第1个回答 推荐于2017-12-15
一、引言
随着国家对城镇供热采暖采用热量计量政策的不断推广，热能计量仪表的开发和研制显得越来越重要。它不仅具有显著的经济效益，而且对建设节约型社会，实现社会的可持续发展具有深远的社会意义。传统的数字机械式结构热量表具有对水质的要求高、在小流量下实现高精度测量困难和寿命短等缺点。
因此，近几年来，超声波热量表开始受到越来越多的研究学者的关注。一些科研院所和热量表生产厂家也研制出了很多有特色的超声波热量表，但他们研制的热量表大都采用有线回水温度测量方法，目前还尚未见热能表采用无线温度传感器测量温度的报道。
本文提出了一种基于无线回水测温的超声波热量表。这种新型热量表利用无线回水温度采集器测量温度，能够解决现有热量表需有线测量回水温度带来的可靠性、安全性差等诸多问题。同时，为了提高温度的测量精度，又不增加成本，本文根据-A/D转换器原理，设计了一种基于MSP430F123单片机的低功耗、低成本、高精度和抗干扰能力强的近似-A/D转换技术的方案。
二、无线温度传感超声波热量表设计
本文设计的无线温度传感超声波热量表与普通热量表最大的区别在于，普通热量表的进水和回水温度测量、流量测量以及外围器件是完全一体的；而在无线温度传感超声波热量表中，回水温度测量单元与进水温度测量和流量部分是“相互独立的”，即回水温度测量单元只需完成回水温度的测量，并将测量后的数据通过无线技术，发送给流量计量和进水温度测量单元，流量计量和进水温度测量单元接收到回水温度后进行热量计算，并完成相应的参数的显示。其中，采用时差法进行超声波流量测量，超声波探头采用平行式安装，超声波传感器的驱动采用他激型方式。
整个无线温度传感超声波热量表系统由无线回水温度测量单元和流量计量和进水温度测量单元两部分组成，二者通过无线通讯模块传送数据，各部分功能描述如下：（1）微控制器模块用于对系统的工作进行控制和数据运算，出于低功耗和实际需要的考虑，本文分别选择MSP430F123和MSP430FW425混合信号微控制器作为两单元的微控制器。
（2）回水温度测量、进水温度测量和流量测量模块，分别测量回水温度、进水温度和流量。
（3）基于CRC校验的无线通讯模块，用于实现无线回水温度测量单元和流量计量和进水温度测量单元之间的通讯。
（4）电源及电源控制电路模块为其它模块提供电源支持，在系统电池电压过低时，进行低电压提示。
（5）外扩数据存储电路模块。在电源掉电时，保存重要的数据，如在掉电的时候保存累计热量。
（6）按键输入和LCD显示模块。用LCD显示测量数据，并在运行状态中指示当前热量表的状态，出错时给出错误信息代码。系统中设置了一个按键用来进行液晶的唤醒和显示切换。
三、基于MSP430F123单片机的近似-A/D转换技术
提高温度测量精度最直接的方法就是选择高精度高分辨率的A/D转换器件。常用的A/D转换器中-A/D转换器因具有抗干扰能力强、量化噪声（治理摩托车齿轮传动噪声的解决方案）小、分辨率高和线性度好等优点，已成为了户外智能仪器仪表和工业过程参数检测控制的优先选择。但高精度的A/D转换器件价格高昂，增加了成本。本文根据-A/D转换器原理，设计了一种基于MSP430F123单片机的低功耗、低成本、高精度和抗干扰能力强的近似-A/D转换技术的方案。
MSP430F123的硬件资源为实现-A/D提供了十分便利的条件。
在MSP430F123上实现近似-A/D的硬件电路图如所示。P1.0设置为输出方向，作为普通的I/O口，用其执行1位的数模转换（DAC），以比较器的输出作反馈，在固定长度循环里用P1.0口输出一系列高低电平对称的脉冲来维持Vout与Vin相等。
1.工作原理
假设在A/D转换循环开始前，Vout已预充电到与Vin相等。此后P1.0在电容C上反复充放电，虽然电容充放电是非线性的，但由于充放电幅度极小，只要满足RC远大于一个循环周期，则在一定精度内可以认为充放电过程是线性的。
