參考：基于單片機(jī)熱量高精度計(jì)量

PAGE結(jié)題報(bào)告供暖系統(tǒng)熱量的高精度計(jì)量技術(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人:單位:I摘要我國(guó)地域廣闊，人口眾多,房屋建筑規(guī)模巨大，建筑物的保溫隔熱性能很差,供暖系統(tǒng)熱效率低，單位住宅建筑面積采暖能耗為相同氣候條件下發(fā)達(dá)國(guó)家的3倍。國(guó)外的熱計(jì)量經(jīng)驗(yàn)表明，安裝熱量計(jì)量?jī)x表熱量表，按照熱量收費(fèi)的制度是促使用戶自覺(jué)節(jié)能的最有效手段。目前運(yùn)行中的熱量表存在著顯示參數(shù)不夠齊全，功耗過(guò)大、積分計(jì)算器抗干擾能力差，溫度測(cè)試分辨率低、熱量測(cè)量誤差較大，熱量表數(shù)據(jù)輸出遠(yuǎn)傳的接口方法混亂等一系列弊端.為提高熱量測(cè)量精度在熱量計(jì)算中采用了k系數(shù)補(bǔ)償法，使熱量計(jì)量精度得到了較大提高。為提高溫度測(cè)量分辨率和精度，采用對(duì)分查表算法較好的補(bǔ)償了溫度傳感器的非線性誤差，提高了測(cè)量精度，改進(jìn)了流量測(cè)量方法，采用磁敏傳感器進(jìn)行流量檢測(cè)，輸出信號(hào)幅值與磁場(chǎng)的變化速度無(wú)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)“零速”傳感；采用具有ＳOC特點(diǎn)的超低功耗ＭCU芯片MSP430，熱量計(jì)算由時(shí)間控制,每1分鐘喚醒一次,執(zhí)行測(cè)溫、讀流量，相應(yīng)的熱量計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù),大大降低了系統(tǒng)功耗。在進(jìn)行充分的測(cè)試算法論證和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行樣機(jī)的研制，使熱量計(jì)量的性能指標(biāo)得到明顯的改進(jìn)和提高.關(guān)鍵詞：焓差法、ｋ系數(shù)補(bǔ)償、流量測(cè)量、熱量計(jì)量、ＭSP4３０單片機(jī) IIAＢＳTRAＣＴ0urｃounｔryissoｌaｒｇeaｎdtherｅarｅsomanｙpeoplｅ，housｅsbｕｉｌｔtoｌiｖｅarｅoｎalａrｇescａle．Tｈeｙｃannoｔkeepheａｔfｒomairsｏasｔheefｆiｃｉencyofｔhesyｓteｍofｓuppｌyｉｎgiｓloｗ。Heatconｓｕmｐｔioｎｏfpeｒｓqｕaremeｔｅｒｉsｔhrｅe(cuò)ｔimeｓasthatofdevelｏｐｅｄcountry.Exｐｅrｉenｃeoｆfoｒeiｇncｏuｎtryｉｎdicatｅstｈatｍoｓteｆｆｅｃｔivｅmｅanｓｔoｍovｅｕsersｔosａvｅhｅatenｅｒgyｉｓtoｉnstallcalorｉmetｅrsａndcollｅcｔmｏｎeｙａccｏrdinｇtｏtｈｅｈeatusedbyuｓers．Ｎｏwcａlorimetｅｒshaｖethｅｆｏllowingｓhoｒｔcoｍiｎｇs：ｐａrameｔerｓｄｉsｐlayｅdaｒelｅｓsｔｈａｎwｈatshouldｂeｄｉｓｐlayｅd；consuｍpｔionsofenerｇyexｃeedｗhａt(yī)areexpeｃｔｅｄ；cａｌoｒimｅteｒsareｕｎabｌetoavoiddistｕrｂaｎcｅ；resolutｉonoｆｔemperaturemｅaｓuｒｅmｅnｔislow；measurｅｍentrｅｓｕｌtsｏftemperａｔureanｄheataremuｃhｄiｆfｅrｅntｆroｍwhaｔｔｈｅyｓhoｕldbe；ｍeaｎsofｔｒaｎsｍｉssiｏnoｆｉnfoｒｍaｔｉoｎｏｆcaｌoｒｉmetｅｒiｓnotcｏincidenｔａndsoon．。Toimprｏｖepreｃisｉonofmeasuｒeｍenｔoｆｈｅatenｅrｇy,adoptamethｏｄｗhichisｎａｍedkcoefficientreｐaｒaｂlｅｍeｔhｏd，ｓothatprecisioｎofｍeasｕｒｅofheａt(yī)enｅｒgｙｉｓｉmproｖedgｒｅatlｙ。Toｉｍｐｒｏvｅｒesoluｔionanｄprecisionｏftempeｒatｕreｍeasuremenｔ,adｏptalooｋ-ｕｐtaｂleａlｇｏritｈmｗhiｃｈsearchｄataｓｆrｏｍｔhｅmiｄdlｅoftheaccorｄingdaｔatabｌｅ,soｔhatthenoｎ—lineaｒｅrrorｏftempeｒatｕreｓensｏriscompｅnsatedgreaｔlyａndraｉｓetｈemeａsｕreｍeｎｔprｅcｉsｉoｎoftｈesyｓtem。Intheｐaｐeｒ，selectmatｃhingｔｅmpeｒatｕrｅｓensｏrsｗhｉchcanmakｅtｈｅe(cuò)ｒrorofｍeasuremｅntoｆtempeｒａt(yī)uｒelessｔhan0。