1、摘 要I本科毕业论文（20 届）基于单片机的智能热量表的设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要II摘 要本论文在详细研究了户用热量表的结构、功能和工作原理的基础上，依据最新行业标准，设计并开发了一种低功耗嵌入式户用热量表。该仪表具有设计结构简单、高精度的特点。本热量表采用 MSP430 系列芯片作为主控芯片，温度传感器采用铂电阻 PT1000，流量传感器采用无磁转子流量计。本热量表具有以下主要特点：温度采集模块设计特点。设计了一种采用恒流源及其温度补偿电路为 PT1000 供电的户用热量表温度采集模块，减小了恒流源受环境温度的影响，实现了测温的
2、自适应；软件部分采用一种对温度测量中铂电阻进行等精度线性插值分段的寻优算法，且该方法不仅适用于热量表的热电阻非线性修正，也可对单调或分段单调非线性函数的插值区间进行优化，根据精度要求将插值区间的划分达到最优，具备一定的通用性。低功耗设计。元器件使用量少，微功耗器件；工作模式的切换；利用开关控制硬件模块工作状态；采用中断措施。热量计算采用焓差法作为热量计算的基本公式，使得流量传感器的安装位置不受限制；对焓值和密度进行了修正，提高了热量计算的准确程度。 本课题设计的低功耗户用热量表功能较多，体积小，测温精度高，运行稳定，完成了设计的目标要求。 关键词：热量表；低功耗；超声波AbstractIIAb
3、stractIn this paper, a low-power embedded domestic heat meter has been designed and developed based on the latest industry standards to functions and working principle is studied in detail. The instrument has features such as simple design, high-precision. MSP430 series chip has been taken as the ma
4、ster chip, use platinum resistance PT1000 astemperature sensor, flowing sensor using non-magnetic flow meter. This heat meter has main features as follow: Temperature acquisition module design features. Use a constant current source and its temperature compensation circuit for power supply of PT1000
5、 temperature sensor, reducing the impact of ambient temperature effect the constant current source, achieve temperature measurement of adaptive; an equivalent accuracy linear interpolation optimize algorithm has been used in software for platinum resistance temperature measurement, and this method n
6、ot only applies to non-linear correction of the thermal resistance, and can also be used in monotonous or section of the monotone nonlinear function of interpolationinterval optimization, according to the interpolation accuracy of the delineation of the optimal interval, have a certain degree of com
7、monality. Low-power design, low-power consumption microchip; switch the mode; use switches to control the working states of hardware module; using interrupt mode. so as to prevent the flow sensor installation location restriction; enthalpy and density have been amended to improve the accuracy of cal
