[嵌入式设计]低功耗超声波热量表的设计

1、 毕业设计（论文） 低功耗超声波热量表的设计 院 别控制工程学院 专业名称测控技术与仪器 班级学号 学生姓名 指导教师 2012 年 6 月 15 日 毕业设计（论文） 第 页 超声波低功耗热量表 摘 要 超声波热量表可实现非接触精确计量，非接触测流，仪表造价基本上与被测管道 口径大小无关并且测量结果不受水质影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可 解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量 测量问题，在诸如水量、热量等计量中有着广泛的应用。 本文设计一种用于城镇小区户用超声波热量表，主控芯片采用 msp430 系列微功 耗单片机，流量侦测采用超声波专用流量收

2、发侦测芯片 tdc-gp2 芯片，外接超声波发 射与接收探头，实现顺流与逆流超声波的收发；依据时差法通过测量时差，得出热载 体流速；再扩展相应的接口电路，经由单片机，通过编程对流速度处理实现流量的采 集与处理。进水与回水管道加装铂电阻温度传感器，通过测量进水与回水温度差及流 量，根据 k 系数法或焓值差法计算出热量。最后，利用 m-bus 总线实现热量等数据的 收发，然后通过 lcd 将热量显示在屏幕上。 关键字：超声波，低功耗，msp430,tdc-gp2. 毕业设计（论文） 第 i 页 ultrasonic low power consumption heat meter abstract

3、 non-contact ultrasonic heat meter can achieve accurate measurement, non-contact flow measurement, instrumentation cost essentially nothing to do with the measured pipe diameter size and measurement results from water quality impacts, can be made of non-contact measuring instruments and portable, it

4、 can solve other types meters are difficult to measure corrosive, non-conductive, radioactive and explosive media flow measurement problems, such as water, heat, etc. has been widely used in the measurement. this design method for urban residential household ultrasonic heat meter, master chip power

5、microcontroller msp430 series, dedicated traffic flow detection using ultrasonic transceiver chip tdc-gp2 chip detection, external ultrasonic transmitter and receiver probe, along countercurrent flow with ultrasonic transceiver; basis by measuring the time difference difference method, draw heat car

6、rier flow; further extend the corresponding interface circuit via microcontroller, programmable convection speed processing to achieve traffic acquisition and processing. inlet and return pipe installation platinum resistance temperature sensor by measuring the water and return water temperature dif

7、ference and the flow, according to the k- factor method or the enthalpy difference method to calculate the heat. finally, the use of m- bus data bus transceiver to achieve heat, etc., and then the heat through the lcd display on the screen. keyword：ultrasonic wave，low power,msp430,tdc-gp2. 毕业设计（论文）

8、第 ii 页 目 录 摘 要 .i 目 录 .iii 1 绪论.1 1.1 课题研究的意义背景，国内外研究现状及研究方法 .1 1.1.1 研究的背景与意义 .1 1.1.2 国内外发展现状 .2 1.1.3 课题的研究内容 .5 2 流量 温度 热量测量 .6 2.1 功能要求 .6 2.2 系统构成 .6 2.3 设计要求 .7 2.4 流量测量 .7 2.4.1 时差法超声波流量测量的基本原理.7 2.4.2 时差法超声波流量测量的特点.10 2.4.3 影响时差法测量精度的主要因素.11 2.5 超声波传播时间测量的实现 .11 2.5.1 tdc-gp2 简介.11 2.5.2 td

9、c-gp2 时间测量的工作原理.13 2.5.3 tdc-gp2 的低功耗.14 2.6 温度测量 .14 2.6.1 热电阻测温原理及实现.15 2.6.2 应用 tdc-gp2 测温.18 2.6.3 应用 tdc-gp2 测温的影响因素.19 2.7 热量测量 .19 3 硬件电路设计.22 3.1 硬件设计综述.22 3.2 系统硬件结构设计及工作流程 .22 3.3 单片机选型 .23 3.3.1 单片机选型的要求.24 3.3.2 单片机的介绍.25 3.4 超声波流量测量模块 .25 3.5 温度采集模块 .27 3.6 lcd 显示模块 .29 3.7 键盘输入模块 .29 毕

10、业设计（论文） 第 iii 页 3.8 时钟电路 .30 3.9 微处理器与 tdc-gp2 的接口 .31 3.10 m-bus 通信总线 .31 4 软件电路设计.33 4.1 msp430 的编程语言和编译环境 .33 4.2 软件的总体构成.33 4.3 系统主流程图 .34 4.4 初始化模块.35 4.5 计算子程序.38 4.6 中断程序 .39 4.7 时差测量模块 .39 4.7.1 流量测量.40 4.7.2 温度测量 .41 4.8 键盘及显示模块 .42 结论与展望 .45 参考文献 .47 附录 a 微控制电路原理图.48 附录 b 流量和温度采集电路原理图.49 毕