１cｅｎtigｒadeaｎdmeasｕｒｅmｅntciｒcuitsｗhiｃｈareｓupｐlｉedwithpowerwｈichcａnｓｕppｌｙiｎvａｒiａｂｌevolｔaｇｅandcurreｎｔ；Tｏimpｒｏｖemeasurｅmentmetｈodｏffｌｏw，uｓeasenｓorwhｉcｈarｅｓｅｎｓiｔiｖetｏmagnｅｔtoｍeasureｆlow,meａsurｅmentreｓｕltｓhａｖeｎｏthingtｏdｏｗitｈtｈemagnetｉcfｉeldｖａｒiaｔionspeｅｄ。;chｏosｅｃhiｐMＳP4３0ｗhｉchislowpowercｏｎｓumptｉｏnａftercomｐarｅｄwｉtｈｃｈｉｐP87LPC７6４，ｃompuｔａt(yī)iｏｎｏｆhｅatenergyiscontrｏlledbytime，whichisｄoｎeｏncepｅｒminute。Afteｒｆullverifiｃａt(yī)ioｎoｆtestingalgoｒiｔｈmａｎｄａｌoｔoｆｅｘperｉｍｅnt,ｄevelｏpａｐrｏtｏtｙｐeｉnwｈicｈａlｌparamｅteｒsdisplａyedhavebeeｎiｍｐrovｅdoｂviouｓly。Kｅｙwords：enthaｌpysubtractiｏｎｍｅthod；ｋcｏｅfficiｅｎtｒepａraｂlemethｏd;flowmeasuｒe;heateｎｅｒｇｙcoｍpuｔe;ＭSP430sinｇｌｅ－ｃhip PAGEIV目錄TOＣ\o"1－4"\u摘要 ＰAGEREＦ_Ｔｏｃ2０6９95３５2\hIABＳTRAＣT PAＧEＲEF＿Toｃ206９95353\hＩＩ目錄?PAGEＲEＦ_Tｏｃ20６995354\ｈIＩI第一章緒論?PAGEREF＿Toｃ20６9９53５5\h１１。1該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的必要性與應(yīng)用前景及當(dāng)前現(xiàn)狀 PＡGＥＲＥF_Ｔｏc206995356\ｈ１１。2該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù) PAＧEREＦ＿Ｔoc20699535７\ｈ21。3本人的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)?PAGＥＲＥＦ_Ｔｏc2069953５8\h３第二章熱量測(cè)量系統(tǒng)的方案論證與組成結(jié)構(gòu) PAGERＥF_Ｔoｃ20６995３59\ｈ42.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)?PAGERＥF＿Tｏc206９953６０\ｈ４2。1．1系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu) PAGＥREF_Toc２０699５３６1＼ｈ４2.1。2熱量表的基本功能?PＡGＥRＥF_Ｔｏc2069９5３6２\h5２.2系統(tǒng)流量測(cè)試方案論證?PAＧＥREF_Ｔoc２0６９9５36３＼ｈ52。２．１容積式流量測(cè)量方法?ＰＡＧＥREF_Ｔｏc206９９5364＼ｈ62．2．2超聲波測(cè)量流量方案?ＰＡGERＥF＿Ｔｏｃ20６９9５３６5\ｈ62.2．3渦輪式流量測(cè)量方法?PAGＥREＦ_Toc２06９95366＼h72.2．４葉輪式流量測(cè)量方法?PAGEＲＥF＿Ｔoc２069９5３6７\h７第三章系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)?ＰAGERＥF_Tｏc2０6９9536８\ｈ１0３．1現(xiàn)有熱量表MCＵ及組成結(jié)構(gòu) PAGＥREＦ_Tｏc206９9536９\h103。1.1Ｉ2C總線簡(jiǎn)介?ＰAGＥＲＥF_Ｔoc206９9537０＼h１1３．1．2低功耗設(shè)計(jì)?PＡGERＥF_Toc２０69９537１\h113。1．3熱量表單元電路設(shè)計(jì) PAＧEＲEＦ＿Toｃ2０6９9５3７2\h１33.2熱量表電路改進(jìn)?ＰＡGEREF＿Ｔoc２069９53７３＼ｈ163。2．1當(dāng)前系統(tǒng)存在的問(wèn)題和改進(jìn)措施?PAＧＥRＥＦ_Ｔｏc2069953７４\ｈ163.２．２基于MSP４30Ｆ41３的電路設(shè)計(jì)?ＰAGＥRＥF_Ｔoc２069９５375＼ｈ173．3系統(tǒng)的電源與人機(jī)接口設(shè)計(jì)?PAGＥＲEＦ_Toc206９９5378＼ｈ２63。3．１系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)?PAGＥREF_Ｔoｃ２0699５37９＼h263．３.２鍵盤(pán)接口設(shè)計(jì)?ＰAＧＥREF_Toc20699５380\h２７3.３.3顯示接口設(shè)計(jì)?PＡＧERＥF_Toc2069９5381\ｈ2８３．4系統(tǒng)的通訊技術(shù) ＰAGEＲＥF_Toc2069９538２\h303.４.１概述?PAGＥＲEF_Ｔoc20699５38３＼h303.4.2通訊方案設(shè)計(jì)?PAGEREＦ_Toｃ206995384\h32３．4。3UＳB控制芯片接口電路設(shè)計(jì)?ＰＡＧEREＦ_Ｔoc２06９95385＼h353．