8、culated heat. The heat meter has been designed in this issue has quite more functions, small size, high accuracy temperature measurement, operation stability; accomplish the design objectives. Key words: heat meters; low power consumption; ultrasonic目 录III目 录摘 要 .IAbstract.II目 录 .III第一章 引 言 .11.1 课题
9、的研究背景 .11.2 课题的研究目的及意义 .11.3 热量表在国内外的发展现状与趋势 .21.4 课题研究的主要内容 .2第二章 温度测量及热量算法 .42.1 温度检测仪表的分类 .42.2 温度测量原理 .52.2.1 温度传感器的选择 .52.2.2 温度检测原理 .62.3 温度测量的实现 .72.3.1 热电阻阻值测量实现的方法 .72.3.2 影响测温精度的因素 .92.4 热量算法的计算 .92.4.1 热量计算原理 .92.4.2 热量计算基本公式 .9第三章 流量检测原理 .113.1 流量的概念 .113.2 时差法超声波测流量原理 .123.2.1 时差法超声波测流量
10、的特点 .123.2.2 时差法超声波测流量基本原理 .12目 录IV3.3 超声波传播时间测量技术 .14第四章 热量表的硬件设计 .184.1 热量表的总体设计 .184.2 单片机的选择 .184.2.1 基本结构 .194.2.2 方便的开发环境 .194.3 温度传感器接口电路的设计 .204.4 流量传感器接口电路的设计 .21第五章 软件程序的设计 .225.1 MSP430 单片机的编程语言和编译环境 .225.2 系统主程序 .235.2.1 初始化模块 .255.2.2 计算子程序 .265.3 中断程序 .275.3.1 温度测量模块 .275.3.2 流量检测模块 .2
11、85.4 按键和显示模块 .30参考文献 .32致 谢 .33附录 I .34附录 II 整机电路图 .39第一章 引 言- 1 -第一章 引 言1.1 课题的研究背景在我国热量表是一种新的计量器具产品。自改革开放以来，我国供暖供热事业发展迅速，城镇供暖供热体制也得到了极大改善。然而，我国一直以来是采取以政府为主导的供热供暖制度，这势必会造成不必要的浪费，并且供热体制中也存在很多问题。由于技术的不成熟，主要依据西方欧洲国家的标准，参照苏联的模式，初步建立起有计划特色的住宅锅炉供热体系。随着我国经济体制从计划经济向市场经济的渐渐转变，原来的供暖体制已经无法满足当代经济发展的需要。近几年来，热量表
12、生产企业发展迅速；国家建设部等八部委联合签发的关于城镇供热体制改革试点工作的指导意见的下达，更是直接鼓舞、推动了热量表企业的发展。随着我国民用建筑供暖体制的改革进程，集中供热用的热量表是属于国家规定“实行强制检定”的仪表产品，研究讨论检定技术方法，正是现阶段最值得关注的问题。1.2 课题的研究目的及意义热量表是集测量、计算及显示热量交换系统所释放或者吸收的热量值于一体的仪表，是实施城市供暖供热体质改革，推行按热量计量收费的关键设备。然而，我国实行的收费方式是按面积收费而不是按照实际用热量收费，这会造成用户节能意识差，不利于供热节能的推广；另一方面使产、供、需三方的矛盾日益激化，引起越来越多的纠
13、纷。针对以上这种状况，我国自上世纪九十年代开始就已经自主研发热量表，这加快了城镇供热体制改革的步伐，解决北方地区城镇居民基本生活的需要，落实国家节能减排战略方针，实现供热事业全面协调可持续发展的必然要求。在水、电、煤气计费系统日益普及的今天，实行按户对热量消耗量收费可使收费更加合理，但必须要使用专门的热量表对热量进行准确的计量。因此，关于智慧热量表的相关技术的准备工作相当重要。第一章 引 言- 2 -热量表的研制有助于加快我国供热供暖体制的改革，更能满足广大人民群众的需求，使供热供暖体制更加合理化，对供热供暖制度也起到一定的监督作用。针对我国当下供热供暖体制的弊病，要想彻底消除这些不利因素，更
14、加准确的热量表是至关重要的一部分。然而，由于我国热量表技术普遍借鉴国外的先进技术，因此，设计研究属于我们自己的热量表势在必行。近几年我国热量表的研发速度相当迅速。1.3 热量表在国内外的发展现状与趋势我国热量表起步较晚，最早也是从欧洲引进相关的技术进行研究，开始只是单纯的仿制欧洲热量表的相关产品，渐渐相关专业人员开始消化吸收其核心技术，在它们的基础上研发属于自己的热量表，直到 90 年代，户用热量表的设计才趋于一致。热量表由流量检测仪表和一对温度传感器构成，流量传感器有很多种，温度传感器也大多数不同，厂家也会采用不同的传感器材料，但是对测量精度的要求往往不是很高，这就会造成不必要的浪费，我国生