11、业设计（论文） 第0 页 1 绪论 1.1 课题研究的意义背景，国内外研究现状及研究方法 1.1.1 研究的背景与意义 热量表是测量、计算、并显示热交换系统所释放或吸收的热量量值的仪表。 在我国，是实施城市供热体制改革，推行按热量计量收费的关键设备。当前，随 着工农业的发展，对流体流量和总量的计量及测试提出了越来越多、越来越高。而我 国 城市供热行业形势严峻，能源浪费严重、采暖费收缴困难已成为影响其生存和发展 的两大难题。因此，对供热收费体制和采暖系统进行彻底改革，实现按表分户计量收 费已是势在必行。根据我国建设部 1995 年发布的建筑节能“九五”计划和 2010 年 规划 ，我国住宅集中供

12、热系统到 2010 年将全面实行分户计量和收费制度，相关技术 工作被列为今后研究开发的主要内容。根据发达国家经验，采取分户计量收费措施可 节能 2034。但是，目前国内供热单位没有对各个用户使用的热量进行有效和精 确的测量和计费，这在一定程度上造成资源的极大浪费。在水、电、煤气计费系统日 益普及的今天，按户对热量消耗计量收费可使热费的收取更趋合理，但必须要使用专 门的热量表对热量进行准确的计量。因此，其相关技术的准备工作至关重要。在注重 节省能源，提高经济效益和产品质量的今天，流量计量与测试的重要性就更加突出并 为越来越多的人所认识。特别是随着现代工业生产的飞速发展，人们对流量测量的要 求越来

13、越高，对流量测量技术和仪表的研究和开发也不断深入，流量测量方法和仪表 的种类也越来越多。所以就目前情况来看，国内研究以及市场销售的热量表大都采用 数字机械式结构，即热量表的积算仪为数字仪表，而流量测量部分为叶轮流量计或干 簧管。叶轮带有磁钢，因此对水质的要求高，微量的铁屑和细沙都会急剧降低测量精 度直至在短期内损坏，叶轮轴承的磨损也对测量有较大的影响 12j。 流量仪表一般可分为如下十大类：压差式流量计、浮子式流量计、容积式流量计、 叶(涡)轮式流量计、电磁式流量计、流体振荡式(包括涡街式)流量计、超声流量计、热 式流量计、科里奥利质量流量计和明渠(或非满管)用流量计 i” 。超声波流量计是

14、20 世 毕业设计（论文） 第1 页 纪 70 年代随着 ic 技术迅速发展才开始得到实际应用的一种非接触式仪表与传统的流 量计相比： (1)解决了大管径、大流量及各类明渠、暗渠测量困难的问题。因为一般流量计随 着管径的增大会带来制造和运输上的困难，有不少流量计只适用于圆型管道，而且造 价提高，能耗加大，安装不便。这些问题，超声波流量计均可避免，提高了流量仪表 的性能价格比； (2)超声波流量计对介质几乎无要求。它不仅可以测液体、气体，甚至对双相介质 (主要是应用多普勒法)的流体也可以测量；由于利用超声波测量原理可制成非接触式的 测量仪表，所以不破坏流体的流场，没有压力损失，并可以解决其它类型

15、流量计所难 以 测量的强腐蚀性、非导电性、放射性的流量测量问题； (3)超声波流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、密度、粘度等 参数的影响； (4)超声波流量计的测量范围度较宽，一般可达 20：i|21。近几年来，随着电子技 术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很 快。基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用 领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为测流工作的高精度微功耗时差法 超声波流量计的设计。 相比之下，本文所研究的超声热量表将超声流量传感器和温度传感器相结合构成 户用型热量表，克服了上述困难，且对水质

16、要求较低，不易损坏，使用寿命长。因此 在供热计量领域有更加广阔的应用前景。尤其是在近些年来，流量测量技术和仪表已 经得到了长足的发展。 首选工具目前应用较多的超声波流量计检测方法主要有时差法、多普勒效应法、 相关法、噪声法、波束偏移法等，其中时差法应用最为普遍。超声波流量计的时差测 量法是基于超声波在具有流速的媒质里传播时，其传播时间(速率)会随着媒质流速的变 化而变化的原理来实现媒质流速测量的。 时差法的关键主要是对于时间测量的高精度，近几年来，随着集成电路的高速发 展， 高速时间计数处理芯片不断出现，使得几十皮秒的测量精度变得可能，这也对时 毕业设计（论文） 第2 页 差法超声波流量计的发

17、展产生了极大的推动。 1.1.2 国内外发展现状 超声波流量计是通过检测流体流动对超声波(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。 研究利用超声波测量液体和气体流量已经有数十年的历史。 热量表最早起源于欧洲，德国从 1964 年开始热量表的首次研制工作。最初的热量 表为机械式，流量测量采用孔板、文丘里管等，70 年代后才出现了电子热量表，而电 子式热表也经历了从模拟积分式、电子数字积分式，直到微处理器为基础的智能式的 发展过程。1988 年，国际法制计量组织公布了世界上第一个国际性的标准文件： “oimlr75 号国际建议(internationalrecommendation)热量表(heatm

