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1、摘 要摘 要本論文在詳細(xì)研究了戶用熱量表的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理的基礎(chǔ)上，依據(jù)最新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種低功耗嵌入式戶用熱量表。該儀表具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高精度的特點(diǎn)。本熱量表采用MSP430系列芯片作為主控芯片，溫度傳感器采用鉑電阻PT1000，流量傳感器采用無(wú)磁轉(zhuǎn)子流量計(jì)。本熱量表具有以下主要特點(diǎn)：溫度采集模塊設(shè)計(jì)特點(diǎn)。設(shè)計(jì)了一種采用恒流源及其溫度補(bǔ)償電路為 PT1000供電的戶用熱量表溫度采集模塊，減小了恒流源受環(huán)境溫度的影響，實(shí)現(xiàn)了測(cè)溫的自適應(yīng)；軟件部分采用一種對(duì)溫度測(cè)量中鉑電阻進(jìn)行等精度線性插值分段的尋優(yōu)算法，且該方法不僅適用于熱量表的熱電阻非線性修正，也可對(duì)單調(diào)或分段單調(diào)非線性函數(shù)

2、的插值區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)精度要求將插值區(qū)間的劃分達(dá)到最優(yōu)，具備一定的通用性。低功耗設(shè)計(jì)。元器件使用量少，微功耗器件；工作模式的切換；利用開(kāi)關(guān)控制硬件模塊工作狀態(tài)；采用中斷措施。熱量計(jì)算采用焓差法作為熱量計(jì)算的基本公式，使得流量傳感器的安裝位置不受限制；對(duì)焓值和密度進(jìn)行了修正，提高了熱量計(jì)算的準(zhǔn)確程度。 本課題設(shè)計(jì)的低功耗戶用熱量表功能較多，體積小，測(cè)溫精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，完成了設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求。 關(guān)鍵詞：熱量表；低功耗；超聲波IIAbstractAbstractIn this paper, a low-power embedded domestic heat meter has been desi

3、gned 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 master chip, use platinum resistance PT1000 astemperature sensor, flowing sen

4、sor 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 temperature sensor, reducing the impact of ambient temperature effect the

5、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 not only applies to non-linear correction of the thermal resistance, and can

6、 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 commonality. Low-power design, low-power consumption microchip; switch the mod

7、e; 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 calculated heat. The heat meter has been designed in this issue has quite more

8、 functions, small size, high accuracy temperature measurement, operation stability; accomplish the design objectives. Key words: heat meters; low power consumption; ultrasonic目 錄目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第一章 引 言11.1 課題的研究背景11.2 課題的研究目的及意義11.3 熱量表在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)21.4 課題研究的主要內(nèi)容2第二章 溫度測(cè)量及熱量算法42.1 溫度檢測(cè)儀表的分類(lèi)42.

9、2 溫度測(cè)量原理52.2.1 溫度傳感器的選擇52.2.2 溫度檢測(cè)原理62.3 溫度測(cè)量的實(shí)現(xiàn)72.3.1 熱電阻阻值測(cè)量實(shí)現(xiàn)的方法72.3.2 影響測(cè)溫精度的因素92.4 熱量算法的計(jì)算92.4.1 熱量計(jì)算原理92.4.2 熱量計(jì)算基本公式9第三章 流量檢測(cè)原理113.1 流量的概念113.2 時(shí)差法超聲波測(cè)流量原理123.2.1 時(shí)差法超聲波測(cè)流量的特點(diǎn)123.2.2 時(shí)差法超聲波測(cè)流量基本原理123.3 超聲波傳播時(shí)間測(cè)量技術(shù)14第四章 熱量表的硬件設(shè)計(jì)184.1 熱量表的總體設(shè)計(jì)184.2 單片機(jī)的選擇184.2.1 基本結(jié)構(gòu)194.2.2 方便的開(kāi)發(fā)環(huán)境194.3 溫度傳感器接口

10、電路的設(shè)計(jì)204.4 流量傳感器接口電路的設(shè)計(jì)21第五章 軟件程序的設(shè)計(jì)225.1 MSP430單片機(jī)的編程語(yǔ)言和編譯環(huán)境225.2 系統(tǒng)主程序235.2.1 初始化模塊255.2.2 計(jì)算子程序265.3 中斷程序275.3.1 溫度測(cè)量模塊275.3.2 流量檢測(cè)模塊285.4 按鍵和顯示模塊30參考文獻(xiàn)32致 謝33附錄I34附錄II整機(jī)電路圖39- 40 -第一章 引 言第一章 引 言1.1 課題的研究背景在我國(guó)熱量表是一種新的計(jì)量器具產(chǎn)品。自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)供暖供熱事業(yè)發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)供暖供熱體制也得到了極大改善。然而，我國(guó)一直以來(lái)是采取以政府為主導(dǎo)的供熱供暖制度，這勢(shì)必會(huì)造成不必要

11、的浪費(fèi)，并且供熱體制中也存在很多問(wèn)題。由于技術(shù)的不成熟，主要依據(jù)西方歐洲國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，參照蘇聯(lián)的模式，初步建立起有計(jì)劃特色的住宅鍋爐供熱體系。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)體制從計(jì)劃經(jīng)濟(jì)向市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的漸漸轉(zhuǎn)變，原來(lái)的供暖體制已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。近幾年來(lái)，熱量表生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展迅速；國(guó)家建設(shè)部等八部委聯(lián)合簽發(fā)的關(guān)于城鎮(zhèn)供熱體制改革試點(diǎn)工作的指導(dǎo)意見(jiàn)的下達(dá)，更是直接鼓舞、推動(dòng)了熱量表企業(yè)的發(fā)展。隨著我國(guó)民用建筑供暖體制的改革進(jìn)程，集中供熱用的熱量表是屬于國(guó)家規(guī)定“實(shí)行強(qiáng)制檢定”的儀表產(chǎn)品，研究討論檢定技術(shù)方法，正是現(xiàn)階段最值得關(guān)注的問(wèn)題。1.2 課題的研究目的及意義熱量表是集測(cè)量、計(jì)算及顯示熱量交換系統(tǒng)所釋放或

12、者吸收的熱量值于一體的儀表，是實(shí)施城市供暖供熱體質(zhì)改革，推行按熱量計(jì)量收費(fèi)的關(guān)鍵設(shè)備。然而，我國(guó)實(shí)行的收費(fèi)方式是按面積收費(fèi)而不是按照實(shí)際用熱量收費(fèi)，這會(huì)造成用戶節(jié)能意識(shí)差，不利于供熱節(jié)能的推廣；另一方面使產(chǎn)、供、需三方的矛盾日益激化，引起越來(lái)越多的糾紛。針對(duì)以上這種狀況，我國(guó)自上世紀(jì)九十年代開(kāi)始就已經(jīng)自主研發(fā)熱量表，這加快了城鎮(zhèn)供熱體制改革的步伐，解決北方地區(qū)城鎮(zhèn)居民基本生活的需要，落實(shí)國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略方針，實(shí)現(xiàn)供熱事業(yè)全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。在水、電、煤氣計(jì)費(fèi)系統(tǒng)日益普及的今天，實(shí)行按戶對(duì)熱量消耗量收費(fèi)可使收費(fèi)更加合理，但必須要使用專(zhuān)門(mén)的熱量表對(duì)熱量進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)量。因此，關(guān)于智慧熱量表