15、产的热量表普遍采用的是 PT1000 等系列热电阻式温度传感器。在流量测量原理上，热量表中使用的流量传感器，因其应用的原理不同，因此生产的形状也是各异。热量表的形状也取决于检测流量原理。目前，大多数流量检测仪表中有近一半是速度式流量计，即用检测组件测出流体在管道内的平均流速。超声波式流量检测仪表是近期才发展起来的，因其优越的特点，超声波热量表正在快速发展成为热量测量领域的首选。1.4 课题研究的主要内容在对国内外先进技术研究解析的基础上，按照课题要求设计符合要求的基于超声波检测技术的热量表。本课题主要对以下几个方面进行研究：首先，在超声波检测流量的原理基础上，根据目前供热系统实现分户计量的要求
16、，提出了基于超声波检测技术并且可以提高测量精度的智慧热量表的技第一章 引 言- 3 -术方案，主要是通过超声波的发射和接受测量超声波的传播时间，然后根据流量算法计算出流量，最后按照热量计算公式计算热量。其次，课题要求热量表要采用电池供电，考虑到整个系统的功耗，采用了目前应用较为广泛且处理能力较强、方便调试、功耗较低的芯片 MSP430 作为整个系统的控制器。整个系统硬件电路的设计包括超声波发射和接收电路的、温度传感器接口电路、电源电路、M-BUS 远程抄表电路、超声波传播时间测量电路及显示电路的设计。最后，进行软件流程的设计和程序的编写，包括时差测量、温差测量以及显示流程的设计和程序的编写。第
17、二章 温度测量及热量算法- 4 -第二章 温度测量及热量算法2.1 温度检测仪表的分类温度是描述系统不同自由度之间能量分布状况的基本物理量，是决定以系统是否与其它系统处于热平衡的宏观性质，一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。根据物理学理论，温度是与大量分子的平均动能相联系，它反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。物质的许多物理现象和化学性质都与温度有关，同时许多生产过程，特别是化学反应过程，都是在一定的温度范围内进行的。温度检测仪表可分为接触式和非接触式两大类。常用的接触式测温组件有热电偶、铂电阻、铜电阻、半导体热敏电阻等。使测量物体与被测介质，依靠传热或对流进行热交换达到平衡的测温方法称
18、为接触式测温方法。接触式测温方法的主要优点是方法简单、可靠，测量精度高。它的不足之处是测温需经历热量的交换与平衡过程，因而会导致被测介质热场的破坏和测温过程的延迟，所以不适于测量热容量小、温度极高以及运动物体的温度，也不适合直接测量腐蚀性介质的温度。任何热载体都会将其一部分热能转换为辐射能，这些辐射能被其它物体接受后可转变为热能使其温度升高，上述过程称为热辐射。载体温度越高，辐射到周围空间的能量就越多，受体接受的能量也越多，其温度也会越高。热辐射同电磁辐射一样，无需任何传递媒介，或者说无需直接接触即可在物体之间传递热能，这就是实现非接触测温的主要依据。非接触式测温法又称为辐射式测温法，该方法的
19、主要优点是测温上限原则上不受限制（一般可达 3600） ，测温速度快且不会对被测热场产生大的干扰，还可适用于对运动物体、腐蚀性介质等的温度测量。其缺点是容易受外界因素（如辐射率、距离、烟尘、水汽等）的干扰导致测温误差大、标准困难，且结构复杂、价格昂贵等。1下面介绍几种温度检测仪表：第二章 温度测量及热量算法- 5 -气体温度检测仪表：多用氢气或氦气作测温物质，因为氢气和氦气的液化温度很低，接近于绝对零度，故它的测温范围很广。这种温度计精确度很高，多用于精密测量。电阻温度检测仪表：分为金属电阻温度计和半导体电阻温度计，都是根据电阻值随温度的变化这一特性制成的。金属温度计主要用铂、金、铜、镍等纯金
20、属及铑铁、磷青铜合金；半导体温度计主要用碳、锗等。电阻温度计使用方便可靠，已广泛应用，它的测量范围为-260至600左右。液晶温度检测仪表：用不同配方制成的液晶，其相变温度不同，当其相变时，其看起来变了色。如果将不同相变温度的液晶涂在温度记录仪一张纸上，则由液晶颜色等光学性质的改变，便可知道温度为何。此温度记录仪的优点是读数容易，而缺点则是精确度不足，常用于观赏用鱼缸中，以指示水温。热电偶温度检测仪表：热电偶温度计是由两条不同金属连接着一个灵敏的电压计所组成。金属接点在不同的温度下，会在金属的两端产生不同的电位差。电位差非常微小，故需灵敏的电压计才能测得。由电压计的读数，便可知道温度为何。2.2 温度测量原理2.2.1 温度传感器的选择温度传感器相应的可分为接触式和非接触式两大类，接触类就是让温度传感器与待测物体直接接触，来测量被测物体温度的变化；而后者是把温度传感器与待测物体分隔开一定的距离，通过检测被测物体发出的红外线来达到测温的目的。在整个温度检测领域当中，温度传感器一般分为接触式和非接触式温度传感器。然而，由于两者测量方式的不同，应用情况也不相同。接触式温度传感器广泛应用于大多数场合，而非接触式温度传感其只有在比较特殊的情况下采取使用。我们首先介绍一下接触式温度传感器。热电式温度传感器是接触式温度传感器中使用最广泛的。热电式传感器是利用敏感组件将温度转化为电量的
