具有防盗功能的热量表的研制

作者：信息来源:电子市场 2007-5-29

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摘要：介绍采用MSP430F133 DSP、Pt1000配对热电阻及脉冲电磁阀设计的热量表的特点。关键词：热量表。burglarproof1简介热量表主要技术指标如下：温度测量范围：0度～99．9度。热量表主要由流量传感器，温度传感器，单片机，显示器及脉冲电磁阀组成。...

　　摘要：介绍采用MSP430F133 DSP、Pt1000配对热电阻及脉冲电磁阀设计的热量表的特点；表内具有的断电自关闭功能解决了防盗的难题。
关键词：热量表；流量；温度；防盗

Research on Heating Meter with Burglarproof Function

　LIAORen－xiu，ZHOUHan－yi

(Hefei University of Technology，Hefei230009，China)

　　Abstract：Features ofthe heating meter adoptingthe MSP430F133 and Pt1000 matching heaterresistance and pulsating electromagnetic valveare introduced．Moreover，the power－off auto－shutting function works outthe burglarproof problem．
　　Key words：heater meter；flux；temperature；burglarproof

1　简介
热量表主要技术指标如下：
　　温度测量范围：0度～99．9度；工作电流：＜3mA；温度测量精度：0．1度；流量测量精度：0．01m3。
　　原理框图如图1所示。热量表主要由流量传感器，温度传感器，单片机，显示器及脉冲电磁阀组成。流量传感器把测得的流量值传送到单片机，同时温度传感器把测得的暖气入口和出口温度值传送到单片机。单片机按照热量计算公式(1)计算出热量值，并由显示器显示。断电时，脉冲电磁阀自动关闭。

　　其中Q为热量(kJ)，q_m为热量表中载热体的体积流量，Δh为入口和出口载热液体的热焓之间的焓差，dt为时间增量。

2　硬件构成及工作原理
2．1　流量传感器
　　在流量表的指针上安装一个小磁铁(图2)，在表盘上安装一干簧管，当指针指向干簧管时，干簧管受磁铁吸引闭合后向单片机传送一个低脉冲。干簧管闭合前A点被置高，闭合后使电容C放电产生一个下降沿，送到单片机的脉冲和指针转过的圈数一致(转一圈 10升)，实现精确计数。

2．2　温度传感器
　　选择Pt1000的铂电阻，它精度高、稳定性好，配对精度可达到0．05％。它和MSP430微控制器中的比较器及定时器联合使用对温度进行测量，精度优于0．1％。
　　利用单片机的比较器模块，并配合片内定时器，测量通过Pt1000铂电阻和标准电阻对同一电容充电到同一电压值的充电时间，通过两者充电时间之比以及标准电阻的阻值可得Pt1000电阻的阻值，进而得到温度值。温度测量部分的工作原理如图3所示：R1和C1分别为高精度的标准电阻和电容。R_入为暖气入口热电阻，R_出为出口热电阻。

　　第一步把R_入R_出置为高阻，使它们处于断开状态，R1置为输出(设电压为U)对A点充电，同时打开片内定时器，当A点电压充到外加电压U_b时，比较器输出端由低转为高，同时计录定时器的值T1，设充电时间为t1。由此我们得到方程式(2)：

    第二步把R1、R_入置为高阻，R_出置为输入并延时让电容C1充分放电。然后同第一步，通过电阻R_出对电容C1充电，设对应的充电时间为t2，定时器的读数为T2。由此可得到方程式(3)：
　　　　
    第三步同第二步，测出通过R_入对电容C1充电的时间t3，定时器读数T3。可以得到方程式(4)：
　　　
    由上面三步得到的三个方程式求得：R_出＝t2＊R1/t1；R_入＝t3＊R1/t1。由于定时器的值的大小即为充电时间的短。可用T1、T2、T3代替t1、t2、t3求得R_入与R_出。根据热电阻的阻值—温度拟合曲线得到温度T_入、T_出。在个过程中，由于A点的充电时间较短，在这么短的时间里输出电压U与电容变化很小，故对电压U与电容精度的要求不很高。但对R1的精度要求较高，因此选用经激光修整的精密电阻。
2．3　电源
    电源必须体积小，容量大，电压的选择兼顾到单片机、脉冲电磁阀的要求。MSP430F133微控制器的工作电流为1．5mA，等待电流为7μA，显示电路为3μA左右。相对于工作电流，等待和显示电路的耗电基本可以忽略。2年约工作200天，按此工作时间的耗电量为：1．5mA＊24h＊200＝0．72Ah。选用3．6V的锂电池，一节锂离子电池的容量约为1．5Ah，它的正常使用量一般达70％，大于两年的工作耗电量，因而符合设计的要求。
2．4　显示器
　　采用低功耗的LCM101(L)10位多功能8段式液晶显示块。设计最终的显示位数为10位。显示数有：进口温度、出口温度、进出口水温差、累积流量、累积热量，以上参数循环显示。温度显示分辨率为0．1 度，流量显示分辨率为0．01m³，热量显示分辨率为0．1MJ。

3　阀门开关与断电自关闭电路
　　由电磁阀的原理知，电磁阀的开关是由一个30～40毫秒的脉冲电流实现的。图4是阀门开关的原理图，它由三极管和电阻等构成，电磁阀的电磁线圈接于JD1和JD2之间。当OFF端保持低电平时，在ON端通一正脉冲，阀处于打开状态；当ON端保持低电平时，在OFF端通一正脉冲，阀处于关闭状态；无论何时BP和B_N间掉电，则掉电自关闭电路被使能，在OUT端输出一个高脉冲加于OFF回路使电磁阀关闭，从而实现断电的自动关闭功能。

4　软件设计
　　流量的测量采用中断的方式，当单片机被从干簧管送来的低脉冲触发中断时，流量自加10升，流量值送单片机存储，以保证在掉电后该流量值仍存在。在主程序中对入口水温与出口水温进行连续测量，然后根据热量计算公式计算出热量，再送显示器显示。
　　温度测量程序流程如图5。

5　实测精度
　　温度测量结果如表1。

　　从上表可以看出，水温从0℃到100℃，用标准温度计测得的水温与用该暖气表测得的水温最大温差为0．1℃。

6　结论
　　采用MSP430F133混合信号处理器研制的热量表电路结构简单、性能价格比高，经台架试验表明，它的精度高、稳定性好，抗干扰能力强。断电自关闭脉冲电磁阀的采用，解决了在满足节能要求条件下的防盗难题。

参考文献

［1］李良贸，张以民．常用测量仪表实用指南［M］．中计量出版社，1998．
［2］供热计量用热量表检定规程［Z］．天津市技术监督局发布，2000．
［3］D．M康西丁．仪器仪表与控制大全［M］．科学出版社，1985．|
［4］胡大可．MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机［M］．北京航空航天大学出版社，2001．