5系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì) ＰＡGEREＦ_Ｔoｃ2０６995386＼h3５第四章軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)?PＡGＥRＥＦ＿Ｔoc20６99５3８７＼ｈ374。1本系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)說(shuō)明 PAGＥRＥＦ_Ｔｏc2０699538８\ｈ374.2關(guān)鍵參數(shù)處理?PAGEREＦ_Toｃ206９953８9\h374。2．1溫度的測(cè)量?PＡＧＥＲＥF_Toc20６99539０＼ｈ3８4．2．2高精度的熱量計(jì)量?PAGEＲEＦ_Toc２06９953９1＼ｈ384．３系統(tǒng)的顯示程序模塊設(shè)計(jì) PAGＥREF＿Tｏc20699５39２\h394．4系統(tǒng)的通訊程序模塊設(shè)計(jì)?PAＧEＲＥＦ_Toc20699539３＼h４０４。5部分程序流程圖?ＰＡＧEREＦ＿Ｔｏc20６９95３９４＼h4１4。5．２熱量處理子程序?ＰAGEREF_Toc206995３95＼h4２４．5．3看門(mén)狗定時(shí)器中斷服務(wù)子程序?PAＧＥＲEＦ_Ｔoｃ206９９５396＼h4３４．5．4基礎(chǔ)定時(shí)器(ＢT）中斷?ＰAGERＥF_Toｃ２06９９５3９7\ｈ４44。５．5測(cè)溫子程序?PAGEREF＿Ｔｏc20699５３98＼h454。５．6按鍵中斷服務(wù)子程序?ＰAGEREF_Toｃ２06995399\h４64．5。7ＬCD顯示模塊?PＡＧEREF＿Toc2069９５４00＼ｈ474。5。8固件程序流程圖?ＰAＧEREF_Tｏc2069９5４01\h４84.5。9上層應(yīng)用程序流程圖?PAGＥREＦ＿Ｔoc20699540２＼h494。5．1０對(duì)分查表算法框圖?ＰAＧEREF_Tｏc2069９540３\h５0第五章試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析與總結(jié)?PAGEＲＥＦ_Ｔoc２0６９9５404\h５０５。1熱量表技術(shù)參數(shù)及整體校驗(yàn)規(guī)則?PAGEREF_Ｔoc２06９９5４０５＼h5０5.1.1熱量表技術(shù)參數(shù)?ＰＡGEＲＥF_Tｏc２0６9９５40６\ｈ5０5.１.2整體校驗(yàn)規(guī)則?PAGＥREＦ_Toｃ206995４07\ｈ５15。2功能測(cè)試?PAGＥＲEＦ_Toc206９９540８＼h5２5。3關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試要求?PAGEREＦ＿Ｔoc206995409\ｈ52５。3.1流量測(cè)量要求?PAGＥREＦ_Tｏc20６99５41０\h５２５.３．２溫度測(cè)量要求 PAGＥRＥＦ＿Tｏc2０69954１1\h５25.３.3熱量測(cè)量要求?ＰAGEＲＥF_Ｔoc2０6９９５412\ｈ535.4測(cè)試裝置和數(shù)據(jù) PＡGＥRＥＦ_Toc2069954１3\h５３5.4。1流量測(cè)試?PAGERＥF_Tｏc206995４1４\ｈ535。4．２溫度測(cè)試?ＰAGEＲEＦ＿Ｔoｃ２06９95415＼h5４5。4.3熱量測(cè)試?ＰAGＥREF_Tｏc20699541６\ｈ555。4。4誤差分析?PＡGＥREF＿Tｏｃ20６９９54１7\h58參考文獻(xiàn)?PAGERＥＦ_Ｔoc２06９9５419\h6１附錄:部分程序代碼?PAGERＥF_Toc2０69９5４21\h64PAGE26 第一章緒論1.１該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的必要性與應(yīng)用前景及當(dāng)前現(xiàn)狀一、必要性我國(guó)地域廣闊,人口眾多,房屋建筑規(guī)模巨大，其中住宅建設(shè)約占居住建筑的92％，住宅建設(shè)量大而且面廣,至今仍呈上升趨勢(shì)，而且這個(gè)上升趨勢(shì)還將持續(xù)２０－３0年。但是我們必須清醒的看到,我國(guó)如此龐大的房屋建筑及住宅建設(shè)的快速增長(zhǎng)是以資源和能源的高消耗為代價(jià)換取的，除了利用最直接的資源——土地以外，住宅能源消耗的增長(zhǎng)是住宅建設(shè)發(fā)展的一大限制因素。當(dāng)前由于我國(guó)建筑物的保溫隔熱和氣密性能很差，供暖系統(tǒng)熱效率低，單位住宅建筑面積采暖能耗為相同氣候條件下發(fā)達(dá)國(guó)家的3倍。到20０0年，全國(guó)城市建筑耗能已占能源生產(chǎn)總量的1４％，這就說(shuō)明,只有堅(jiān)決采取節(jié)約能源的措施才能維持建筑的可持續(xù)發(fā)展。城市供熱系統(tǒng)節(jié)能是建筑節(jié)能的重要組成部分，目前城市集中供熱基本上都是按熱用戶的采暖面積收費(fèi),缺乏計(jì)量設(shè)備和調(diào)節(jié)手段.