18、eters)”o 直到九 十年代，户用热量表基本定型，设计趋于一致。1997 年 4 月，欧洲共同体正式通过的 统一热量表标准代号为 enl434。 国外，虽然早在七十年代就实行了分户用热计量收费，但由于实施中困难较多， 至今包括西欧、北欧的一些国家在内，安装户内热量表的比例仍不高。除德国己达 n75一 80夕 b，法国安装户内热量表的用户不 n30，波兰 15一 20，捷克只 有 2一 7，其余大部分都是在单元进口安装热量表，计算该单元总用热量，然后按 户分摊。分摊的方法或是安装热分配表或是按面积分摊。目前国外用户热量表的形式 有带开关控制的热量表：有单片机组成显示功能较多的热量表和由专用电

19、路为主组成 的能显示温度和流量的热量表。从结构形式看，有将热水表与热量表合在一起的一体 式结构和热水表与热量表分离的分体式结构。国外厂家生产的热量表大多是一体式， 用电池驱动，结构紧凑，功能较多。热量表中包含一对温度传感器，对于温度传感器， 国内一些厂家为了单纯的降低成本，采用半导体热敏电阻测温，但由于它对温度量程 和时间的稳定性很差，根本无法满足长期温度测量的精度要求。因此国内厂家也逐步 改进，将国际上普遍采用的铂薄膜热电阻 ptl00、pt500、ptl000(数字表示 0c 时的电阻 值)作为温度传感器。 热量表所带流量计因其流量测量的原理不同而有多种形式。目前，欧洲使用最多 的流量计是

20、机械式，机械式流量计在欧洲已有几十年的制造和使用历史。最近几年， 国外又开发和应用了超声波流量计。从热量表市场来看，机械式热量表呈下降趋势， 超声热量表则在逐年上升。据统计，1996 年两者份额分别是 90和 0，1999 年为 80和 20，2000 年达到 70对 30。欧洲有生产热量表的厂家 1520 家，其中多 毕业设计（论文） 第3 页 数生产机械式流量计热量表，而生产超声波流量计热量表的只有 3，4 家。其中的 kamstrup 公司 1996 年生产超声波流量计热量表 2 万块，到 1999 年就猛增至 10 万块 pj。据国外专家介绍，波兰开始热量计量时全部使用带机械式流量计的

21、热量表，出于 陆续出现问题，现正逐步更换成带超声波流量计的热量表。而后来进行热计量改造的 罗马尼亚、斯洛文尼亚从一开始就采用超声波流量计热量表。在丹麦，尽管政府很重 视供热水质，但机械式流量计也只能运行 5 年左右就要更换。在欧洲，机械式流量计 损坏后，有 50仍更换为机械式，其原因是为迁就原来的热量积算仪；另外 50更换 成超声波热量表。 我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口， 直 到 20 世纪 30 年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，50 年代有了新成仪 表厂(上海仪表厂前身)所开发的文丘里管流量计，60 年代开始涡轮、电磁流量计的生 产。 至

22、今，我国已形成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研究开发和生产的产业，从 事量仪表研究和生产的单位超过 230 家。对于超声波流量计，我国起步同样较晚， 6070 年代机械工业部上海工业自动化仪表研究所、北京大学相继研制；近年若干科 研和生产单位又推出所开发的一些新颖仪表。 上世纪 80 年代中期，国内仪表厂从国外引进专有技术，生产具有 80 年代国际水 平的仪表。我国的超声波流量计研究工作虽然起步较晚，但由于广大科技工作者的努 力和引进国外先进的技术，国产的超声波流量计已开始批量生产并投入使用。目前， 国内超声波流量计生产厂家主要有上海自动化仪表有限公司、南京康创流量计有限公 司、唐山汇中仪

23、表有限公司、唐山大方电子技术有限公司、大连索尼卡电子有限公司、 大连长风电子有限公司、北京衡安特测控技术有限公司等。但是，国内生产的超声波 流量计无论从测量精度上还是测量方法上与国外相比都有一定的差距。如荷兰 instrormet 公司、美国 danniel 公司、controlotmn 公司等厂家生产的超声波流量计在测 量精度上，及便携角度来说都达到了较高的水平。由于超声波流量计测量液体或气体 的独特优点，以及我国现代化建设的突飞猛进，国内对超声波流量计的需求和在超声 波流量测量领域研究的投入都会不断增加，相信在不远的将来，国内的超声波流量测 量计数和产品都会达到世界一流水平。 毕业设计（论

24、文） 第4 页 目前，超声波流量计主要分为单声道和多声道两种类型。单声道超声波流量计是 在 被测管道或渠道上安装一对换能器构成一个超声波通道，应用比较多的换能器是外夹 式 和插入式。单声道超声波流量计结构简单、使用方便，但这种流量计对流态分布变化 适 应性差，测量精度不易控制，一般用于中小口径管道和对测量精度要求不高的渠道。 多 声道超声波是在被测管道或渠道上安装多对超声波换能器构成多个超声波通道，综合 各 声道测量结果求出流量。与单声道超声波流量计相比，多声道流量计对流态分布变化 适 应能力强，测量精度高，可用于大口径管道和流态分布复杂的管渠” 。近年来，国外竞 相开发出经实流核准的高精度带