13、的相關(guān)技術(shù)的準(zhǔn)備工作相當(dāng)重要。熱量表的研制有助于加快我國(guó)供熱供暖體制的改革，更能滿足廣大人民群眾的需求，使供熱供暖體制更加合理化，對(duì)供熱供暖制度也起到一定的監(jiān)督作用。針對(duì)我國(guó)當(dāng)下供熱供暖體制的弊病，要想徹底消除這些不利因素，更加準(zhǔn)確的熱量表是至關(guān)重要的一部分。然而，由于我國(guó)熱量表技術(shù)普遍借鑒國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，因此，設(shè)計(jì)研究屬于我們自己的熱量表勢(shì)在必行。近幾年我國(guó)熱量表的研發(fā)速度相當(dāng)迅速。1.3 熱量表在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)我國(guó)熱量表起步較晚，最早也是從歐洲引進(jìn)相關(guān)的技術(shù)進(jìn)行研究，開(kāi)始只是單純的仿制歐洲熱量表的相關(guān)產(chǎn)品，漸漸相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員開(kāi)始消化吸收其核心技術(shù)，在它們的基礎(chǔ)上研發(fā)屬于自己的熱量表，

14、直到90年代，戶用熱量表的設(shè)計(jì)才趨于一致。熱量表由流量檢測(cè)儀表和一對(duì)溫度傳感器構(gòu)成，流量傳感器有很多種，溫度傳感器也大多數(shù)不同，廠家也會(huì)采用不同的傳感器材料，但是對(duì)測(cè)量精度的要求往往不是很高，這就會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，我國(guó)生產(chǎn)的熱量表普遍采用的是PT1000等系列熱電阻式溫度傳感器。在流量測(cè)量原理上，熱量表中使用的流量傳感器，因其應(yīng)用的原理不同，因此生產(chǎn)的形狀也是各異。熱量表的形狀也取決于檢測(cè)流量原理。目前，大多數(shù)流量檢測(cè)儀表中有近一半是速度式流量計(jì)，即用檢測(cè)組件測(cè)出流體在管道內(nèi)的平均流速。超聲波式流量檢測(cè)儀表是近期才發(fā)展起來(lái)的，因其優(yōu)越的特點(diǎn)，超聲波熱量表正在快速發(fā)展成為熱量測(cè)量領(lǐng)域的首選。1

15、.4 課題研究的主要內(nèi)容在對(duì)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)研究解析的基礎(chǔ)上，按照課題要求設(shè)計(jì)符合要求的基于超聲波檢測(cè)技術(shù)的熱量表。本課題主要對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：首先，在超聲波檢測(cè)流量的原理基礎(chǔ)上，根據(jù)目前供熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分戶計(jì)量的要求，提出了基于超聲波檢測(cè)技術(shù)并且可以提高測(cè)量精度的智慧熱量表的技術(shù)方案，主要是通過(guò)超聲波的發(fā)射和接受測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間，然后根據(jù)流量算法計(jì)算出流量，最后按照熱量計(jì)算公式計(jì)算熱量。其次，課題要求熱量表要采用電池供電，考慮到整個(gè)系統(tǒng)的功耗，采用了目前應(yīng)用較為廣泛且處理能力較強(qiáng)、方便調(diào)試、功耗較低的芯片MSP430作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器。整個(gè)系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)包括超聲波發(fā)射和接收電路的、

16、溫度傳感器接口電路、電源電路、M-BUS遠(yuǎn)程抄表電路、超聲波傳播時(shí)間測(cè)量電路及顯示電路的設(shè)計(jì)。最后，進(jìn)行軟件流程的設(shè)計(jì)和程序的編寫(xiě)，包括時(shí)差測(cè)量、溫差測(cè)量以及顯示流程的設(shè)計(jì)和程序的編寫(xiě)。第二章 溫度測(cè)量及熱量算法第二章 溫度測(cè)量及熱量算法2.1 溫度檢測(cè)儀表的分類(lèi)溫度是描述系統(tǒng)不同自由度之間能量分布狀況的基本物理量，是決定以系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的宏觀性質(zhì)，一切互為熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度。根據(jù)物理學(xué)理論，溫度是與大量分子的平均動(dòng)能相聯(lián)系，它反映了物體內(nèi)部分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。物質(zhì)的許多物理現(xiàn)象和化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)，同時(shí)許多生產(chǎn)過(guò)程，特別是化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，都是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)

17、行的。溫度檢測(cè)儀表可分為接觸式和非接觸式兩大類(lèi)。常用的接觸式測(cè)溫組件有熱電偶、鉑電阻、銅電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻等。使測(cè)量物體與被測(cè)介質(zhì)，依靠傳熱或?qū)α鬟M(jìn)行熱交換達(dá)到平衡的測(cè)溫方法稱(chēng)為接觸式測(cè)溫方法。接觸式測(cè)溫方法的主要優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量精度高。它的不足之處是測(cè)溫需經(jīng)歷熱量的交換與平衡過(guò)程，因而會(huì)導(dǎo)致被測(cè)介質(zhì)熱場(chǎng)的破壞和測(cè)溫過(guò)程的延遲，所以不適于測(cè)量熱容量小、溫度極高以及運(yùn)動(dòng)物體的溫度，也不適合直接測(cè)量腐蝕性介質(zhì)的溫度。任何熱載體都會(huì)將其一部分熱能轉(zhuǎn)換為輻射能，這些輻射能被其它物體接受后可轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁蛊錅囟壬?，上述過(guò)程稱(chēng)為熱輻射。載體溫度越高，輻射到周?chē)臻g的能量就越多，受體接受的能量也

18、越多，其溫度也會(huì)越高。熱輻射同電磁輻射一樣，無(wú)需任何傳遞媒介，或者說(shuō)無(wú)需直接接觸即可在物體之間傳遞熱能，這就是實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)溫的主要依據(jù)。非接觸式測(cè)溫法又稱(chēng)為輻射式測(cè)溫法，該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫上限原則上不受限制（一般可達(dá)3600），測(cè)溫速度快且不會(huì)對(duì)被測(cè)熱場(chǎng)產(chǎn)生大的干擾，還可適用于對(duì)運(yùn)動(dòng)物體、腐蝕性介質(zhì)等的溫度測(cè)量。其缺點(diǎn)是容易受外界因素（如輻射率、距離、煙塵、水汽等）的干擾導(dǎo)致測(cè)溫誤差大、標(biāo)準(zhǔn)困難，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴等。下面介紹幾種溫度檢測(cè)儀表：氣體溫度檢測(cè)儀表：多用氫氣或氦氣作測(cè)溫物質(zhì)，因?yàn)闅錃夂秃獾囊夯瘻囟群艿?，接近于絕對(duì)零度，故它的測(cè)溫范圍很廣。這種溫度計(jì)精確度很高，多用于精密測(cè)量

