化系统软硬件设计，提高系统稳定性；m s p 4 3 0 f w 4 2 7 单片机可实现在线编程设计、流量和温度测量电路设计、热冷量自动转换计量 设计、断电保护设计、实时时钟设计、自身检测设计、数据信号传递设计及节 省功耗设计等功能，m s p 4 3 0 f w 4 2 7 系统结构图如图2 4 。 1 7 第2 章基于m s p 4 3 0 的智能热量表系统结构设计 图2 4m s p 4 3 0 f w 4 2 7 系统结构图 2 3 2 基础模块在智能热量表中的应用 1 、时钟模块 m s p 4 3 0 f w 4 2 7 的时钟由高速晶振x t 2 c l k 、低速晶振体l f x t l c l k 、数 字控制振荡器d c o 、增强型锁频环f l l + + 等部件构成。基础时钟模块输出3 种 不同频率时钟：辅助时钟a c l k ，主系统时钟m c l k ，子系统时钟s m c l k 。 a c l k 是l f k t l c l k 信号经1 ，2 ，4 ，8 分频得到，a c l k 是较精确的时钟，用 于各个外围模块的时钟信号；s m c l k 和m c l k 可以来自三个时钟源中任何一个， 也可进行1 ，2 ，4 ，8 分频，m c l k 主要用于c p u 和系统，而s m c l k 主要用于各 外围模块。m s p 4 3 0 f w 4 2 7 的增强型锁频环f l l + + ，可在低频率振荡器的驱动下 得到较高稳定频率，使得系统可快速响应突发事件。合理的处理时钟问题，对 系统的低功耗设计起着重要作用，在本系统程序的设计中使用l m p 3 低功耗模式， 在l m p 3 模式下，c p u 以及数字振荡器d c o 都处于禁止状态，所以m c l k 和 s m c l k 都禁止，只有供给部分外围模块的a c l k 仍保持活动。 2 、基本定时器b a s i ct t m e r 基本定时器b a s i ct t m e r i ( b t ) 根据s s e l 位的选择分频s m c l k 或者a c l k 来提供低频控制信号。b t c t l 控制寄存器包括控制或选择不同运行功能的标志， 1 8 第2 章基于m s p 4 3 0 的智能热量表系统结构设计 当供电电源上电或芯片复位( 1 塔t 小琢i 引脚) 时，看门狗溢出或安全键值发生 错误，寄存器中的所有位保持不确定或不变状态。用户软件通常在初始化时配 置b t 运行条件，基本定时器b a s i ct i m e r l 由两个叠加成一个1 6 位定时器的8 位 定时器组成，系统程序设计中，基本定时器b a s i ct m a e r 主要用于液晶显示l c d 中。 3 、定时器t i m e ra 定时器模块提供一个1 6 位计数器或三个捕获比较寄存器。定时器时钟源 可是内部时钟源t a c l k 0 ( s s e l - 旬时反向或者s s e l = 3 时不反向) ，也可是两 个外部时钟源：a c l k ( s s e l = i ) 或s m c l k ( s s e l - 2 ) 。定时器可被暂停、读 出或写入，也可被停止、连续运行、增计数、增减计数并采用一个比较块来确 定定时间隔。捕获模式通常用于单独测量内部或外部来自上升沿、下降沿或上 升沿和下降沿的任意组合事件；比较模式通常用于为软件产生时序，或为d a 转换功能产生脉宽调制输出信号。远程数据抄表系统利用m s p 4 3 0 f w 4 2 7 单片 机中的定时器，实现远程数据接收与发送功能；流量检测中的s c a ni f 模块也需 要定时器；温度测量部分则利用定时器与比较器实现精度较高的类一a a d 转换 法。 4 、比较器a 比较器a 主要功能是支持精密的斜坡模拟数字转换、电池电压管理和外部 模拟信号检测。比较器a 连接到端口引脚p 1 6 c a 0 ( 正) 和p 1 7 c a l ( 负) ， 通过对c a c t l 寄存器的8 个控制位控制，决定比较器是否连接到供电电源、外 部或内部信号是否作用到正引脚或负引脚上、是否选择比较器输出等。温度测 量部分便是利用比较器a ，结合定时器实现对铂电阻值的精确测量。 5 、看门狗定时器、端口、存储器组织和存储模块 看门狗定时器模块( w d t ) 的主要功能是在发生软件问题后进行控制系统 的重启，如果选定的时间间隔溢出会产生一个系统复位。m s p 4 3 0 f w 4 2 7 有 p 1 ，p 2 ，p 3 ，p 4 ，p 5 ，p 6 端口和公共端口，如c o m 等，其中只有p 1 和p 2 具有中断 能力。p 1 和p 2 由7 个寄存器控制，p x d i r 控制端口的输入、输出方向，p x i e 使能端口的中断，p x i e s ，p x s e l 判定所选引脚是为i o 服务或为外围模块服务， 这四组寄存器需要在使用端口时在程序中定义；其余端口p x i n ，p x o u t ，p x l f g 都是只读端口。基于m s p 4 3 0 的智能热量表系统中主要用到p 1 、p 2 及p 6 端口。 m s p 4 3 0 f w 4 2 7 的存储空间采用“冯一诺依曼”结构，f l a s h 储存空间为 1 9 第2 章基于m s p 4 3 0 的智能热量表系统结构设计 3 2 k + 2 5 6 b o 2 3 3 s c a n i f 模块 s c a ni f 模块是t i 公司设计芯片外围模块，在三表的设计中得到广泛使用， s c a n i f 模块“能够在低功耗下自动检测振荡信号的振幅或者包络线。它由模拟 前端( a l 砸) 、信号处理状态机( p s m )