綿陽城市學(xué)院 余秋軍 王梓龍 杜 娟 金啟剛

隨著新能源集中供熱系統(tǒng)的興起分戶計(jì)量計(jì)費(fèi)制度開始實(shí)施，熱能表計(jì)費(fèi)計(jì)量方式的需求得到廣泛應(yīng)用。針對傳統(tǒng)熱能表價(jià)格高昂、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作不可靠、測量精度差、采用有線式數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)工作復(fù)雜等問題，系統(tǒng)利用ACMA公司生產(chǎn)的TDC-GP21高精度時(shí)間測量芯片作為熱量測量器件、SI4432進(jìn)行無線組網(wǎng)連接、STM8L152超低功耗單片機(jī)作為本系統(tǒng)的核心處理器，設(shè)計(jì)了一種新型無線低功耗超聲波熱能表。該系統(tǒng)具有價(jià)格低廉、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、工作穩(wěn)定可靠、測量精度高、無線組網(wǎng)容易等特點(diǎn)。為新能源集中供熱系統(tǒng)的分戶計(jì)費(fèi)儀表的研究提供了一定的參考價(jià)值。

隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)分戶熱量檢測計(jì)費(fèi)越來越重要，超聲波熱能表則作為新能源應(yīng)用中必不可少的流量檢測與熱能計(jì)費(fèi)工具。超聲波熱能表不僅克服了傳統(tǒng)渦輪式熱能表受水質(zhì)、流速、和水溫等影響而導(dǎo)致無法精確測量、工作不穩(wěn)定和工作壽命短等關(guān)鍵性問題。超聲波熱能表是工業(yè)檢測控制與生活環(huán)境中最為常用的一種流量與熱量檢測計(jì)量設(shè)備。廣泛應(yīng)用于新能源、生活計(jì)量計(jì)費(fèi)等控制環(huán)境中。

在熱能表的實(shí)際應(yīng)用中儀表的長期穩(wěn)定可靠與低功耗和成本以及多設(shè)備組網(wǎng)連接方便等因素成為決定產(chǎn)品性能與質(zhì)量的關(guān)鍵性因素。因此根據(jù)這些特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一款價(jià)格低廉、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、工作穩(wěn)定可靠、測量精度高、低功耗的易組網(wǎng)無線超聲波熱能表。

1 熱量測量原理

本系統(tǒng)應(yīng)用TDC-GP21時(shí)差功能，利用超聲波換能器對管道流體進(jìn)行傾斜方式安裝進(jìn)行超聲波信號收發(fā)，并測得信號在流體中接收和發(fā)送的時(shí)間進(jìn)行差值計(jì)算，得到△t并算出該時(shí)間內(nèi)的累積流量Qt，同時(shí)利用TDC-GP21的PT1和PT2接入2個(gè)Pt100溫度傳感器，對進(jìn)出水溫度進(jìn)行測量并根據(jù)累積流量Qt和溫度數(shù)據(jù)由下列公式①計(jì)算熱量總和數(shù)據(jù)。

熱量計(jì)算式：Q=Qt ρ(hI -ho)△t

上式中：Q為總熱量值；ρ為水密度值，Qt為△t時(shí)間段內(nèi)累計(jì)流量，hI入水口焓值ho出水口焓值。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要包含超聲波流量測量傳感器、高精度溫度傳感器、流量測量計(jì)算調(diào)理電路、低功耗微控制器電路、無線通信電路、現(xiàn)場顯示電路、便攜儀表電源電路。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

超聲波傳感器探頭通過高精度時(shí)差測量芯片TDC-GP21驅(qū)動(dòng)其發(fā)射端接口使超聲波探頭發(fā)射出超聲波信號最后利用接收端接收超聲波信號，記錄中間ps級時(shí)間差。最終通過高精度測量芯片TDCGP21進(jìn)行精確的水流量計(jì)算和誤差自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)理及設(shè)定零偏調(diào)整后將最終的數(shù)據(jù)利用微控制器SPI通信將數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取至緩沖區(qū)，并最終通過無線低功耗通信模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)送給接收主機(jī)可將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)進(jìn)行多設(shè)備組網(wǎng)，方便工業(yè)性控制與監(jiān)測。

1.2 TDC-GP21高精度時(shí)差測量芯片

在本次無線低功耗超聲波熱能表硬件電路設(shè)計(jì)中關(guān)鍵設(shè)計(jì)部分是采用高精度ps級時(shí)差測量超聲波熱能表專用芯片以及超低功耗微控制器綜合處理數(shù)據(jù)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