19、。電阻溫度檢測(cè)儀表：分為金屬電阻溫度計(jì)和半導(dǎo)體電阻溫度計(jì)，都是根據(jù)電阻值隨溫度的變化這一特性制成的。金屬溫度計(jì)主要用鉑、金、銅、鎳等純金屬及銠鐵、磷青銅合金；半導(dǎo)體溫度計(jì)主要用碳、鍺等。電阻溫度計(jì)使用方便可靠，已廣泛應(yīng)用，它的測(cè)量范圍為-260至600左右。液晶溫度檢測(cè)儀表：用不同配方制成的液晶，其相變溫度不同，當(dāng)其相變時(shí)，其看起來(lái)變了色。如果將不同相變溫度的液晶涂在溫度記錄儀一張紙上，則由液晶顏色等光學(xué)性質(zhì)的改變，便可知道溫度為何。此溫度記錄儀的優(yōu)點(diǎn)是讀數(shù)容易，而缺點(diǎn)則是精確度不足，常用于觀賞用魚(yú)缸中，以指示水溫。熱電偶溫度檢測(cè)儀表：熱電偶溫度計(jì)是由兩條不同金屬連接著一個(gè)靈敏的電壓計(jì)所組成。

20、金屬接點(diǎn)在不同的溫度下，會(huì)在金屬的兩端產(chǎn)生不同的電位差。電位差非常微小，故需靈敏的電壓計(jì)才能測(cè)得。由電壓計(jì)的讀數(shù)，便可知道溫度為何。2.2 溫度測(cè)量原理2.2.1 溫度傳感器的選擇溫度傳感器相應(yīng)的可分為接觸式和非接觸式兩大類(lèi)，接觸類(lèi)就是讓溫度傳感器與待測(cè)物體直接接觸，來(lái)測(cè)量被測(cè)物體溫度的變化；而后者是把溫度傳感器與待測(cè)物體分隔開(kāi)一定的距離，通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物體發(fā)出的紅外線來(lái)達(dá)到測(cè)溫的目的。在整個(gè)溫度檢測(cè)領(lǐng)域當(dāng)中，溫度傳感器一般分為接觸式和非接觸式溫度傳感器。然而，由于兩者測(cè)量方式的不同，應(yīng)用情況也不相同。接觸式溫度傳感器廣泛應(yīng)用于大多數(shù)場(chǎng)合，而非接觸式溫度傳感其只有在比較特殊的情況下采取使用。我們

21、首先介紹一下接觸式溫度傳感器。熱電式溫度傳感器是接觸式溫度傳感器中使用最廣泛的。熱電式傳感器是利用敏感組件將溫度轉(zhuǎn)化為電量的變化，從而達(dá)到測(cè)量溫度的目的。最典型的熱電式溫度傳感器是熱電偶溫度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)溫范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。熱電阻傳感器是利用電阻率隨溫度變化這一現(xiàn)象來(lái)測(cè)溫度。熱電阻主要用于工業(yè)測(cè)溫，可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類(lèi)，前者簡(jiǎn)稱(chēng)熱電阻，后者簡(jiǎn)稱(chēng)熱敏電阻。大多數(shù)金屬具有正的電阻溫度系數(shù)，溫度越高電阻值越大。一般溫度每升高1電阻值約增加0.4%到0.6%。由半導(dǎo)體制成的熱敏電阻大多數(shù)具有負(fù)溫度系數(shù)，溫度每升高1，電阻值約減小2%到6%。利用以上特性

22、，可實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)。熱電阻是目前接觸式測(cè)溫中應(yīng)用十分廣泛熱電式傳感器。它具有以下優(yōu)點(diǎn)： 電阻溫度系數(shù)大，溫度增加時(shí)，其電阻值有明顯增大。 在工作范圍內(nèi)，物理和化學(xué)性能穩(wěn)定，不易被介質(zhì)腐蝕。 較高的電阻率，以便制成小尺寸組件，減小熱慣性。 電阻隨溫度變化保持單值函數(shù)，最好是線性關(guān)系。 易于得到高純物質(zhì)，復(fù)現(xiàn)性好，價(jià)格較便宜。因此，綜合以上考慮，在該設(shè)計(jì)當(dāng)中采用熱電阻溫度傳感器來(lái)進(jìn)行溫度檢測(cè)。2.2.2 溫度檢測(cè)原理熱電阻的測(cè)溫原理是基于電阻的熱阻效應(yīng)（電阻體的阻值隨溫度的變化而變化）進(jìn)行溫度測(cè)量的。因此，只要測(cè)出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓纯蓽y(cè)出被測(cè)溫度。在我國(guó)，大多數(shù)測(cè)溫組件主要采用Pt1000熱

23、電阻。其溫度與阻值的變化關(guān)系如下：當(dāng)溫度小于0（在其測(cè)量范圍內(nèi)）時(shí)，關(guān)系式為： (2.1)當(dāng)溫度大于0時(shí)，關(guān)系式為： （2.2）式中：是0時(shí)的鉑電阻阻值，單位為，為t時(shí)的鉑電阻阻值，單位為。其中，常數(shù)A、B、C分別為A=3.90802/；B=5.775/；C=-4.2735/。為了加快溫度與電阻值關(guān)系收斂速度，我們可以對(duì)初值采用式（2.2）的線性部分： （2.3）得到 (2.4)把此值作為溫度迭代的初始溫度，經(jīng)過(guò)4次迭代，得到溫度，這就順利補(bǔ)償了溫度傳感器的非線性誤差。2.3 溫度測(cè)量的實(shí)現(xiàn)鑒于以上對(duì)溫度檢測(cè)基本原理的分析，并且考慮到溫度傳感器的選擇，我們可選擇不同的方法求出鉑電阻在不同溫度下

24、的溫度值。所以，溫度檢測(cè)的重要任務(wù)就是電阻值的測(cè)量和實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量非常重要，考慮到熱量表電池供電、低功耗、計(jì)算簡(jiǎn)單等因素，介紹下面兩種方法。2.3.1 熱電阻阻值測(cè)量實(shí)現(xiàn)的方法本課題采用電橋測(cè)量法，一般Pt1000電阻的測(cè)溫實(shí)現(xiàn)方法有兩種。一種是恒流源供電，如圖2-1所示，另一種就是恒壓源供電，如圖2-2所示。區(qū)別主要為電源不同，這也就會(huì)引起計(jì)算公式的差異。圖2-1 恒流源測(cè)溫電路（1）可求出電壓表的電壓為： （2.8）當(dāng)RRc，成立時(shí)，有 （2.9）測(cè)出，的大小便可以算出。圖2-2 恒壓源測(cè)溫電路(2)電壓表的電壓： （2.10）2.3.2 影響測(cè)溫精度的因素 引線電阻的影響。用

25、于測(cè)量的金屬熱電阻總要有連接導(dǎo)線，由于金屬熱電阻本身的電阻值較小，所以引線的電阻值及其變化就不能忽略。為此，金屬熱電阻的引線通常采用三線式或四線式接法。 自然誤差。在用金屬熱電阻測(cè)量電路時(shí)，電阻中總要留過(guò)一定的電流并消耗一定的電功率，通電后的發(fā)熱同樣會(huì)造成電阻值的變化，但這種變化是不希望的。使用中應(yīng)盡量減小電阻通電產(chǎn)生的熱而引起的誤差。解決的辦法是限制電流，規(guī)定其值不超過(guò)6mA。 安裝精度的影響。我們知道熱電阻要盡量安裝在管道的中間，以使熱電阻盡量與被測(cè)物體充分接觸，但是，這就會(huì)引起不必要的接觸電阻產(chǎn)生。因此，熱電阻的安裝也會(huì)對(duì)測(cè)溫精度產(chǎn)生不可忽略的影響。2.4 熱量算法的計(jì)算2.4.1 熱量

