高小明 彭 勇 楊 程

(西南科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

熱能表主要用于測(cè)量供暖系統(tǒng)在室內(nèi)釋放的熱量值。隨著供熱計(jì)費(fèi)體制的改革，機(jī)械式熱能表、超聲波熱能表及電磁式熱能表等不斷涌現(xiàn)，其中超聲波熱能表以其測(cè)量準(zhǔn)確及性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為主流產(chǎn)品。

筆者利用超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)，順?biāo)鱾鞑ニ俣扰c逆水流傳播速度之差計(jì)算流體流速，從而計(jì)算出流體流量[1，2]；同時(shí)結(jié)合進(jìn)水與回水的溫度之差計(jì)算熱能消耗量[1,3]，以STM8L超低功耗微控制器和時(shí)間計(jì)數(shù)器GP22作為主控芯片，設(shè)計(jì)低功耗超聲波熱能計(jì)量表。

1 測(cè)量原理①

目前的供暖系統(tǒng)幾乎全部采用熱水流動(dòng)方式進(jìn)行熱量交換，熱量計(jì)算取決于流過(guò)室內(nèi)管道的熱水流量F和流入室內(nèi)與流出室外的溫度差ΔT，因此熱能表的硬件主要由流量傳感器配以溫度傳感器實(shí)現(xiàn)。流量計(jì)算通過(guò)檢測(cè)超聲波在水中的速度變化率來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，A、B兩個(gè)超聲換能器分別安裝在水管上側(cè)，超聲換能器中心距離為L(zhǎng)，管徑為D。

圖1 超聲波流量測(cè)量的結(jié)構(gòu)與原理

當(dāng)超聲換能器A發(fā)射超聲波時(shí)，超聲波經(jīng)過(guò)兩個(gè)反射面后，超聲換能器B接收到超聲信號(hào)；反之亦然。從超聲換能器A到B，超聲波傳輸(逆流)的時(shí)間：

(1)

從超聲換能器B到A，超聲波傳輸(順流)的時(shí)間：

(2)

超聲波從超聲換能器A到B或從B到A傳輸?shù)目偩嚯x為2S+L，因而只要測(cè)出tAB或tBA抵消掉V超聲，計(jì)算出水流速度V水流。最后根據(jù)管徑計(jì)算得到流量F，即：

(3)

溫度差ΔT可以通過(guò)安裝在進(jìn)水管和回水管的兩個(gè)熱電阻來(lái)檢測(cè)，其數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

Q=C·M·ΔT=C·F·ρ·ΔT

(4)

式中C——水的比熱容；

M——水的質(zhì)量；

ρ——水的密度。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

超聲波熱能表的硬件由超聲換能器、溫度傳感器、信號(hào)檢測(cè)電路、微控制器系統(tǒng)和顯示器件組成，并備有數(shù)據(jù)通信接口(如紅外通信接口及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口等)，以方便檢測(cè)數(shù)據(jù)的上傳，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表功能。超聲波熱能表的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 超聲波熱能表硬件結(jié)構(gòu)框圖

微控制器采用超低功耗的STM8L152C8，采用超低漏電工藝和優(yōu)化的體系結(jié)構(gòu)，具備4種超低功耗工作模式，可以滿足6μA以內(nèi)需要連續(xù)監(jiān)控的應(yīng)用，特別適用于各類檢測(cè)儀表。

3 電路

3.1 流量/溫度檢測(cè)模塊電路

流量/溫度檢測(cè)模塊結(jié)合超聲換能器和熱電阻對(duì)水管內(nèi)的水流量和溫度進(jìn)行檢測(cè)[4]。系統(tǒng)采用專用集成芯片GP22，該芯片通過(guò)SPI接口進(jìn)行配置，能夠單獨(dú)實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)的發(fā)射，接收延遲的計(jì)算，集成了超聲波熱能表所需要的信號(hào)處理模擬部分，如模擬開(kāi)關(guān)和低噪聲斬波穩(wěn)定(自動(dòng)校正溫度電壓)模擬信號(hào)比較器，其內(nèi)部集成了溫度測(cè)量所需的施密特觸發(fā)器，使其雙通道測(cè)量精度達(dá)到45ps，溫度檢測(cè)分辨率達(dá)0.001 5℃，實(shí)現(xiàn)了更高的集成度、更低功耗和更高精度的超聲波熱能表方案。流量/溫度檢測(cè)模塊的電路如圖3所示。

圖3 流量/溫度信號(hào)檢測(cè)電路

GP22的fire_up和fire_down引腳通過(guò)兩個(gè)電阻驅(qū)動(dòng)超聲換能器。接收端通過(guò)兩個(gè)電容將超聲回聲信號(hào)耦合到GP22的模擬輸入端口，此處采用COG電容來(lái)保證較高的溫度穩(wěn)定性，繼而保證回聲信號(hào)的穩(wěn)定性[5～6]。芯片內(nèi)還集成了時(shí)鐘標(biāo)定功能，克服了外部陶瓷晶振在不同環(huán)境下的溫漂，并且僅在測(cè)量時(shí)才啟動(dòng)外部時(shí)鐘工作，降低了系統(tǒng)功耗[7～9]。

3.2 微控制器系統(tǒng)電路

微控制器采用低功耗的STM8L052R8，該芯片集成了LCD顯示接口，設(shè)有54個(gè)通用I/O端口，自帶SPI接口可以直接與流量/溫度測(cè)量模塊連接，同時(shí)該芯片還有多達(dá)28個(gè)12bit的DAC輸入端口，可以實(shí)現(xiàn)電池電量的檢測(cè)等功能[7]。低功耗STM8L052R8微控制器部分的電路如圖4所示。

