引言：超聲波熱量表是用于劑量熱費(fèi)的新型計(jì)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(jì)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(jì)研究，從基本工作原理到軟硬件的設(shè)計(jì)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(cè)量原理，流量測(cè)量原理，針對(duì)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(jì)方案，從軟件和硬件兩個(gè)方面考慮低耗能設(shè)計(jì)。

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(cè)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(zhǎng)等特點(diǎn)，逐漸取代傳統(tǒng)的、落后的測(cè)量?jī)x器，成為熱量表中的主流產(chǎn)品。成本和功耗是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(jì)、軟件設(shè)計(jì)方面，提出了一種低成本、耗能低的超聲波熱量表的設(shè)計(jì)方案。

二、超聲波熱量表的測(cè)量原理

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

制器，并以此作為主控制器，檢測(cè)芯片采取德國(guó)GP21芯片，用以檢測(cè)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(chǎng)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(cè)量表的具體熱量計(jì)算公式、熱量測(cè)量、流量測(cè)量。

1、熱量計(jì)算方法

目前測(cè)量表中主要有兩種測(cè)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(jì)測(cè)量出液體的流量和溫度，計(jì)算出熱量，溫度和流量測(cè)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(cè)量方法

質(zhì)量流量和體積流量是最常見的兩種測(cè)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(cè)量，因此，一般測(cè)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(cè)量表，直接確定管道的直徑，通過流量檢測(cè)和介質(zhì)流速檢測(cè)計(jì)算結(jié)構(gòu)，并通過采用超聲波時(shí)差法測(cè)量。檢測(cè)芯片體內(nèi)各國(guó)發(fā)送脈沖，通過GP21芯片檢測(cè)脈沖，計(jì)算從發(fā)送到接受的時(shí)間間隔，上下游獨(dú)立檢測(cè)一次，公國(guó)上下游檢測(cè)的時(shí)間差、傳輸?shù)木嚯x，計(jì)算出介質(zhì)速度超聲波的順流傳播時(shí)間，即td和逆流傳播時(shí)間，即tu，計(jì)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(shí)流量為：

注：△t 為時(shí)間差。

3、溫度測(cè)量方法

通過阻值不同的電阻對(duì)電容放電或充電到電壓值所需要時(shí)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(cè)溫度。

三、超聲波熱量表電路設(shè)計(jì)

在低功耗的熱量表電路設(shè)計(jì)中，首先，要考慮的是單片機(jī)的型號(hào)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(jì)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(jì)中，應(yīng)盡量減少外圍擴(kuò)展的器件，以降低整個(gè)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(shí)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(shí)喚醒，因此，傳統(tǒng)熱量表產(chǎn)品多數(shù)設(shè)計(jì)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(jì)

降低耗能，除了從硬件設(shè)計(jì)方面著手以外，還要結(jié)合相應(yīng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)，主要負(fù)責(zé)信號(hào)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(jì)的功能主要有幾個(gè)部分，例如中斷服務(wù)子程序、主程序、測(cè)量計(jì)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(shí)序，通過定時(shí)器分配熱量表各個(gè)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(duì)各個(gè)子程序協(xié)調(diào)處理，完成對(duì)單片機(jī)和外部電子器件的初始化處理，讀取存儲(chǔ)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(shí)開始進(jìn)入運(yùn)行轉(zhuǎn)臺(tái)，首先完成系統(tǒng)初始化，然后初始化各個(gè)板塊，進(jìn)而執(zhí)行對(duì)應(yīng)的功能指令。最后，是計(jì)算及測(cè)量的子程序。系統(tǒng)的溫度測(cè)量以及流量信號(hào)的測(cè)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(yǔ)

在完成超聲波熱量表的整體設(shè)計(jì)后，筆者通過對(duì)比驗(yàn)證了本文的超聲波熱量表在流量的檢測(cè)精確度和穩(wěn)定性上更符合大眾的需求，和社會(huì)的需要。該款超聲波熱量表的設(shè)計(jì)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(jì)量和計(jì)費(fèi)，具有很好的推廣使用前景。

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作者簡(jiǎn)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。