26、計(jì)算原理熱量計(jì)算原理：將一對(duì)溫度傳感器分別安裝在供水管道的進(jìn)出水口，溫度傳感器將測(cè)得的進(jìn)出水的溫度傳送到單片機(jī)，單片機(jī)將收到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，最后計(jì)算出熱量。2.4.2 熱量計(jì)算基本公式（1） 焓差法 （2.11)其中：Q是釋放或吸收的熱量；是流經(jīng)熱量表的品質(zhì)流量；是流經(jīng)熱量表的液體流量；指流經(jīng)熱量表的液體密度；是指在熱交換系統(tǒng)的入口和出口溫度下液體的焓值差：；t為時(shí)間。該公式表示：當(dāng)水流經(jīng)系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)配對(duì)溫度傳感器給出的進(jìn)出液體溫度，以及流量傳感器給出的體積流量，通過(guò)積分運(yùn)算就可以得到該系統(tǒng)吸收或者釋放的總熱量。（2） 熱系數(shù)法 （2.12）其中：Q為吸收或者釋放的熱量；v是為液體流過(guò)的體積

27、；為熱量表入口處液體的溫度；為熱量表出口處液體的溫度；k為熱系數(shù)。但是使用該公式有個(gè)前提：即必須滿足入口溫度高于出口溫度時(shí)才能獲得對(duì)應(yīng)k系數(shù)，否則該公示不可使用。本課題采用焓差法來(lái)計(jì)算熱量。第三章 流量檢測(cè)原理第三章 流量檢測(cè)原理3.1 流量的概念和溫度一樣，流量也是控制過(guò)程中的重要參數(shù)。一方面，它是判斷生產(chǎn)狀況、衡量設(shè)備運(yùn)行效率的重要指標(biāo)。例如，在許多工業(yè)生產(chǎn)中，一方面用測(cè)量和控制流量來(lái)確定物料的配比與消耗，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和最優(yōu)控制；另一方面，還需要將介質(zhì)流量作為生產(chǎn)操作和控制其它參數(shù)（如溫度、壓力、液位等）的重要依據(jù)。所以，對(duì)流量的測(cè)量與控制是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的一項(xiàng)重要任務(wù)。在生產(chǎn)

28、過(guò)程中，常把單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)工藝管道某截面的流體數(shù)量稱(chēng)為瞬時(shí)流量，而把某一段時(shí)間內(nèi)流過(guò)工藝管道某截面的流體總量稱(chēng)為累積流量。瞬時(shí)流量和累積流量可以用體積表示，也可以用質(zhì)量或重量表示。（1） 體積流量 以體積表示的瞬時(shí)流量用表示，單位為；以體積表示的累積流量用表示，單位為。他們的計(jì)算式分別為 （3.1） （3.2)式中，為截面A中某一微元面積上的流體速度；為截面A上的平均流速。（2） 重量流量 以重量表示的瞬時(shí)流量用表示，單位為牛頓/小時(shí)；以重量表示的累積流量用表示，單位為牛頓（N）。它們與流量的關(guān)系分別為 (3.3）式中，表示流體的重度。（3） 質(zhì)量流量 以質(zhì)量表示的瞬時(shí)流量用表示，單位為/s；

29、以質(zhì)量表示的累積流量用表示，單位為。它們與體積流量的關(guān)系分別為 （3.4）式中，表示流體的密度。3.2 時(shí)差法超聲波測(cè)流量原理3.2.1 時(shí)差法超聲波測(cè)流量的特點(diǎn)時(shí)差法測(cè)流量原理具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1) 對(duì)于小管徑時(shí)差測(cè)量比較困難。目前可測(cè)的最小管徑為25mm，采用V型或W型聲道以擴(kuò)大聲程長(zhǎng)度，增加順逆向聲傳播時(shí)間。對(duì)于Z型聲道一般用于50mm以上管道。(2) 用途比較廣泛，適用于各種液體和不同管徑。除管道外，還可用于管道、河流等的流速、流量的測(cè)量。時(shí)差法較適于測(cè)量純凈液體。有較多氣泡的液體或懸浮物會(huì)阻礙聲脈沖正常傳播，導(dǎo)致不能正常測(cè)量。(3) 電子線路的集成程度較高，幾乎不需要修理與維護(hù)，編

30、程靈活簡(jiǎn)單，用戶輸入的數(shù)據(jù)均為常用的原始直接數(shù)據(jù)，不需要經(jīng)過(guò)人工計(jì)算，省力省時(shí)效率高。(4) 組成簡(jiǎn)單，主要有換能器和電子電路構(gòu)成。不僅對(duì)導(dǎo)電的介質(zhì)，而且對(duì)不導(dǎo)電的介質(zhì)實(shí)現(xiàn)無(wú)壓損測(cè)量。因?yàn)闀r(shí)差法超聲測(cè)流量具有許多突出優(yōu)點(diǎn)，所以它具有強(qiáng)大的生命力。3.2.2 時(shí)差法超聲波測(cè)流量基本原理時(shí)差法超聲波流量測(cè)量的基本原理是：利用超聲波在流體當(dāng)中逆流和順流傳播速度的差異，在管道的兩端安裝一對(duì)換能器，兩換能器交替發(fā)射和接受信號(hào)，最終測(cè)出超聲波的傳播時(shí)間差，將數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算，最后計(jì)算出總的熱量。圖3-1 時(shí)差法超聲波測(cè)流量示意圖超聲波流量計(jì)的超聲波換能器一般是斜置在管壁外側(cè)，如圖3-1所示。圖

31、中采用一對(duì)換能器，每一個(gè)換能器兼作聲波的發(fā)射和接受，實(shí)際應(yīng)用中也可以采用兩對(duì)換能器。假設(shè)聲波在順流方向的傳播時(shí)間為，在逆流方向的傳播時(shí)間為，據(jù)圖可以求出： （3.5） (3.6)其中：為超聲波傳播的折射角度；c為聲波在靜止流體的傳播速度；D為管道內(nèi)徑大?。涣黧w的流速為v；為信號(hào)在一個(gè)循環(huán)中除在流體中傳播所需的時(shí)間。順流方向和逆流方向的傳播時(shí)間差為： （3.7)大多數(shù)情況下cVsin，所以上式可變?yōu)?(3.8)因此，如果知道了，及D，并且檢測(cè)出超聲波傳播時(shí)間并計(jì)算出傳播時(shí)間差，就可以計(jì)算出超聲波在流體當(dāng)中的傳播速度V，超聲波流量計(jì)所測(cè)得的流速與實(shí)際傳播速度之間存在差異，主要是由于聲速取順逆流方向

32、聲波傳播時(shí)間，聲速會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。為減小這種誤差，可令： （3.9）取，則 （3.10）帶入(3.8)式得 （3.11）其中，Q為修正系數(shù)，為管道截面積。即 （3.12）3.3 超聲波傳播時(shí)間測(cè)量技術(shù)準(zhǔn)確測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處。一般的，測(cè)量時(shí)間方法有三種，分別為脈沖計(jì)數(shù)法、鎖相環(huán)路法、高精度計(jì)時(shí)芯片。由于高精度計(jì)時(shí)芯片測(cè)量時(shí)間的方法較前兩種方法精度更高，并且滿足低功耗的要求，因此本設(shè)計(jì)采用高精度計(jì)時(shí)芯片TDC-GP2來(lái)測(cè)量超聲波傳播時(shí)間。計(jì)時(shí)芯片的基本測(cè)時(shí)原理如圖3-2所示，其中計(jì)時(shí)芯片的START和STOP管腳，分別是開(kāi)始計(jì)時(shí)控制信號(hào)和結(jié)束計(jì)時(shí)控制信號(hào)的輸入腳，它們的觸發(fā)電