TDC-GP21是德國ACAM公司設(shè)計(jì)的一款時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其具備常強(qiáng)大的超聲波流量時(shí)差統(tǒng)計(jì)功能，單電源2.5v～3.6v正常工作?？商峁╇p通道90ps的時(shí)間間隔測量。

TDC-GP21可以直接把被測元件參數(shù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的時(shí)間間隔。并通過溫度采集端口進(jìn)行上下游溫度采集最終利用為控制器進(jìn)行溫度差值結(jié)算便可計(jì)算出熱量，與此同時(shí)TDC-GP21結(jié)合外部電路設(shè)計(jì)可設(shè)計(jì)出超低功耗的熱能表，因此利用上述特點(diǎn)便可制成低功耗、高精度的超聲波熱能表。

1.3 高精度熱量測量電路設(shè)計(jì)

熱量測量電路的主要功能是將一組超聲波換能器在流體中交替收發(fā)信號、一組進(jìn)出口鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行精確采集并利用內(nèi)部對應(yīng)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行對應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得出精確的流量數(shù)據(jù)與溫度凈出口溫度數(shù)據(jù)。并利用熱量計(jì)算公司精確計(jì)算出對應(yīng)的熱量數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)中采用ACAM公司生產(chǎn)的高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集計(jì)算。

整個(gè)電路外圍器件少、結(jié)構(gòu)簡單，模擬輸入部分外部電路僅需要2個(gè)電阻和2個(gè)電容。并且對于鉑電阻來說具有0.004℃分辨率，超低電流功耗(0.08μA當(dāng)每30s測量一次時(shí))。具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 熱量采集電路設(shè)計(jì)圖

1.4 無線通信模塊設(shè)計(jì)

利用低功耗無線通信模塊設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)超聲波熱能表與遠(yuǎn)端接收機(jī)和上位機(jī)之間的遠(yuǎn)程通信數(shù)據(jù)監(jiān)測以及多設(shè)備組網(wǎng)操作。無線通信電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 無線通信模塊電路設(shè)計(jì)圖

1.5 電源供電方案設(shè)計(jì)

電路電壓設(shè)計(jì)的是否穩(wěn)定直接決定了整個(gè)電路中TDC-GP21測量電路的精確測量的可靠性和整個(gè)電路的可靠工作與功耗控制都存在直接的關(guān)系。因此本設(shè)計(jì)中采用低壓差低靜態(tài)電流型進(jìn)行電源電路穩(wěn)壓操作。從而達(dá)到我們預(yù)期的設(shè)計(jì)結(jié)果，為方便使用該設(shè)備，本次設(shè)計(jì)采用電池供電方式進(jìn)行整體電路供電，因此在功耗上面具有很高的要求。設(shè)計(jì)中電源部分采用低功耗LDO的XC6206。該元件具有極低的靜態(tài)電流，適合功耗要求很高的系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)。同時(shí)在設(shè)計(jì)中我們利用濾波電路設(shè)計(jì)來降低系統(tǒng)噪聲。具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 電源電路設(shè)計(jì)圖

1.6 顯示電路方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)場顯示電路在大部分工業(yè)應(yīng)用中是必不可少的部分，因此本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)無線通信方式的基礎(chǔ)上利用STM8L152單片機(jī)內(nèi)部自帶的LCD低功耗屏幕顯示驅(qū)動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場顯示屏幕的設(shè)計(jì)，顯示屏上可直接顯示瞬時(shí)流量、累積流量、進(jìn)出口溫度值等。具體顯示電路如圖5所示。

圖5 LCD顯示電路設(shè)計(jì)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

熱能表管道口溫度值和流量值通過TDC-GP21差測量芯片對超聲探頭收發(fā)時(shí)間時(shí)間間隔進(jìn)行測量，然后通過STM8L152將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行熱量計(jì)算和數(shù)據(jù)拆分組合處理后通過無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)端接收器最后上報(bào)給上位機(jī)。

TDC-GP21有兩種工作模式。模式一：兩路STOP通道共用一路START通道，最低有效位為65PS，測量范圍：2.0ns～1.8us；模式二：只有一路stop通道對應(yīng)start通道最低有效位也是65ps測量范圍：500ns～4ms。本設(shè)計(jì)采用時(shí)間測量精度更高的模式一，進(jìn)行時(shí)間間隔測量進(jìn)行高精度時(shí)差測量，具體測量操作寫時(shí)序如圖6所示，讀時(shí)序如圖7所示。