25、测量管段的中小口径超声流量计，且用双声道或多声 道 以改善单声道测量平均流速的不确定影响量，使测量精度大大提高。传播速度差法超 声波流量计是目前极具竞争力的流量测量手段之一，其测量精度已优于 100,4。多声 道超声波流量计的精度已高于 05。 1.1.3 课题的研究内容 本文围绕时差法超声波流量计测量技术的实现，详细地分析和叙述了系统硬件和 软件各部分的组成和设计原理。 (1)测量元件的选型：热量表需要直接测量的物理量有两个：温度和流量。因此测 量元件的选择主要就是测温传感器、流量传感器的选择。这两个传感器的正确选择对 提高热量的测量起着至关重要的作用。 (2)硬件电路的设计：主要是对温度测

26、量电路、流量测量电路、 、数据存储，结果显 示以及按键的设计。 (3)软件系统的设计：包括主程序流程、流量部分流程、显示部分流程、力求实现 对硬件电路延伸和扩展。 (4)对本测量系统的软件、硬件上的低功耗方面的分析和设计。 毕业设计（论文） 第5 页 毕业设计（论文） 第6 页 2 流量 温度 热量测量 2.1 功能要求 1）设计一种适用于民用与工业用各种口径超声波热量表。 2）实现采暖设备热量精确测量。 3）整机微功耗设计，电池供电。 4）小口径管道（d25mm）流速测量范围 05m3/h 5）大口径管道（d50mm）流速测量范围 030m3/h 6）流速测量精度 0.2m3/h 7）需要对

27、温度进行补偿。 2.2 系统构成 热量表系统由 36v 锂电池供电；系统的控制和处理中枢电路板在正式产品被放 置到管件内部，通过一个按键实现人机交互，两个带有绝缘导线的 ptl000 探头，逆着 水流的方向放置在供热设备的进水 13 和出水口，以便有效采集进水温度和出水温度； 超声换能器被密封在管件的两端，相距大约 687 毫米，换能器信号通过磁环滤波接 到电路板的超声处理端。电路板上留有 jatg 和 bsl 接 151，jatg 接口用来电路的在 线调试和程序的写入以及加密，bsl 是用来产品程序的升级。超声式热量表的硬件电 路主要由以下几个部分组成：msp430f448 单片机、超声波流

28、量测量电路、温度测量 电路、显示电路、m-bus 通讯电路以及程序下载调试接口电路等，整个硬件电路框图 设计如图 2.1 毕业设计（论文） 第7 页 l 流量测量 回路 温度测量回 路 液晶显示jatg/bsl 调试 接口 m-bus 通讯 接口 显示按键 msp430f44 8 图 2.1 硬件电路框图 2.3 设计要求 要求确定微功耗热量表总体设计方案。元器件选型，设计微功耗流量计硬件电路， 编写 c 语言应用程序，进行模块化与系统调试。 2.4 流量测量 流量传感器作为热量表的重要组成部分，其流量检测准确度直接影响热量表的整 体精度。影响流量检测精度的两个重要因素是流量测量管段的机械结构

29、和超声信号的 采集处理，本章主要对超声波流量检测方法、超声信号的采集处理进行论述。在本次 设计中，流量检测方法使用了经典的时差法。 2.4.1 时差法超声波流量测量的基本原理 通过采用两个超声波换能器交替作为发射器和接收器收发超声波，即观测超声波 在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的 一种间接测量方法。管道内部结构简化如下图： 毕业设计（论文） 第8 页 图 2.。4.1 时差法超声波流量测量原理图 图中，换能器 1：逆流换能器； 换能器 2：顺流换能器； l：超声波传播长度，；/sinld d：管内直径； v：介质流速； ：超声波传播方向与流体流向间的夹

30、角。 通过换能器a、b相互间交替收发超声波，当流体以速度v流动时，超声波的实际 传播速度c是声速c和流体在声道方向上的速度分量的叠加，即：cosv (2.1) cosccv 可以分别求出超声波信号在流体中顺流与逆流的传播时间与：t顺t逆 (2.2)21 /sin cos ld tt ccv 顺 (2.3)12 /sin cos ld tt ccv 逆 所以，两式相减得顺流与逆流的时间差 t： (2.4) 222 2cos sincos dv ttt cv 逆 顺 一般情况下，超声波在液体中传播速度在1000m/s以上，而多数工业系统中流体流 速远小于声速，即c2远大于，所以可以略去，故原式可化

31、为 2 v 22 cosv ，即 (2.5) 2 2cos sin dv t c 2 tan 2 c vt d 于是，知道了d、c、，通过测时间差就可以求得流速v。但是，这种方法的问 题是必须知道声音在流体中的传播速度c，而声速是流体温度的函数，随温度的变化而 不断变化。所以，为了消除声速对流速测量的影响，可作如下两种处理。 （1）求顺流与逆流的传播时间之和。 (2.6) 222 /sin/sin2 coscossincos dddc tt cvcvcv 顺逆 由于 c2远大于，所以略去，得 22 cosv 22 cosv 毕业设计（论文） 第9 页 (2.7) 2 sin d c tt 顺逆