絕大多數(shù)既有居住建筑是非節(jié)能建筑,沒(méi)有供熱計(jì)量設(shè)施,熱用戶無(wú)法進(jìn)行自主調(diào)節(jié)；新建居住建筑相當(dāng)一部分也未安裝供熱計(jì)量設(shè)施;許多城市的供熱設(shè)施嚴(yán)重老化，供熱能源浪費(fèi)嚴(yán)重,城市供熱熱源、管網(wǎng)、熱力站、建筑入口無(wú)計(jì)量裝置,無(wú)法考核單位和設(shè)施的能耗.國(guó)外的熱計(jì)量經(jīng)驗(yàn)表明，按照熱量收費(fèi)的制度是促使用戶自覺(jué)節(jié)能的最有效手段,按實(shí)際使用熱量向用戶收費(fèi)，可節(jié)能２0％－30％。我們只有遵循市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)律，把熱作為商品，由用戶自行調(diào)節(jié)控制使用，并按實(shí)用熱量合理收費(fèi)，才能調(diào)動(dòng)熱和供熱兩方面的積極性，進(jìn)而促進(jìn)節(jié)能。應(yīng)用前景中國(guó)集中供熱的建筑面積，2002年是1５．５6億平方米（其中住宅10。8億平方米），２０0３年增加至１8．9億平方米（其中住宅1３．1億平方米）。粗略地計(jì)算，平均每年至少需要1０0萬(wàn)至150萬(wàn)套戶用表，集中供暖系統(tǒng)用熱量計(jì)前景看好。三、該項(xiàng)目的目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀：從200３年7月建設(shè)部、發(fā)改委等八個(gè)部委印發(fā)《關(guān)于城鎮(zhèn)供熱體制改革試點(diǎn)工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》開(kāi)始,陸續(xù)在全國(guó)主要是在集中采暖的新建居住建筑系統(tǒng)中，推行溫度調(diào)節(jié)和戶用熱量計(jì)量裝置，按熱量計(jì)量收費(fèi)的系統(tǒng)試驗(yàn)工作。從一年多全國(guó)試點(diǎn)工作的運(yùn)行情況來(lái)看，目前國(guó)產(chǎn)的熱量表存在相當(dāng)多的設(shè)計(jì)方面的技術(shù)問(wèn)題：如1、功耗過(guò)大，電池不適用,達(dá)不到正常工作五年以上的基本要求.甚至尚未運(yùn)行一個(gè)采暖期,電池電量就耗盡了.2、顯示參數(shù)不夠齊全，有些表不能實(shí)時(shí)顯示以下必要的數(shù)據(jù):運(yùn)行熱量、瞬時(shí)流量、工作時(shí)間等。３、積分計(jì)算器抗干擾能力差.亂碼，死機(jī),工作間斷。4、除去流量計(jì)故障外,熱量計(jì)和溫度測(cè)量誤差也明顯過(guò)大。以常用的3級(jí)準(zhǔn)確度的熱量表為例，當(dāng)散熱器進(jìn)出水溫差△t達(dá)到最小值、流量q達(dá)到最小允許值時(shí)，熱量計(jì)量誤差限的最大值為10%.５、國(guó)產(chǎn)熱量表采用的熱量計(jì)算方法一般為焓差法,此方式不能對(duì)熱計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行溫度、壓力的在線補(bǔ)償，精度達(dá)不到ＯIML－R75國(guó)際規(guī)程和EN１４３4歐洲標(biāo)準(zhǔn)等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。此種情況導(dǎo)致熱量表的生產(chǎn)、銷售狀況很不理想,客觀上已經(jīng)影響到了供熱計(jì)量收費(fèi)的步伐，已經(jīng)影響到了中國(guó)政府建筑節(jié)能計(jì)劃的實(shí)施。1。2該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)過(guò)對(duì)市場(chǎng)上使用或試用的熱量表的全面調(diào)研和分析,認(rèn)為本課題必須解決的關(guān)鍵技術(shù)如下：1、五年以上壽命的低功耗要求積分計(jì)算器的功耗問(wèn)題是熱量表的設(shè)計(jì)中一個(gè)最關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)廠商都是采用2000ｍh的鋰電池,這就意味著要使熱量表工作5年以上，那么，其平均工作電流就應(yīng)在4０ｕA以下。因此要求電池的使用壽命盡量長(zhǎng)。2、高精度的流量、溫度和熱量測(cè)量要求該熱量表的流量計(jì)量誤差小于１％，流量計(jì)量的分辨力達(dá)０。１升。入水溫度和出水溫度計(jì)量比對(duì)誤差不大于０.１℃。熱焓計(jì)算精度要優(yōu)于０。5%。相對(duì)于使用環(huán)境和儀器價(jià)格，這是相當(dāng)高的綜合參數(shù)計(jì)量精度。３、顯示必要的運(yùn)行參數(shù):入水溫度、出水溫度、瞬時(shí)流量、運(yùn)行熱量、工作時(shí)間。4、進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，提高積分計(jì)算器的工作可靠性。5、防潮、防破壞要求熱量表的殼體必須防水、防塵侵入。