33、平是由生產(chǎn)廠家自己設(shè)定的，并且只接收一次觸發(fā)，即當(dāng)START通道中第一個(gè)作START信號(hào)的脈沖到來(lái)后，通道則視為關(guān)閉，不再接收任何脈沖信號(hào)，直到芯片初始化后，下一次測(cè)量才會(huì)開(kāi)始，STOP通道也會(huì)做相同處理。這種芯片可直接與單片機(jī)通訊，并且具有低功耗、高精度的優(yōu)勢(shì)，使硬件電路的設(shè)計(jì)更為方便，更是降低了整機(jī)成本和功耗。圖3-2 計(jì)時(shí)芯片的測(cè)時(shí)原理TDC-GP2很適合低成本的超聲波熱量計(jì)。由于其良好的功能性（包括精確的溫度測(cè)量，觸發(fā)脈沖產(chǎn)生器，窗口和時(shí)鐘校準(zhǔn)器），加上一個(gè)簡(jiǎn)單的微處理器（不需要A/D轉(zhuǎn)換）和一個(gè)傳感驅(qū)動(dòng)與接收器，就可以構(gòu)成一完整的超聲波熱量計(jì)。極低的損耗電流保證了在這些應(yīng)用中電池具有

34、較長(zhǎng)的有效使用時(shí)間，TDC-GP2可自動(dòng)完成測(cè)量。微處理器只須發(fā)送一個(gè)開(kāi)始命令，TDCGP2就會(huì)自動(dòng)觸發(fā)傳感器并測(cè)量飛行時(shí)間。GP2計(jì)算出結(jié)果并傳送給微處理器。TDC-GPZ的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。主要對(duì)它的TDC模塊進(jìn)行介紹，分析其工作原理。圖3-3 TDC-GPZ芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖觸發(fā)脈沖發(fā)生器可產(chǎn)生頻率、相位和脈沖個(gè)數(shù)都可調(diào)的脈沖序列。高速振蕩器頻率用作基本頻率。這個(gè)頻率在內(nèi)部被倍頻，它還可以自由地除以因子2-15進(jìn)行分頻，可以產(chǎn)生1-15個(gè)脈沖序列，每個(gè)脈沖序列都可通過(guò)設(shè)置寄存器來(lái)調(diào)節(jié)其相位。通過(guò)發(fā)送代碼Start_Cycle來(lái)啟動(dòng)觸發(fā)脈沖發(fā)生器。觸發(fā)脈沖發(fā)生器提供兩個(gè)輸出結(jié)果：Fire

35、1和Fire2。每個(gè)輸出在5V時(shí)的驅(qū)動(dòng)能力是48mA。這兩個(gè)輸出的驅(qū)動(dòng)能力可以同時(shí)增加到96mA。此外，每個(gè)輸出信號(hào)可以被反向使信號(hào)的振幅加倍，輸出管腳能被單獨(dú)地設(shè)置為高阻態(tài)。TDC-GPZ內(nèi)部具有兩種測(cè)時(shí)模式，其中一種稱(chēng)為粗計(jì)時(shí)模式(CoarseCount)，另外一種就是高精度計(jì)時(shí)模式(FineCount)，如圖3-4所示。圖3-4 TDC一GPZ計(jì)時(shí)原理圖數(shù)字TDC是以信號(hào)通過(guò)內(nèi)部門(mén)電路的傳播延遲來(lái)進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測(cè)量的。采用前置配器來(lái)擴(kuò)展可測(cè)量的最大時(shí)間間隔，分辨率保持不變。在此模式下，TDC的高速單元并不測(cè)量整個(gè)時(shí)間間隔，僅僅測(cè)量從START或STOP信號(hào)到相鄰的基準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿之間的

36、間隔時(shí)間（fine-counts）。在兩次精密測(cè)量之間，TDC記下基準(zhǔn)時(shí)鐘的周期數(shù)。門(mén)電路的傳播延遲時(shí)間主要取決于溫度和電壓。在測(cè)量范圍2中測(cè)量結(jié)果是精確測(cè)量值和粗略測(cè)量值的總和。因此在測(cè)量范圍2中必須進(jìn)行校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)期間，TDC分別測(cè)量一個(gè)和兩個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘周期。這種測(cè)量方式的測(cè)量結(jié)果精度對(duì)于芯片內(nèi)部的基礎(chǔ)邏輯門(mén)的延遲時(shí)間非常依賴(lài)。利用這種方法，才有上面提到的65Ps的精度。具體測(cè)量過(guò)程為：高速度即使單元在Start信號(hào)到來(lái)時(shí)才開(kāi)始工作，Start信號(hào)過(guò)來(lái)一個(gè)高電平，高速計(jì)時(shí)單元立即開(kāi)始計(jì)時(shí)，高速計(jì)時(shí)單元會(huì)計(jì)時(shí)一定時(shí)間。利用之前講述的高精度計(jì)時(shí)模式測(cè)量該信號(hào)到參考時(shí)鐘的下一上升沿之間的時(shí)間，ST

37、OP信號(hào)在計(jì)時(shí)單元工作期間到來(lái)，會(huì)立即測(cè)出START與STOP之間的時(shí)間，否則會(huì)立即進(jìn)入粗計(jì)時(shí)狀態(tài)。高精度計(jì)時(shí)芯片會(huì)測(cè)出參考時(shí)鐘第二次高電平到來(lái)的時(shí)間，至此，時(shí)間測(cè)量完成。最終，經(jīng)過(guò)芯片中的數(shù)據(jù)處理模塊得出時(shí)間： （3.13）第四章 熱量表的硬件設(shè)計(jì)第四章 熱量表的硬件設(shè)計(jì)4.1 熱量表的總體設(shè)計(jì)熱量表的總體結(jié)構(gòu)由以下三個(gè)部分組成：流量計(jì)，用途是采集水流量并發(fā)出流量信號(hào)的器件；配對(duì)溫度傳感器，分別用于測(cè)量熱交換系統(tǒng)進(jìn)水和回水溫度；數(shù)據(jù)處理及顯示模塊，目的是接收來(lái)自流量傳感器和溫度傳感器提供的流量和溫度信號(hào)，并通過(guò)熱量計(jì)算公式可得到用戶在一定時(shí)間內(nèi)從熱交換系統(tǒng)獲得的熱量。如圖4-1所示：圖4-1

38、 熱量表總體框圖4.2 單片機(jī)的選擇本課題選擇單片機(jī)MSP430F4152作為系統(tǒng)芯片。該芯片具有超低功耗、功能集成度高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于功率要求較低的場(chǎng)合，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)、液晶顯示的智能儀表、智能檢測(cè)與控制系統(tǒng)、醫(yī)療與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、家用電器和保安系統(tǒng)等領(lǐng)域。MSP430F4152單片機(jī)采用內(nèi)存結(jié)構(gòu)，對(duì)內(nèi)存進(jìn)行統(tǒng)一編址，利用公共內(nèi)存控件對(duì)系統(tǒng)的全部功能模塊尋址。同其它微處理器相比，該芯片可以大大延長(zhǎng)電池的使用壽命，單片機(jī)的啟動(dòng)更加迅速；芯片抗干擾能力強(qiáng)；64KB的尋址控件，僅3種指令格式，且全部為正交結(jié)構(gòu)；盡可能做到1位元組/指令；源操作有7種尋址模式，外部中斷I/O口具有中斷能力；對(duì)