32、 再代入(2.5)中，得 (2.8) 2 2 sincos tt vd tt 顺逆 顺逆 （2）求顺流与逆流的传播时间之积。 即，得 22 222222 sincossin dd t t ccv 顺逆 (2.9) 2 2 2 sin d c t t 顺逆 再代入(2.5)中，得 (2.10) 2sincos tt vd t t 顺逆 顺逆 综上，由公式(2.8)或 (2.10)均可求出流速。通过上述的转化，流速的测量可以基 本不受声速的影响。再通过得到的流速 v 可以计算出流量。q 声道上测得的流体流速是线平均流速，而所需测量的是面平均流速，和v vv 之比值称为速度修正系数，以k表示： v

33、(2.11) v k v 速度修正系数k是管道中流体雷诺数red的函数。 在red5000的紊流条件下；k=（1.1190.011）logred； 在red2300的的层流条件下, k=4/3。 毕业设计（论文） 第10 页 red k 1 1.1 1.2 1.3 1.4 102103104105106 层层流流 过过渡渡区区 紊紊流流 图 2.2 k 与 red 的关系图 图2.2表明, 从层流过渡到紊流, 流速修正系数k产生较大的偏移。流速分布变化影 响k值大小。当换能器安装位置的上下游存在弯头、阀门、泵和接头等扰动源时, 使流 速分布偏离或畸变,k值变化较大。因此, 换能器的安装应远离扰

34、动源,且有足够长的直 管段。流速分布应是管道轴对称的充分的紊流条件。 另外, 换能器发射和接收平面中心如果偏离管道中心轴, 会使速度修正系数k降低。 因此, 流量可用下式表达q (2.12) 22 44 ddv qv k 其中， 为管道流通截面积。 2 4d 2.4.2 时差法超声波流量测量的特点 组成简单，主要有换能器和电子电路构成； 不仅对导电的介质，而且对不导电的介质实现无压损测量； 测量不受压力、密度、粘度等参数的影响，输出特性线性范围宽； 采用多声道测量，可在较短的直管道条件下获得较高的测量精度，可测正反两 方向流； 无可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻； 毕业设计（论文） 第11

35、 页 电子电路部分采用微处理器，可进行各种补偿和运算； 灵密度高，可检测到流速的微小变化。由于时差法超声测流量具有许多突出优 点，所以它具有强大的生命力。 2.4.3 影响时差法测量精度的主要因素 在测量流体流量的过程中，有一些因素对于测量精度有很大影响，因此这些问题 在设计过程中需要注意： （1）加工精度及温度变化对机械尺寸的影响。声路角、管道直径 d、声程 l 等机 械参数的加工精度、温度稳定性对流量的测量有直接的影响。在测量过程中，它们会 随着温度的变化而变化。这种误差可以通过精密加工，合理选材以及合理的结构设计 使影响减到最小。 （2）温度变化对流速的影响。超声波的传播速度随流体温度的

36、升高而升高，因而 会给测量带来误差。流体温度变化对精度的影响可以采用温度补偿的方法通过测量流 体的温度和温度补偿数学模型的计算实现自动补偿。 （3）流体中介质以及添加剂对超声波传播速度的影响。因为超声波在不同介质中 的传播速度是不同的，微量添加剂例如某些溶解盐的含量都会对声波速度造成影响， 因此在设计超声波流量测量单元时，要对流体的成分有比较正确的分析。 （4）电子元器件的性能，精度，稳定情况以及电路板的布线等对于测量结果也是 有重大影响的，因此在设计流量测量模块时要充分考虑这些情况的影响。 2.5 超声波传播时间测量的实现 由时差法超声波流量计的基本原理可以知道，时差法超声波流量计的测量精度

37、与超 声波传播时间的准确测量密切相关。只有在既能稳定、准确地测量传播时间又能有效 地对顺、逆流传播时差进行计算的前提下，才谈得上测量精度。所谓超声波传播的时 间，应该是指从发射信号的开始时间起，到接收换能器接收波形的起振点止，两者之 间的这段时间。由于脉冲计数法是一种粗测时方法而且随着高精度计时芯片的出现， 使超声波传播时间的测量变得更加精确与方便。这种芯片可以直接与单片机通讯，并 且具有高精度、低功耗的优势，方便了硬件电路的设计，降低了整机成本和功耗。通 过调研，本课题选用了德国 acam 公司生产的高精度计时芯片第二代产品 tdc- gp2。 毕业设计（论文） 第12 页 2.5.1 td

38、c-gp2 简介 目前计时芯片的基本测时原理如图 2.3 所示，其中计时芯片的 start 和 stop 管 脚，分别是计时开始控制信号和计时结束控制信号的输入脚，它们的触发电平由生产 厂家设定，并且只接收一次触发，即 start 通道中第一个作为 start 信号的脉冲到 来后，该通道则视为关闭，不再接收任何脉冲信号，直到芯片初始化，下一次测量开 始，stop 通道也做相同处理。这种芯片可以直接与单片机通讯，并且具有高精度、低 功耗的优势，方便了硬件电路的设计，降低了整机成本和功耗。如下图 2.3: 图 2.3 计时芯片的测时原理 通过调研，本课题选用了德国 acam 公司的高精度计时芯片第