為安全起見(jiàn)，熱量表采用鉛封式安裝,電源要采用內(nèi)裝電池，即用戶不能更換電池,必須由供熱公司或物業(yè)管理人員更換。為防止盜熱水現(xiàn)象,熱量表還應(yīng)該具有自保護(hù)功能，即在遭到破壞時(shí)有報(bào)警。1.3本人的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)根據(jù)上述技術(shù)關(guān)鍵,主要完成了如下工作：１、選用低功耗芯片，優(yōu)化外圍電路的設(shè)計(jì)、外圍器件的選擇以及接口電路的設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)中也充分利用芯片的節(jié)電工作模式、關(guān)掉主芯片不使用的功能。2、在硬件電路設(shè)計(jì)中改進(jìn)流量測(cè)量電路，采用零功耗、計(jì)量誤差小于１％的磁敏傳感器提高流量測(cè)量精度，在軟件設(shè)計(jì)中采用高精度的熱量計(jì)算方法：k系數(shù)補(bǔ)償法，實(shí)現(xiàn)熱量的高測(cè)量精度。在溫度測(cè)量中采用對(duì)分查表算法對(duì)Pt1000鉑電阻溫度傳感器的非線性進(jìn)行補(bǔ)償，大大減少了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量并簡(jiǎn)化了查表過(guò)程。３、采用OCMＪ4X８LCＤ液晶顯示模塊來(lái)實(shí)時(shí)顯示瞬時(shí)流量、進(jìn)水溫度、回水溫度、已用熱量、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)、進(jìn)行了系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)。４、進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)和方案論證.５、熱量表系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)、軟件編程、調(diào)試。第二章熱量測(cè)量系統(tǒng)的方案論證與組成結(jié)構(gòu)2．１系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.１．1系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)方框圖如圖2—1所示。敏感元件敏感元件信號(hào)調(diào)理信號(hào)變換MCU芯片電源鍵盤(pán)及顯示器數(shù)據(jù)通信適配器圖２—１系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖熱量表的結(jié)構(gòu)形式一般有組合式和整體式兩種。所謂組合式即流量傳感器、計(jì)算器、配對(duì)溫度傳感器等部件組合而成的熱量表；整體式即流量傳感器、計(jì)算器、配對(duì)溫度傳感器所組成不可分解的整體熱量表。。整體熱量表省去了信號(hào)線部分，成本低，且更具有安全性,因此本文擬采用整體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).熱量表外形圖如圖2－2所示。圖2－2熱量表外形圖2。１。2熱量表的基本功能1）準(zhǔn)確的流量和熱量計(jì)量這是熱量表最基本的功能。2)具有自動(dòng)報(bào)警功能當(dāng)熱量被置于強(qiáng)磁環(huán)境中，或被擅自拆卸,或測(cè)溫線被剪斷時(shí),熱量表開(kāi)始通過(guò)蜂鳴器報(bào)警，提醒用戶熱量表運(yùn)行有故障。３）用戶可隨時(shí)了解用熱狀況及熱量表運(yùn)行狀況為便于用戶及時(shí)掌握用熱情況，帶有液晶顯示，用戶可循環(huán)查詢瞬時(shí)流量、進(jìn)水溫度、回水溫度、進(jìn)回水溫差、已用熱量、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間。４）電源監(jiān)測(cè)功能工作電源欠壓,自動(dòng)報(bào)警進(jìn)行提示.２.2系統(tǒng)流量測(cè)試方案論證熱量表精確的流量測(cè)量是至關(guān)重要的，所以首先要確定流量測(cè)量方法。流量的測(cè)量方法有很多，從流量計(jì)的構(gòu)成原理上可分為直接測(cè)量型和間接測(cè)量型。直接測(cè)量就是利用流量計(jì)本身具有的一定容積的計(jì)量室連續(xù)地“量”流過(guò)的流體;間接測(cè)量是通過(guò)測(cè)量在流動(dòng)的流體上出現(xiàn)的某些動(dòng)態(tài)特性，如壓力、壓差、聲速傳播、電動(dòng)勢(shì)、渦旋等，再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算確定流量。具體的流量計(jì)有很多種類如圖2—3所示。