圖4 微控制器系統(tǒng)電路

由于該微控制器芯片內(nèi)部自帶有16MHz的RC振蕩器，因此省略了外部系統(tǒng)時(shí)鐘，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的功耗，同時(shí)配備了一個(gè)32.768kHz外部石英晶體，提供給系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘使用。該系統(tǒng)的其他I/O端口設(shè)計(jì)用于按鍵輸入、電機(jī)控制、LED指示燈及電源控制等。

3.3 電機(jī)閥驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)閥用于控制熱水流量，并根據(jù)進(jìn)水與回水的溫差判斷室內(nèi)熱量需求，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)熱能的供給量，從而節(jié)約能源。系統(tǒng)采用了一個(gè)H橋來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)，通過(guò)單片機(jī)的端口和閥門限位檢測(cè)實(shí)現(xiàn)電機(jī)閥的開(kāi)/閉功能，其電路如圖5所示。

圖5 電機(jī)閥驅(qū)動(dòng)電路

3.4 系統(tǒng)外圍電路

系統(tǒng)外圍電路主要包括按鍵、紅外通信接口、LCD顯示器接口、電源檢測(cè)及電源控制等，用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同工作。系統(tǒng)顯示器是定制的LCD，并對(duì)內(nèi)部顯示字符進(jìn)行了特殊標(biāo)定，如圖6所示。系統(tǒng)還配備了紅外通信接口，通過(guò)相應(yīng)的協(xié)議，與手持抄表設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，自動(dòng)完成抄表功能。紅外系統(tǒng)的電路如圖7所示。

圖6 LCD字符標(biāo)定

圖7 紅外接口電路

圖7所示的紅外接口電路中采用了兩個(gè)三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管工作，利用微控制器的一個(gè)端口產(chǎn)生38kHz載波信號(hào)驅(qū)動(dòng)Q7通斷，利用TXD端口驅(qū)動(dòng)Q8進(jìn)行載波編碼，實(shí)現(xiàn)載有數(shù)據(jù)信息的紅外發(fā)射。紅外接收端利用Q9進(jìn)行電源控制，僅在需要接收數(shù)據(jù)的情況下才開(kāi)啟接收電源，紅外接收管的輸出可直接利用RXD端接收數(shù)據(jù)，與發(fā)射數(shù)據(jù)格式兼容。

4 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)上電自檢后大部分時(shí)間處于低功耗狀態(tài)，在正常工作模式下，通過(guò)對(duì)GP22的初始化配置，實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)的發(fā)射和接收，并計(jì)算出超聲波傳輸?shù)难舆t時(shí)間，通過(guò)SPI接口將測(cè)量結(jié)果傳輸至微控制器系統(tǒng)。GP22每30s完成一次溫度采樣，并利用微控制器實(shí)現(xiàn)溫度的轉(zhuǎn)換。根據(jù)超聲波延遲時(shí)間計(jì)算出流體流量和熱能消耗，并將累積結(jié)果顯示在LCD上。系統(tǒng)完整的工作流程如圖8所示。

5 方案測(cè)試

筆者以上述方法設(shè)計(jì)并制作出一套控溫?zé)崮鼙?，將其與SIEMENS的熱能表2WR6串聯(lián)于同一管道，進(jìn)行累積熱量、累積流量及當(dāng)前流速等關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)試，并以該設(shè)備為基準(zhǔn)，對(duì)樣機(jī)的計(jì)算系數(shù)進(jìn)行校正。測(cè)試目標(biāo)、方法與儀器見(jiàn)表1。

圖8 熱能表工作流程

測(cè)試參數(shù)儀器方法 功耗微安表GDM-8261W=UI 流量SIEMENS熱能表2WR6對(duì)比測(cè)試 熱能SIEMENS熱能表2WR6對(duì)比測(cè)試水溫玻璃式溫度計(jì)對(duì)比測(cè)試紅外紅外終端Pt900驗(yàn)證通信

測(cè)試結(jié)果表明，熱能表能夠?qū)ζ骄鄯e熱量、累積流量及當(dāng)前流速等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行正常測(cè)量并予以顯示，整機(jī)系統(tǒng)功耗較低。測(cè)試結(jié)果的誤差范圍見(jiàn)表2。

表2 測(cè)試結(jié)果的誤差

正常工作時(shí)，系統(tǒng)整機(jī)電流保持在27μA，能夠滿足電池長(zhǎng)期供電的需要；水溫顯示結(jié)果與玻璃溫度計(jì)顯示結(jié)果幾乎一致；紅外通信采用標(biāo)準(zhǔn)抄表通信協(xié)議，與市面上的抄表終端Pt900能夠正常通信。

此次測(cè)試重點(diǎn)進(jìn)行了關(guān)鍵參數(shù)與SIEMENS 2WR6熱能表相應(yīng)參數(shù)的對(duì)比，在熱水流量較低的情況下(低于0.010m3/h)，由于計(jì)算精度等原因，測(cè)量結(jié)果波動(dòng)較大；流速較大時(shí)，測(cè)量結(jié)果比較穩(wěn)定。通常情況下水暖流速均大于0.500m3/h時(shí)才能保證室內(nèi)正常采暖。因此，在正常使用時(shí)能夠滿足暖氣供應(yīng)熱能的計(jì)量。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者以STM8L052R8微控制器為核心，利用超聲測(cè)速原理和專用時(shí)間計(jì)數(shù)芯片GP22設(shè)計(jì)熱能計(jì)量表，系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧。實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定、性能可靠，能夠滿足熱能計(jì)量的需要，具有較大的市場(chǎng)應(yīng)用前景。但作為產(chǎn)品，在制造過(guò)程中還必須滿足2001年國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的《JJG 225-2001熱能表檢定規(guī)程》。