39、二代产品 tdc gp2，如图 28 是其内部结构图。它具有超高的精度和小尺寸的封装，尤其适合于低 成本的工业应用领域。tdcgp2 具有高精度时间测量单元，高速脉冲发生器，接收 信号使能，温度测量和时钟控制等功能，这些特殊功能模块使得它尤其适合于超声波 流量测量和热量测量方面的应用。这款芯片利用现代化的纯数字化 cmos 技术，将时 间间隔的测量量化到 65ps 的精度，给超声波流量测量及其相关产品的时差测量提供了 完美的解决方案嘲。 芯片主要参数如下： （1）较宽的电压输入范围 i/o 电压：1.8v5.5v；core 电压：1.8v3.6v； （2）四线 spi 接口，高达 1mhz 的

40、数据传输率； （3）较宽的工作温度范围：-40125； （4）内置触发脉冲发生器； （5）内置时钟校准单元，可以对温度变化而引起的门电路传播延时的变化进补偿； 毕业设计（论文） 第13 页 （6）有四个温度测量端口，可以进行温度实时测量； （7）精确的停止脉冲使能窗口，可以容易的实现开窗功能； （8）可以选择接收信号的上升沿/下降沿单独触发或者上升沿和下降沿同时触发。 2.5.2 tdc-gp2 时间测量的工作原理 时差法超声波流量测量的关键是对超声波传播时间的测量，tdc-gp2 是以信号通 过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的。 在本次设计中，tdc-gp2 采用测量范围 2。

41、其特点是： 单通道，典型分辨率可达 50ps； 测量范围 500ns4ms； 间隔脉冲对分辨能力为两个校准时钟周期，可进行三次采样； 输入信号可选择上升沿/下降沿单独触发，或者上升沿和下降沿同时触发； 3 次采样中分别由三个去噪声窗口过滤。 图 2.5 显示了这种测量绝对时间 tdc 的主要构架。芯片上的智能电路结构、担保 电路和特殊的布线方法使得芯片可以精确地记下信号通过门电路的个数。芯片能获得 的最高测量精度基本上由信号通过芯片内部门电路的最短传播延迟时间决定。 图 2.5 tdc 核心测量单元 tdc-gp2内部具有两种测时模式，其中一种称为粗计时模式(coarse count)，采用

42、前面讲过的脉冲计数法，其参考时钟由外部提供；另外一种就是高精度计时模式(fine count)，它是利用信号通过逻辑门的绝对时间延迟来精确量化时间间隔的。也就是说它 计算了在被测时间间隔内信号通过了多少个反相器，如图2.5所示。这种测量方式的测 量结果精度非常严格的依赖于芯片内部的基础逻辑门的延迟时间。利用这种方法，才 有了上面提到的65ps的精度。 毕业设计（论文） 第14 页 如图2.5所示，tdc核心测量单元对start和stop脉冲之间的时间间隔进行测量。 测量单元由start信号触发，接收到stop信号停止。每个门电路的传输延时典型值是 65ps，tdc核心测量单元通过计数在stop

43、脉冲到来之前start信号通过的门电路个数 来获得start与stop信号之间的时间间隔。tdc-gp2芯片内部通过特殊的设计和布线 方法来保证每个门电路的时间延迟严格一致，但这个时间延迟是会随供电电压和温度 而变化的，因此tdc-gp2设计了一个参考时钟用来对门电路的延时进行校准，同时这 个参考时钟也会在被测时间较长时参与时间测量。 由于tdc核心测量单元是对电信号通过的门电路个数进行计数，因此受计数器容 量的限制它的时间测量范围是有限的，最多可测到1.8us，对于被测时间超过这个范围 的应用，tdc-gp2则采取参考时钟测量和tdc核心测量单元相结合的方式来完成。如 图2.6所示 图 2.

44、6 时间测量和校准 tdc 核心测量单元只测量 tfc1和 tfc2，而 tcc则通过数参考时钟的周期数来完成 测量，待测时间 tss便可通过如下计算获得： (2.13)12ssccfcfctttt 每次测量完成后tdc-gp2可以自动对门电路的延时做校准测量，如图2.6中的cal1 和cal2，tdc核心测量单元对参考时钟的周期进行测量，而参考时钟的周期是已知的， 因此由测量结果可反推出来精确的门电路延时。以上的计算、校正都是tdc-gp2自动 完成的，最终经过校正的测量结果将以参考时钟的周期为单位给出，以方便用户计算。 2.5.3 tdc-gp2 的低功耗 毕业设计（论文） 第15 页 2

45、.6 温度测量 温度敏感元件采用德国进口的铂电阻 pt1000。它是检测温度参数的配对温度传感 器，在最小的温差下配对误差小于 0.105。1000 时的温度特性示于下式： 当温度小于 0时，铂电阻的阻值与温度的关系式为： (2.13) 23 01(100)trratbtct t 当温度在 0630.75的温度范围内，关系式为： (2.14) 2 0(1)trratbt 式中： 工作环境的温度，； r00时标称电阻，。 rtt时标准电阻，。 其中 a=3.9080210-3/；b=-0.58019510-6/；c=-4.273510-12/。 铂电阻温度分度表见表 3.1 表 2.1 铂电阻温