噴流式噴流式熱式電磁式瞬時(shí)流量計(jì)流體振動(dòng)式超聲波式渦輪式伺服型容積式間接測(cè)量型直接測(cè)量型累積流量計(jì)面積式差壓式圖2-３流量計(jì)分類所謂瞬時(shí)流量即單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)水表的流體體積或質(zhì)量；把瞬時(shí)流量對(duì)任意時(shí)間進(jìn)行積分求出的累計(jì)流量的總和稱為累積流量.由于熱表用戶看重的是累積流量，而并不關(guān)心瞬時(shí)流量的精確值，所以應(yīng)考慮選用適合累積流量測(cè)量的方法。2。2.１容積式流量測(cè)量方法容積式流量計(jì)屬于典型的直接測(cè)量型累積流量計(jì)，其基本原理類似標(biāo)準(zhǔn)容器。流量計(jì)的內(nèi)部的機(jī)械的計(jì)量室由流體流入側(cè)與流出側(cè)的壓力差來(lái)驅(qū)動(dòng),由計(jì)量室的容積決定的一定體積的流體從流入側(cè)送到流出側(cè)。測(cè)出計(jì)量室的工作次數(shù)即可知流過(guò)的流體體積.其特點(diǎn)是測(cè)量精度高；流體的密度和粘度變化影響幾乎可忽略不計(jì)。主要用來(lái)測(cè)量不含固體雜質(zhì)的液體（否則易磨損齒輪),尤其是粘度較高的介質(zhì)的體積流量。由于我國(guó)水質(zhì)較差，含沙較多,所以不宜采用這種測(cè)量方式.伺服型流量計(jì)是容積式流量計(jì)的改進(jìn)型，克服了由于壓差而產(chǎn)生的流體泄漏所造成的測(cè)量誤差,但是依然不宜測(cè)量含雜質(zhì)的液體。2。２。2超聲波測(cè)量流量方案可以利用超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量,其測(cè)量原理為：超聲波探頭向管內(nèi)某點(diǎn)發(fā)射超聲波脈沖，再以接收方式探測(cè)這點(diǎn)的反射波,每個(gè)反射波的到達(dá)時(shí)間被記錄下來(lái)。即采用時(shí)差法測(cè)流量。其計(jì)算公式如下：（式2-1)Q=Ｖ﹡S（式2-２)其中：M為聲束在液體的直線傳播次數(shù)；θ為聲速與液體流動(dòng)方向的夾角;Ｔu(píng)p為聲束在正方向上的傳播時(shí)間TDOＷＮ為聲束在逆方向上的傳播時(shí)間;△T＝Tｕp－TＤOWND為管道內(nèi)徑；V為管道內(nèi)水的流速Ｑ流量S＝πD2/４管道截面積該測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是:沒(méi)有轉(zhuǎn)子，不會(huì)出現(xiàn)丟轉(zhuǎn)、丟脈沖現(xiàn)象,因此測(cè)量精度高;沒(méi)有壓力損失;不帶磁，不受電磁干擾，不受材料雜質(zhì)的影響等。缺點(diǎn)在于:由以上公式可以看出流量精度受管道壁厚影響；另一方面在用超聲波測(cè)量流量時(shí)，探頭的距離設(shè)置一定要嚴(yán)格按照超聲波流量運(yùn)算后給出的距離設(shè)置，因此安裝不方便；而且目前超聲波探頭和接收器較貴,適合于深埋在地下的石油管道測(cè)量.2．２。３渦輪式流量測(cè)量方法渦輪式流量計(jì)屬于間接測(cè)量型，它是利用在被測(cè)流體中自由旋轉(zhuǎn)的葉輪的轉(zhuǎn)速與流體的流速成比例這一原理進(jìn)行測(cè)量的，被測(cè)流體推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速隨流量的變化而不同,渦輪將流量Q轉(zhuǎn)換成渦輪的轉(zhuǎn)數(shù)，經(jīng)磁電傳感器轉(zhuǎn)換成電脈沖，由單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)和累計(jì)脈沖數(shù)可得到瞬時(shí)流量和累積流量。渦輪式流量計(jì)具有一系列優(yōu)點(diǎn)：精度高；量程范圍寬,對(duì)流量變化反應(yīng)迅速,耐高壓;檢測(cè)元件不接觸液體，且輸出的流量信號(hào)為數(shù)字電脈沖,易進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸，但是渦輪流量計(jì)的軸承容易磨損,特別是在有固體顆粒的工作介質(zhì)中磨損更甚。２.２．４葉輪式流量測(cè)量方法１)葉輪式流量計(jì)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化的旋翼式水表采用葉輪式流量計(jì)，主要由葉輪盒、葉輪、葉輪軸、調(diào)節(jié)板組成。工作原理是：水由水表的進(jìn)水口進(jìn)入表殼,經(jīng)濾水網(wǎng)由葉輪盒的進(jìn)水孔進(jìn)入葉輪盒內(nèi)，沖擊葉輪，葉輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，水再由葉輪盒上部出水孔經(jīng)表殼出水口流向管道內(nèi)。葉輪的轉(zhuǎn)速與水的流速或流量成正比。