圖6 寫時(shí)序

圖7 讀時(shí)序

3 軟件處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件處理主要包含微處理器讀取TDC-GP21采集的流量數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)并利用計(jì)算公式快速的計(jì)算出熱量數(shù)據(jù)。通過SPI通信方式將采集處理后的熱量數(shù)據(jù)通過無線通信方式發(fā)送給遠(yuǎn)程接收器并轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)熱量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)場顯示器可方便現(xiàn)場觀察熱量數(shù)據(jù)。采用單片機(jī)內(nèi)部EEPROM進(jìn)行必要參數(shù)設(shè)置進(jìn)行保存。

微處理器程序設(shè)計(jì)：

為了降低設(shè)備在使用工程中的能耗，本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司的STM8L152系列的單片機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，此類單片機(jī)具有運(yùn)算速度快、自帶LCD硬件驅(qū)動(dòng)同時(shí)具有成本低和超低功耗的特點(diǎn)。因此選用此類單片機(jī)做本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是最佳的方案。

我們利用單片機(jī)的中斷系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，可有效的實(shí)現(xiàn)整體設(shè)計(jì)的低功耗控制，系統(tǒng)利用單片機(jī)自帶的RTC低功耗喚醒功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)喚醒系統(tǒng)運(yùn)行功能，在單片機(jī)空閑時(shí)我們可將其設(shè)置為單片機(jī)的超低功耗模式（超低功耗模式下電流僅350nA），當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)再進(jìn)行喚醒。具體程序執(zhí)行流程如圖8所示。

圖8 微處理器程序設(shè)計(jì)圖

4 實(shí)驗(yàn)分析

本次設(shè)計(jì)采用的流量測試管徑為20mm，超聲波換能器安裝在管道軸面的水平方向上，并且在軸線水平位置±45°范圍內(nèi)安裝，以防止上部有不滿管、氣泡或下部有沉淀等現(xiàn)象影響傳感器正常測量。測試過程中將本次設(shè)計(jì)的樣機(jī)與市面標(biāo)準(zhǔn)的熱能表進(jìn)行對比操作（標(biāo)準(zhǔn)儀表測量范圍：0～3m3/h）經(jīng)過測量得出對比流量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)儀表和樣機(jī)測量數(shù)據(jù)

溫度測量采用高精度電子測量溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)測量儀表在相同流速的情況下得出采集的溫度數(shù)據(jù)如表2所示。

經(jīng)過在不同流速和不同流體溫度環(huán)境下測試數(shù)據(jù)并進(jìn)行記錄即表1和表2所示的數(shù)據(jù)。

由表1中標(biāo)準(zhǔn)儀表測量值與樣機(jī)測量值的相對誤差在±1.3%以內(nèi)，由表2中標(biāo)準(zhǔn)儀表溫度測量數(shù)據(jù)與樣機(jī)測量數(shù)據(jù)的偏差值小于0.5℃。根據(jù)表1和表2數(shù)據(jù)可計(jì)算出對應(yīng)的熱量值最大誤差在f0.3%內(nèi)，根據(jù)國家《熱能表檢定規(guī)程》中規(guī)定的熱量允許最大誤差為±（0.5+△tmin/△t）%。

表2 標(biāo)準(zhǔn)儀表和樣機(jī)溫度數(shù)據(jù)

本文設(shè)計(jì)了一種基于TDC-GP21和低功耗微控制器的低成本高精度無線超聲波熱能表測量電路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對水流量、熱量、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送功能，同時(shí)利用無線通信方式進(jìn)行組網(wǎng)方便多設(shè)備的同時(shí)監(jiān)測與使用，系統(tǒng)還加入設(shè)備部件故障報(bào)警提示，滿足對故障的發(fā)現(xiàn)、排除的基本要求，整個(gè)無線超聲波熱能表具有測量精度高、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸、現(xiàn)場顯示、使用時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：基于TDC-GP21的無線超聲波熱能表具有使用功耗極低，便攜獨(dú)立供電，測量精度高，工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)可直接應(yīng)用在新能源中，以及需要進(jìn)行熱量、流量測量等其他場合進(jìn)行使用，具有較高的推廣價(jià)值及應(yīng)用前景。