MSP430F123上I/O口的源漏极开路电阻（RDSON）较低，可以认为输出的高电平的电压值与单片机工作电压Vcc是相等的，输出的低电平的电压值与Vss相等。
2.参数选择1位DAC低通滤波器的充电电阻和电容的选择对精度十分重要，要求Vout的波动电压不能超过1LSB，
这样就可以保证精度达到 1LSB.由提供的程序可以看出，一个循环周期约为14个CPU时钟周期。
MSP430F123的主时钟频率设置为6MHz，则一个循环周期时间为14/6M＝2.3us.DAC波动电压按照不超过1LSB（1/3300mV）计算。
3.具体实现过程
首先P1.0口输出高电平，进行预充电，当电容充电到Vout=Vin时，比较器输出将翻转。此后为维持Vout=Vin，P1.0继续输出脉冲。在每次循环的开始，都需要检查比较器。P1.0口根据比较器的输出状态来决定是输出高还是低电平。如果电容上的电压低于输入电压，则P1.0口输出高电平，对电容充电进而升高电压，高脉冲数加1；反之，输出低电平，对电容放电从而降低电容电压。每隔一个固定的短时间内去读取积分结果。
循环上述步骤，直到达到所需精度。例如，8位转换精度需要256次循环，12位精度需要4096次循环。当输出M（循环系数）个脉冲后停止计数，则此时高脉冲数m与被测电压Vin成正比。以Vcc（这里为3.3V）对应于M个脉冲，则Vin=Vccm/M.M相当于循环次数，通过改变M可以达到要求的分辨率或精度。而且由于Vin与Vcc成正比，将设置循环次数设置为Vcc的整数倍时，可以减少运算量，还可以用于比例式测量。
单片机工作电压为3.3V，系统主时钟频率为6MHz.
四、实验结果
1.近似-A/D转换技术部分实验结果
采用可调电阻代替温度测量电路中的铂电阻，调节电阻，采用-A/D测得放大器输出的电压值和采用万用表测得的实际值的误差。
结果表明，用本文方法测量的-A/D转换器的误差在±2mV，且测量结果跳动范围±2mV以内。上述A/D转换方案，特别适合于测量一些缓慢变化的量，如温度、压力、光、电压等，而且结合MSP430F123的超低功耗特点，比较适合于电池供电的便携式仪器仪表中。
2.回水温度测量结果分析
在回水温度测量中，采用将中值滤波和算术平均值滤波结合使用的复合数字滤波方法。具体方法就是在一个采样周期内，连续采样12次，并把采样值按大小排队，去掉最大的3个值和最小的3个值，再把剩下的6个值取平均值，该平均值作为采样结果。采样的次数和去掉的采样值次数均是在调试过程中，根据实际测量结果来确定的。显然，该方法比单纯的算术平均值滤波和中值滤波的效果要好，实际测量结果也证明了这点。
采用测量精度为0.1℃的标准温度计对热量表的温度测量进行校准实验，表2为回水温度测量的实验数据表。
由表可以看出，采用-A/D经过对数据结果进行软件滤波并校准后，温度测量误差完全达到了0.5级仪表的要求，回水温度测量的绝对误差最大为-0.12℃，满足热量计量中对温度测量精度的要求。整个系统具有精度高、功耗低、电路简单、成本低、抗干扰性能强等特点。
产生误差的原因主要有：第一，热水温度下降较快带来的读数误差；第二，铂电阻的温度和阻值的非线性关系；第三，采用近似-A/D测量时，电压值的近似计算带来的误差；第四，温度测量电路中恒流源等器件受环境温度和器件本身的影响。
五、总结
本文设计的无线温度传感超声波热量表，利用无线集成温度传感器测量回水温度，解决了目前国内外热量表生产单位普遍采用的有线采集回水温度带来的施工安装不便及可靠性低这一突出的共性问题。采用基于MSP430F123单片机的近似-A/D转换技术，能够在不增加成本的基础上，提高温度测量精度。实验结果表明，采用本文方法进行的温度测量误差较小，能够满足热量计量中对温度测量精度的要求。
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