葉輪式流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍寬、靈敏度高、外形尺寸小，精確度已被廣大用戶所接受，因此本文的流量計(jì)還是基于水表的旋翼式結(jié)構(gòu),而將葉輪機(jī)構(gòu)上提取的電信號(hào)用頻率脈沖計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)水的流量計(jì)量，以保持葉輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高的優(yōu)點(diǎn).2）流量計(jì)量傳感器的選擇依據(jù)葉輪式流量計(jì)是將單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道某截面內(nèi)的流體體積轉(zhuǎn)換為與該體積相對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)，為實(shí)現(xiàn)這一計(jì)量狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,我們分析了幾種傳感器，列表如下。對(duì)于磁電轉(zhuǎn)換器件，一般常采用磁鋼—磁簧管和磁鋼-霍爾器件。其各方面性能比較參見(jiàn)表２-1。通過(guò)性能與性價(jià)比分析，對(duì)磁敏式傳感器ZＰ０1進(jìn)行了反復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。ZＰ０1是零功耗磁敏式傳感器,這種傳感器利用磁性雙穩(wěn)態(tài)功能合金材料中磁疇在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)特性制作而成的。當(dāng)外磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，磁疇磁化方向瞬間發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而在檢測(cè)線圈中感生出電信號(hào),實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換.表2-1常用磁電傳感器性能比較常用磁電傳感器性能比較比較項(xiàng)目磁簧管普通單極開(kāi)關(guān)霍爾ＩC磁敏傳感器壽命易老化,短，每一至兩年要回廠維修更換,不能現(xiàn)場(chǎng)非專業(yè)人士操作長(zhǎng)長(zhǎng),無(wú)需更換霍爾IＣ溫度影響大,受熱脹冷縮影響,玻璃外殼易碎小很小抗干擾很差，有機(jī)械抖動(dòng)干擾，為了勉強(qiáng)消除抖動(dòng)干擾，必須兩顆磁簧管，成本大增好，內(nèi)置遲滯比較器消除干擾好,內(nèi)置遲滯比較器消除干擾,一顆IC就行了體積易碎，大，不方便小小安裝無(wú)方便方便外部磁極方向無(wú)有無(wú)，隨意安裝貼片封裝無(wú)有有功耗小大相當(dāng)微小低壓工作可以不可以可以方案成本1）響應(yīng)延時(shí)長(zhǎng)短短2）設(shè)計(jì)復(fù)雜程度為消除干擾，加大了軟件開(kāi)發(fā)難度無(wú)需為消除干擾而造成軟件開(kāi)發(fā)難度無(wú)需為消除干擾而造成軟件開(kāi)發(fā)難度3）磁極安裝難度小大很小4）生產(chǎn)工藝復(fù)雜程度的成本很高較小很?。担┚S護(hù)成本很高小小評(píng)價(jià)很高小很小磁敏傳感器－ZP0１：每只價(jià)格１元，壽命在２億次以上。磁敏傳感器其特點(diǎn)如下:1)傳感器工作時(shí)無(wú)須使用外加電源,非常適用于微功耗儀表。2）使用雙磁極交替觸發(fā)工作方式，觸發(fā)磁場(chǎng)極性變化一周，傳感器輸出一對(duì)正負(fù)雙向脈沖電信號(hào)，幅值大于1伏，信號(hào)周期為磁場(chǎng)交變周期。３）輸出信號(hào)幅值與磁場(chǎng)的變化速度無(wú)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)“零速"傳感。4）無(wú)觸點(diǎn)、耐腐蝕、防水、壽命在2億次以上。5）傳感器輸出信號(hào)經(jīng)處理后利用電話線、同軸線可實(shí)現(xiàn)電信號(hào)遠(yuǎn)傳。經(jīng)試驗(yàn)證明,該傳感器輸出的電脈沖幅值大,且在大流量和小流量時(shí),精度都很高,更由于它的零功耗性，設(shè)計(jì)方案最終采用這種型號(hào)的磁電傳感器作為流量脈沖計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換器件。?第三章系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)由于熱量表屬于不間斷連續(xù)測(cè)量設(shè)備，因此要求其具有功耗低、測(cè)量精度和可靠性高等要求.3。１現(xiàn)有熱量表MＣU及組成結(jié)構(gòu)擴(kuò)展E2PROM擴(kuò)展E2PROM液晶驅(qū)動(dòng)、顯示流量信號(hào)擴(kuò)展I/O口電源監(jiān)測(cè)電源保護(hù)電路時(shí)鐘/日歷芯片單片機(jī)P87LPC764圖３—1八位機(jī)熱量表電路結(jié)構(gòu)圖在常用的8位機(jī)中,其中采用Phiｌｉｐｓ公司的低功耗的Ｐ87ＬＰC764單片機(jī)。