46、度分度表 0123456789温度 电阻值（欧姆） 0 10 20 30 40 1000.000 1039.025 1077.935 1116.729 1155.408 1003.908 1042.921 1018.820 1120.602 1159.270 1007.814 1016.816 1085.703 1124.474 1163.130 1011.720 1050.710 1089.585 1139.950 1166.989 1015.624 1054.603 1093.467 1132.215 1170.847 1015.527 1058.495 1097.347 1136.083

47、 1174.704 1023.429 1062.385 1101.225 1139.950 1178.560 1027.330 1064.274 1105.103 1143.817 1182.414 1035.128 1070.162 1108.980 1147.681 1186.268 1035.128 1074.049 1112.855 1151.545 1190.120 50 60 70 80 90 1193.971 1232.419 1270.751 1308.968 1347.069 1197.821 1236.257 1274.578 1312.783 1350.873 1201.

48、6701 240.095 1278.404 1316.597 1354.676 1205.518 1243.931 1282.228 1320.411 1358.477 1209.364 1247.766 1286.052 1324.222 1362.277 1213.210 1251.600 1289.874 1328.032 1366.077 1217.054 1255.432 1293.695 1331.843 1369.875 1220.897 1259.264 1297.515 1335.651 1373.671 1224.739 1263.094 1301.334 1339.458

49、 1377.467 1228.579 1266.923 1305.152 1343.264 1381.262 2.6.1 热电阻测温原理及实现 （1）电阻电桥测量法 一般 pt 测温电阻测量电路有两种方式，一种是利用恒流源供电，如图 3.1 所示， 另外一种就是采用恒压源供电，如图 3.2 所示： 毕业设计（论文） 第16 页 图 3.1 铂电阻测温电路(1) 电桥输出电压为： (2.15) 2 () 22 outct tc ir vrr rrr 当rrc，rt成立时，有 (2.16) () 2 outct i vrr 测出 vout 即可求出 rt 的值。 图 3.2 铂电阻测温电路(2)

50、电桥输出电压为： (2.17) () ()() tccc out tc r rr v v rrrr 由此式可以得出热电阻的阻值rt，从而由式(3.2)求出温度。但是这种测量方法需要 恒压源或恒流源供电，功耗大，不满足本课题微功耗的要求。 （2）电容充放电法 毕业设计（论文） 第17 页 利用通过不同阻值的电阻对同一电容充电或放电到某一电压值时所需时间不同的 原理，来间接反映电阻阻值大小的方法。其测量原理如图3.3所示。 图3.3 电阻型传感器阻值的测量原理电路图 充放电法大都是在单片机的基础上实现的，利用单片机内部集成的模拟比较器和 定时器等模块，完成充放电的控制和充放电时间的测量。工作过程如

51、下：电路连接如 图3.3所示，被测电阻rsens连接在单片机p口的某根口线和模拟比较器的一个输入端(+)； 参考电阻rref放在p口的另一口线和模拟比较器的同一输入端；同时在比较器的输入端 接一电容到地。这时通过控制p口的两个端口来控制通过rsens或rref对电容充放电。而模 拟比较器的输入端(+)电压就会因电容充放电而变化。如果先被测电阻充放电，再参考 电阻充放电，则由于两电阻阻值不一样，而引起充放电时间也不一样，如图3.4所示： 图3.4 模拟比较器正端电压 选择模拟比较器的另一个模拟输入端(-)连接到单片机内部参考源0.25vcc。先通过 毕业设计（论文） 第18 页 电阻对电容充电一

52、段时间，然后放电。那么每当模拟比较器的正端电压下降到0.25vcc 时会输出比较器信号caout。在放电开始时间记录下定时器的值tar，当模拟比较器 输出信号caout时，让定时器发生捕获，再次读入定时器值，则两次读出的定时器值 之差就是接某电阻时的放电时间。如果被测电阻与参考电阻的放电时间(tsens和tref)都知 道，因放电曲线近似直线，所以可近似为： (2.18)/sensrefsensrefrrtt 由此可得： (2.19)(/)senssensrefrefrttr 本课题决定采用该种方法实现热量表的温度测量功能，同时经过分析，采用这种 方法使系统的设计得以大大简化。它将铂电阻阻值的

53、测量问题转换成了时间的测量问 题，从而使温度的测量精度取决于电容充放电时间的测量精度。 2.6.2 应用 tdc-gp2 测温 tdc-gp2内部集成的温度测量模块也是利用电容充放电原理进行温度测量的，其 温度测量电路如图所示： 图2.5 tdc-gp2测温电路图 tdc-gp2内部有4个温度寄存器测量端口，其功能如下： pt1 低温基准电阻器； pt2 低温感应电阻器； pt3 低温感应电阻器； pt4 高温基准电阻器。 毕业设计（论文） 第19 页 如电路图所示，tdc-gp2 最多可以测量两对传感器和参考电阻，也就是说在超声 波热量表设计时，可以满足分别测量冷端和热端水温。这个温度测量单