39、同時(shí)發(fā)生的中斷按優(yōu)先級(jí)別處理；嵌入中斷機(jī)構(gòu)，支持在中斷服務(wù)過(guò)程中再次響應(yīng)其它中斷；外圍模塊地址不占用RAM控件，均在模塊內(nèi)；有10位或更高精度的ADC。4.2.1 基本結(jié)構(gòu)MSP430FE425引腳定義：圖4-2 MSP430FE4152引腳定義選用封裝為64腳扁平封裝，其工作溫度范圍：-4085。4.2.2 方便的開(kāi)發(fā)環(huán)境 1建立開(kāi)發(fā)環(huán)境在光盤(pán)中找到software文件夾下的EW430-ev-web-342A.exe檔并運(yùn)行。在安裝過(guò)程中，最簡(jiǎn)單的方法是按默認(rèn)位置安裝。2新建一個(gè)工程編寫(xiě)代碼完成后，可按F7快捷鍵或選擇主菜單Project下的Make子菜單建立可執(zhí)行二進(jìn)制代碼檔。若工程編譯（

40、Make）成功，則可進(jìn)行下載調(diào)試。否則，出錯(cuò)信息會(huì)顯示在信息窗口中，根據(jù)出錯(cuò)信息調(diào)試程序。圖4-3 MSP430的內(nèi)嵌仿真模塊4.3 溫度傳感器接口電路的設(shè)計(jì)圖4-4 溫度傳感器接口電路溫度傳感器接口電路如圖4-4所示。有一對(duì)熱電阻傳感器和芯片ELM7S14B組成。ELM7S14B是COMS施密特觸發(fā)反向集成電路。內(nèi)部電路由三段邏輯門(mén)電路構(gòu)成，可以達(dá)到高抗噪性能和非常穩(wěn)定的輸出，還可以調(diào)整信號(hào)脈沖。4.4 流量傳感器接口電路的設(shè)計(jì)圖4-5 流量傳感器接口電路流量傳感器接口電路如圖4-5所示，有一對(duì)換能器和放大電路芯片組成。換能器的安裝包括夾裝式和固定式兩種。在這里簡(jiǎn)單介紹一下固定式安裝方法。在

41、制造流量計(jì)時(shí)將換能器固定在測(cè)量管上，并于測(cè)量管組成一體，構(gòu)成專(zhuān)門(mén)的超聲波式流量傳感器。測(cè)量時(shí)，流體與換能器接觸。因此，固定式超聲波流量計(jì)可用于液體和氣體的測(cè)量。第五章 軟件程序的設(shè)計(jì)第五章 軟件程序的設(shè)計(jì)超聲波熱量表系統(tǒng)的整個(gè)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將各功能模塊設(shè)計(jì)成獨(dú)立的編程調(diào)試程序塊，這樣不僅有利于功能的擴(kuò)展，而且便于調(diào)試和連接，更有利于程序的移植和修改。5.1 MSP430單片機(jī)的編程語(yǔ)言和編譯環(huán)境MSP430單片機(jī)的開(kāi)發(fā)軟件較常用的是IAR公司的IAR Embedded Workbench集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，它可以編輯、匯編和編譯匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言源文件，并且其C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言具有相同格式的頭

42、檔，給開(kāi)發(fā)帶來(lái)了靈活性。單片機(jī)應(yīng)用C語(yǔ)言進(jìn)行編程更符合當(dāng)下的潮流。C語(yǔ)言編程有很多優(yōu)點(diǎn)，程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、緊湊、規(guī)整，表達(dá)式簡(jiǎn)練、使用靈活。編寫(xiě)的程序可讀性強(qiáng)，編譯效率高。數(shù)據(jù)類(lèi)型種類(lèi)繁多。C語(yǔ)言具有5種基本的數(shù)據(jù)類(lèi)型和多種構(gòu)造數(shù)據(jù)類(lèi)型以及復(fù)合的導(dǎo)出類(lèi)型，同時(shí)還提供了與地址密切相關(guān)的指針機(jī)器運(yùn)算符。指針可以指向各種類(lèi)型的簡(jiǎn)單變量、數(shù)組、結(jié)構(gòu)和聯(lián)合乃至函數(shù)等。此外，C語(yǔ)言還允許用戶自己定義數(shù)據(jù)類(lèi)型。C語(yǔ)言具有編寫(xiě)結(jié)構(gòu)化程序所必需的基本流程控制語(yǔ)句，C語(yǔ)言程序是由函數(shù)集合構(gòu)成的，函數(shù)各自獨(dú)立，并且作為模塊化設(shè)計(jì)的基本單位。語(yǔ)法限制不太嚴(yán)格，能進(jìn)行位（bit）操作，可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作。因此，C語(yǔ)言既

43、具有高級(jí)語(yǔ)言的功能，又兼容低級(jí)語(yǔ)言的許多功能，可用來(lái)編寫(xiě)系統(tǒng)軟件。具有較高的可移植性。它的語(yǔ)句基本上無(wú)須修改就能用于各種型號(hào)的計(jì)算機(jī)和各種操作系統(tǒng)。C語(yǔ)言是處于匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言之間的一種中間型程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，常被稱(chēng)為中級(jí)語(yǔ)言。它既有高級(jí)語(yǔ)言的基本特點(diǎn)，又具有匯編語(yǔ)言面向硬件和系統(tǒng)，可以直接訪問(wèn)硬件的功能。本設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程，因此，需要把寄存器分為兩組。(1) 高速緩存器（R12R15），為了滿足計(jì)算準(zhǔn)確，速度較快，因此，高速寄存器用來(lái)傳送參數(shù)(2) 普通寄存器（R4R11），在編寫(xiě)程序過(guò)程中，要用到大量的變量以及中間變量，因此，可以利用普通寄存器來(lái)儲(chǔ)存這些參數(shù)。但是要注意，這些參數(shù)十分重要，

44、要注意保護(hù)，確保不會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)。由于測(cè)量過(guò)程的復(fù)雜性，外界有較多的干擾因素，中斷可能隨時(shí)發(fā)生，因此，編寫(xiě)中斷函數(shù)不適合調(diào)用約定。在編寫(xiě)當(dāng)中要注意： 寄存器的信息安全保護(hù)，在整個(gè)過(guò)程中都要保護(hù)寄存器中儲(chǔ)存的信息數(shù)據(jù)。 INTVEC處定義中斷變量，這是不可忽略的。整個(gè)軟件構(gòu)成如圖5-1所示，系統(tǒng)主程序和中斷服務(wù)程序構(gòu)成系統(tǒng)的軟件程序。整個(gè)系統(tǒng)完成初始化以后自動(dòng)進(jìn)入掉電模式，而一些中斷程序可將單片機(jī)喚醒進(jìn)入工作模式。這些終端程序包括測(cè)量程序、案件顯示程序和時(shí)鐘程序等，單片進(jìn)入工作模式以后開(kāi)始進(jìn)行內(nèi)存的讀寫(xiě)、進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理，等到這些工作完成以后，系統(tǒng)又自動(dòng)進(jìn)入掉電模式。整個(gè)軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，這些