54、元的精度可以 达到 16 位有效精度，相当于 0.004。实际上这个温度测量单元的原理是通过测量温 度电阻传感器对参考电容的放电时间的变化实现的，原理同样为时间测量，测量所需 的传感器是 pt500 以上铂电阻。 tdc-gp2 使温度的测量变得如此简单，更为重要的是采用 tdc 进行温度测量与 采用 a/d 转换器进行温度测量相比，其电流消耗极低。进行一次完整的温度测量（2 个传感器，2 个基准电阻） ，包括所有的计算在内，其功耗小于 2.5a s。进行一次 30s 的温度测量（热量表的典型温度测量时间） ，测温模块的平均电流消耗只有 0.085a。 这比其它测量方法的功耗的 1/50 还要

55、小。 2.6.3 应用 tdc-gp2 测温的影响因素 （1）铂电阻引线电阻的影响。铂电阻在接入测温电路中时，引线电阻同时也被作 为测温电阻的一部分引入了电路中，当测温点距离热量表渐远时，该引线电阻已经不 可小视，而且其阻值还受环境温度的影响，不断的发生变化。目前常用的解决办法就 是采用三线制、四线制铂电阻测温方案，它可在很大程度上消除引线电阻的影响。 （2）制造工艺带来的铂电阻值离散性。由于制造工艺等原因使铂电阻在温度相同 时出现电阻值不完全相同的现象，即离散性。因此铂电阻传感器必须通过配对试验进 行配对之后再使用。 （3）安装精度的影响。安装铂电阻传感器的探头要超过管道的中心，使其充分接

56、触热载体。在热量表温度探头的使用过程中要注意保护导线的绝缘。在导线的接头端 与其他的导线接头时要可靠链接，不能使接触电阻过大。 （4）在设计电路时应使铂电阻的电流不大于 1ma，防止电流通过时铂电阻自身产 生的热量影响测量精度，即所谓的自热效应。 2.7 热量测量 热量表是一种适用于测量在热交换环路中的载热液体所吸收或转换热能的仪器， 热量表用法定的计量单位显示热量。热量表由流量传感器、配对温度传感器及积算仪 三部分组成。流量传感器的作用是测量热介质流过热循环系统的体积值；配对温度传 感器的作用是检测计算热循环系统进出口热介质的温差；积算仪的作用是根据流量传 毕业设计（论文） 第20 页 感器

57、的体积信号和配对温度传感器的温差信号计算出消耗的热能值。 热量表又称热能表、热能积算仪，既能测量供热系统的供热量又能测量供冷系统 的吸热量。将一对温度传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上，流量计 安装在流体入口或回流管上（流量计安装的位置不同，最终的测量结果也不同） ，流量 计发出与流量成正比的脉冲信号，一对温度传感器给出表示温差的模拟信号，热量表 采集来自三路传感器的信号，利用热量积算公式算出热交换系统获得的热量。 2.7.1热量计算方法 微功耗超声波热量表采用了焓差法计算热量，它的优点是数据存储空间少，虽然 它的计算较为复杂，但得益于今日单片机高速运算能力的发展，这个缺点便得以解

58、决。 传热量一般由载热流体的质量、比热容和温度变化等因素决定。对热量表来说， 进出口的焓值还与时间成比例。根据热力学理论，热交换系统释放（或吸收）的热量 计算表达式为： (2.20) 00 tt mv tt qqhdtqhdt q-释放或吸收的热量，j、mj 或 kwh、mwh -流经热量表的水的质量流量，kg/h，是可测物理量体积流量（v） 、密度（） m q 的函数。 -流经热量表的水的体积流量，m3/h v q -流经热量表的水的密度，kg/m3 -在热交换系统的入口和出口温度下，水的焓值差，j/kg h t-热量交换时间，单位为 s 本课题设计的热量表也是采用了焓差法来实现热量计算的。

59、基于式(3.8)的积分运 算是不好在单片机内实现的，一般的处理方法就是，每隔一定时间进行一次热量计算， 然后将其累加得到总的累计热量，从而避免复杂的积分运算过程。而在一定的时间段 内热交换系统所释放的热量可以通过该时间段内流过系统的水的热量的变化量得到。 (2.21)()pmpmrcqc qc q 式中：-定压比热容，单位为jkg；pc -热交换系统入口水温，单位为；r 毕业设计（论文） 第21 页 -热交换系统出口水温，单位为。c 本课题所设计的超声波热量表流量传感器直接测出的是体积流量，因此要把它换 算成质量流量，根据公式。但是在热量表系统中，温度是个变量，而水的密度 mvqq 又是随温度

60、的变化而变化的，因此为了提高热量的计算精度，要考虑对密度变化的 补偿。此处将系统入口和出口的温度分别考虑，由此，式(3.9)转化为： (2.22) rvcvqcqcq 为了简化软件设计，此处引入热焓值（h）的概念，水的热焓值就是单位质量的水 所含有的热量，即。故式(3.10)可简化为：phc (2.23)()vrrccqq hh 热焓值也与介质的成份温度有关，根据采集的温度值，利用查表的方法求得密度 和焓值。当温度不是整数时，采用线性插值的方法得其值。城镇建设行业产品标准 热量表(cj128-2000)在附录中给出了水在不同温度下的密度和焓值表。本系统即采 用式(2.23)利用单片机编程实现热