45、模塊包括溫度檢測(cè)模塊、流量檢測(cè)模塊、通訊模塊。圖5-1系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)5.2 系統(tǒng)主程序本系統(tǒng)中的主程序主要是完成單片機(jī)MSP430F4152的內(nèi)部模塊和寄存器的設(shè)置、端口資源和內(nèi)存的配置、存儲(chǔ)功能與數(shù)值計(jì)算，其它時(shí)間單片機(jī)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗模式，測(cè)量和按鍵中斷會(huì)把它從睡眠狀態(tài)喚醒。因此CPU大部分時(shí)間都處于在低功耗模式下，把功耗降到最低。主程序流程圖如圖5-2所示。開(kāi)始參數(shù)處理初始化進(jìn)入低功耗模式等待中斷喚醒按鍵中斷？5s時(shí)間到？判別按鍵LCD顯示啟動(dòng)時(shí)差測(cè)量TimeEndSign=0？啟動(dòng)溫度測(cè)量TimeEndSign=0？計(jì)算子程序存儲(chǔ)資料YYYYNNNN圖5-2主程序流程圖5.2.

46、1 初始化模塊(1) 看門(mén)狗初始化。使單片機(jī)可以在無(wú)人狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作，其工作原理是：看門(mén)狗芯片和單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳相連，該I/O引腳通過(guò)程控它定時(shí)地往看門(mén)狗的這個(gè)引腳上送入高電平(或低電平)，這一程序語(yǔ)句是分散地放在單片機(jī)其它控制語(yǔ)句中間的，一旦單片機(jī)由于干擾造成程序跑飛后而陷入某一程序段進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài)時(shí)，寫(xiě)看門(mén)狗引腳的程序便不能被執(zhí)行，這個(gè)時(shí)候，看門(mén)狗電路就會(huì)由于得不到單片機(jī)送來(lái)的信號(hào)，便在它和單片機(jī)復(fù)位引腳相連的引腳上送出一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使單片機(jī)發(fā)生復(fù)位，即程序從程序內(nèi)存的起始位置開(kāi)始執(zhí)行，這樣便實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的自動(dòng)復(fù)位。在系統(tǒng)運(yùn)行以后也就啟動(dòng)了看門(mén)狗的計(jì)數(shù)器，看門(mén)狗就開(kāi)始自動(dòng)計(jì)數(shù)，如

47、果到了一定的時(shí)間還不去清看門(mén)狗，那么看門(mén)狗計(jì)數(shù)器就會(huì)溢出從而引起看門(mén)狗中斷，造成系統(tǒng)復(fù)位。所以在使用有看門(mén)狗的芯片時(shí)要注意清看門(mén)狗。(2) I/O埠的初始化。MSP430F4152共有48個(gè)I/0埠，其中Pl、P2口具有中斷能力。大多數(shù)的I/O口會(huì)被使用，而大部分I/0不僅可作為輸入/輸出口還可以和片內(nèi)模塊功能復(fù)用，因此I/0的初始化會(huì)比較繁雜。對(duì)本課題中所使用的I/O埠的初始化如下：P1口：具有中斷能力，外部中斷可經(jīng)過(guò)該埠傳遞到單片機(jī)，將P1.6、P1.7設(shè)置為中斷方式，通過(guò)下降沿觸發(fā)，其余埠設(shè)置為輸出狀態(tài)，不去使用。P2口：P2.l，P2.2，P2.4，P2.5，P2.6和P2.7全部設(shè)置

48、成輸出狀態(tài)，而把P2.0為定時(shí)器TA2設(shè)置為捕獲輸入，把P2.6設(shè)置為比較器A輸出，P2SEL的第7位置1；將P2.3設(shè)置為按鍵輸入，令P2SEL=Ox41。P3口：溫差和時(shí)差測(cè)量芯片的控制端口，將P3.0P3.3，P3.5P3.7全部設(shè)置為輸出狀態(tài)，僅把P3.4設(shè)置為輸入狀態(tài)。P4口：P4.0P4.5設(shè)置為輸出狀態(tài)，當(dāng)作液晶顯示器的控制埠使用；P4.6設(shè)置為輸出狀態(tài)，可作為發(fā)射接收電路切換控制端口；P4.7不用，設(shè)置成輸出狀態(tài)。P5口：P5.2P5.4設(shè)置為輸出狀態(tài)，可作為時(shí)鐘電路的控制端口；其余埠用不到，也可以設(shè)置為輸出狀態(tài)。P6口：P6.3P6.5設(shè)置為輸出，用作控制端；其它埠全部設(shè)置為

49、輸出狀態(tài)。(3) 內(nèi)部時(shí)鐘的初始化。系統(tǒng)共采用了三種不同的時(shí)鐘信號(hào)，分別為MCLK、SMCLK、ACLK。其中，把50H賦給SCFI0控制寄存器，意思是DCOCLK的頻率可在2.826.6MHz之間調(diào)整。把A0H賦給FLL_CTL0控制寄存器，可選擇振蕩器電容為pF。SCFQCTL寄存器賦予的值與SCFI0中的D位可作為控制DCOCLK的頻率MCLK和SMCLK信號(hào)。SCFQCTL的位與含義如表5-1所示：表5-1 系統(tǒng)時(shí)鐘控制寄存器76543210MNNNNNNN其中，N的范圍為1127，當(dāng)DCO在MCLK和SMCLK前允許分頻時(shí)，SMCLK的頻率可由式5.1得到 （5.1）=32768Hz

50、、分頻系數(shù)D=2，N=121，MCLK和SMCLK為7.99MHz，該頻率值不可以超過(guò)DCOCLK設(shè)定的范圍。(4) 內(nèi)部定時(shí)器的初始化。使用單片機(jī)MSP430F4152內(nèi)部的基本定時(shí)器Basic Timer1可用來(lái)控制芯片的休眠時(shí)間，中斷的時(shí)候單片機(jī)自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)。Basic Timer1由BTCNT1、BTCNT2與一個(gè)控制寄存器BTCTL構(gòu)成，BTCNT1、BTCNT2作為兩個(gè)計(jì)數(shù)單元使用。BTCTL各位定義如表5-2所示：表5-2 基本定時(shí)器控制寄存器76543210SSELHOLDDIVFRFQ1FRFQ0IP2IP1IP05.2.2 計(jì)算子程序計(jì)算子程序是通過(guò)測(cè)量的溫度差值與超聲

51、波傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算瞬時(shí)/累積流量、瞬時(shí)/累積熱量的程序。本設(shè)計(jì)在實(shí)際的測(cè)量中采用的是高精度測(cè)量芯片TDC-GP2，但是在進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，結(jié)果寄存器中存儲(chǔ)的值不是我們渴望得到的溫度，而是放電電容的放電時(shí)間，因此必須通過(guò)溫度查表程序才能得到準(zhǔn)確的溫度值。在超聲波傳播時(shí)間測(cè)量時(shí)，TDC-GP2結(jié)果寄存器中的數(shù)值是由16位整數(shù)與16位小數(shù)組成并且以2的補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)的32位固定浮點(diǎn)數(shù)。根據(jù)溫差與瞬時(shí)流量，通過(guò)熱量以及流量算法將其轉(zhuǎn)換成熱量，這就是計(jì)算熱量的整個(gè)過(guò)程。5.3 中斷程序5.3.1 溫度測(cè)量模塊溫度測(cè)量流程圖如圖5-3所示。高精度測(cè)量芯片TDC-GP2中內(nèi)嵌高精度低功耗溫度測(cè)量單元。溫度測(cè)量單元

52、接收到微控制器發(fā)送的“Start_Temp”信號(hào)就會(huì)啟動(dòng)，進(jìn)行溫度測(cè)量。在測(cè)量結(jié)束后，置位中斷標(biāo)志位會(huì)向芯片發(fā)送中斷信號(hào)，結(jié)果寄存器會(huì)存儲(chǔ)下測(cè)量的結(jié)果。CPU要通過(guò)比較判斷測(cè)量結(jié)果是否有效，當(dāng)溫度傳感器斷路、短路或者是TDC溢出引起中斷時(shí)，測(cè)量結(jié)果無(wú)效；并非以上三種情況時(shí)，可視為溫度測(cè)量有效，讀出寄存器中的數(shù)值，然后根據(jù)通過(guò)查表來(lái)計(jì)算液體溫度，并把測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)起來(lái)。圖5-3 溫差測(cè)量流程圖5.3.2 流量檢測(cè)模塊超聲波傳播時(shí)間測(cè)量流程如圖5-4所示。把超聲波采集信號(hào)的時(shí)間間隔設(shè)定為5s，可通過(guò)一個(gè)寄存器 Count1_T和基本定時(shí)器（Basic Timer1）來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔的設(shè)置。在本設(shè)計(jì)方案

53、的中所設(shè)定的溢出時(shí)間是1s，然而要實(shí)現(xiàn)5s的定時(shí)時(shí)間，定時(shí)器中斷的次數(shù)需要被統(tǒng)計(jì)下來(lái)，可由一個(gè)寄存器完成。寄存器初始值賦值5，當(dāng)定時(shí)器到達(dá)之前設(shè)置的1s后，就會(huì)產(chǎn)生定時(shí)器中斷，進(jìn)入中斷程序，接著要判斷Count1_T是否為0。如果是0，就表明定時(shí)5s的時(shí)間到，將Count1_T清零并轉(zhuǎn)換到超聲波傳播時(shí)間測(cè)量程序；如果不是0，把Count1_T值減1并且返回睡眠狀態(tài)下，等待下一次定時(shí)器中斷的到來(lái)?；径〞r(shí)器中斷喚醒I/O和USART中斷關(guān)顯示NUMT=35?CONT2=0?LMP3NUMT-1 NUMTCONT-2 CONTYLAMP0NTACCR2捕捉A2開(kāi)發(fā)射脈沖N返回進(jìn)入溫度測(cè)量NUM=5

54、?A0-A2 T1TACCR0捕捉A0上電發(fā)射電路順逆流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換發(fā)連續(xù)脈沖發(fā)啟動(dòng)脈沖YNY 圖5-4超聲波傳播時(shí)間測(cè)量流程圖進(jìn)入超聲波傳播時(shí)間測(cè)量中斷程序時(shí)，必須首先把單片機(jī)從睡眠狀態(tài)下喚醒，因?yàn)榛径〞r(shí)器中斷的優(yōu)先級(jí)別最低的原因，任何一個(gè)內(nèi)部中斷或者外部引起的中斷都會(huì)在此中斷過(guò)程之前回應(yīng)。5.4 按鍵和顯示模塊熱量表的數(shù)據(jù)顯示和液晶顯示屏的開(kāi)啟都可以通過(guò)鍵盤(pán)鍵盤(pán)操作來(lái)完成。熱量表輸入的參數(shù)不會(huì)過(guò)于復(fù)雜，因此只需要使用一個(gè)按鍵來(lái)作為輸入接口。按鍵中斷清中斷標(biāo)志位有按鍵按30 CONT2第三次按鍵第四次按鍵第五次按鍵第二次按鍵第一次按鍵 N N N NY讀FLASH讀FLASH讀FLASH讀

55、FLASH Y Y Y Y讀FLASH顯示瞬時(shí)流量顯示瞬時(shí)流量顯示瞬時(shí)流量顯示瞬時(shí)流量顯示瞬時(shí)流量CONT1+1CONT1+1CONT1+1CONT1+1CONT1+1結(jié)束結(jié)束結(jié)束結(jié)束結(jié)束圖5-5 按鍵處理模塊程序流程過(guò)程如圖5-5所示。熱量表中，共有瞬時(shí)/累積流量/熱量、入/出口溫度和時(shí)間7個(gè)物理量，按鍵顯示過(guò)程為從瞬時(shí)流量開(kāi)始，按下一次就會(huì)顯示一個(gè)物理量，7次為一個(gè)循環(huán)，顯示7次之后再?gòu)牡谝粋€(gè)開(kāi)始。所以需要一個(gè)寄存器CONTI來(lái)累計(jì)按鍵次數(shù)，CNOTI初始值為0。當(dāng)有鍵按下時(shí)，寄存器CONTI判斷是第幾次按下，將相應(yīng)位置的數(shù)值送往顯示。考慮到功耗因素，液晶顯示屏不會(huì)一直處于顯示狀態(tài)，本設(shè)計(jì)

56、設(shè)置為如果60s無(wú)按鍵操作則顯示自動(dòng)關(guān)閉。60s的定時(shí)也可以由基本定時(shí)器BT實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榛径〞r(shí)器每2s中斷一次，因此沒(méi)有鍵按下時(shí)，定時(shí)器BT累積中斷30次便可以關(guān)閉液晶顯示。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，首先將30這一數(shù)值儲(chǔ)存到寄存器CNOTI，每次中斷之后，不僅要判斷超聲測(cè)量定時(shí)寄存器UNMT的值，還要檢測(cè)CNOTZ中的值是否是0，如果是0就關(guān)閉液晶顯示，若不是0把CON2減1。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 張宏建，自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與裝置，化學(xué)工業(yè)出版社，2010，170-1712 田良，綜合電子設(shè)計(jì)與實(shí)踐，東南大學(xué)出版社，2002，5-93 潘永湘，程控與自動(dòng)化儀表，機(jī)械工業(yè)出版社，2007，26-274 王祁，智能

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59、 謝宜仁，單片機(jī)硬件接口電路及實(shí)例解析，電子工業(yè)出版社，2009致 謝致 謝本論文是在導(dǎo)師羅永剛老師的悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師淵博的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，開(kāi)闊的思維，循循善誘的指導(dǎo)，平易近人、樸實(shí)無(wú)華的人格魅力，兢兢業(yè)業(yè)的工作態(tài)度，力求盡善盡美的工作作風(fēng)，忘我的工作精神對(duì)我影響深遠(yuǎn)，并將成為我今后學(xué)習(xí)工作的的榜樣。從論文的選題、課題的進(jìn)行、每個(gè)階段的研究直至論文的撰寫(xiě)和修改，都凝結(jié)著老師的心血。在此，謹(jǐn)向恩師致以崇高的敬意和衷心的感謝。在本論文完成時(shí)，導(dǎo)師、同學(xué)的無(wú)私幫助給了我前進(jìn)的動(dòng)力和完成論文的保證。最后，我要感謝四年的大學(xué)生活，感謝傳授給我知識(shí)的老師們，感謝所有幫助過(guò)我的人！附錄I附錄I基于單片機(jī)的智能熱量表程序：#include#include#i