Phｌilipｓ公司產(chǎn)品一向以節(jié)能、省電聞名于世，Ｐ87ＬPC764單片機(jī)是目前最省外邊資源和低功耗特性最好的兼容51語(yǔ)言的中小型單片機(jī)。它提供空閑和掉電兩種節(jié)電模式,典型掉電電流為1ｕA;３.6V供電電壓，20～10０ＫHz晶振頻率時(shí)工作電流不到10uA。除低功耗外,P87LPC７６４還具有如下特點(diǎn):1）P87ＬＰC７64采用加速處理器結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快，指令執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)80Ｃ51的２倍。2)全雙工通用異步接收/發(fā)送(UARＴ）及Ｉ2C通訊接口。3）可編程Ｉ/O輸出模式:準(zhǔn)雙向口、開(kāi)漏輸出、上拉和輸入功能。4）所有口線均有２０mA的驅(qū)動(dòng)能力.5)端口輸出的轉(zhuǎn)換速度受控制以降低電磁干擾.６）8個(gè)鍵盤(pán)組合的中斷輸入，另加２路外部中斷，４個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。３．１．1I2Ｃ總線簡(jiǎn)介I2Ｃ總線通過(guò)兩根線即串行數(shù)據(jù)線SDＡ和串行時(shí)鐘線SCL,使掛接到總線上的器件相互進(jìn)行信息傳遞.總線使用軟件尋址來(lái)識(shí)別每個(gè)器件包括微控制器、存儲(chǔ)器、ＬCD驅(qū)動(dòng)器、時(shí)鐘芯片及其它I２C總線器件，完全省去了每個(gè)器件的片選線,因而使系統(tǒng)的接線極其簡(jiǎn)潔。典型的系統(tǒng)接線如圖3—2所示。主發(fā)送/接收器如P87LPC764主發(fā)送/接收器如P87LPC764主發(fā)送/接收器如P87LPC768從發(fā)送/接收器如24WC16從接收器如PCF8574從發(fā)送/接收器如24WC02SCLSDA圖3-2I２Ｃ總線器件的連接I2Ｃ總線上的每一次數(shù)據(jù)傳送活動(dòng)都是主控器先發(fā)出起始信號(hào),然后主控器發(fā)送被控器的地址及讀寫(xiě)位(１個(gè)字節(jié)）,這之后是主控器等待被控器的應(yīng)答信號(hào)（接著的第九位)，再接著就是主控器發(fā)送數(shù)據(jù)給被控器（寫(xiě)被控器）或接收被控器發(fā)出來(lái)的時(shí)間（讀被控器)，最后由主控器發(fā)出停止信號(hào)通知被控器結(jié)束整個(gè)數(shù)據(jù)的傳送過(guò)程.I2C總線協(xié)議規(guī)定傳送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位，而每次傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)由被控器所限制，如24WＣ０２（２５6字節(jié)的ＥEPROM）規(guī)定一次最多傳送16個(gè)字節(jié)。按照I2C總線協(xié)議，總線上非單片機(jī)類型的外圍器件地址由器件編號(hào)地址（高4位D7～D4，由器件類型決定)和器件引腳地址(D3～D1）組成,每個(gè)器件有唯一的地址，無(wú)論它是單片機(jī)、ＬCＤ驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)器還是鍵盤(pán)接口。I2C總線協(xié)議可以使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全軟件化定義,運(yùn)用一些有用的軟件模塊庫(kù)可以大大提高編程效率。3．1．2低功耗設(shè)計(jì)首先應(yīng)該明確兩個(gè)問(wèn)題:一、使用低功耗單片機(jī)的目的是降低整個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的功耗，因此單片機(jī)系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)和外圍器件的選擇以及接口電路設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)低功耗的重要因素.要做到低功耗必須結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)電路及軟件設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行；二、低功耗單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最典型的應(yīng)用有兩種情況:其一是系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)間斷性工作甚至大部分時(shí)間系統(tǒng)處于空閑或掉電模式下；第二種情況是系統(tǒng)必須長(zhǎng)時(shí)間處于連續(xù)工作狀態(tài).兩種情況設(shè)計(jì)思路是不一樣的,本系統(tǒng)應(yīng)該屬于前者。１.低功耗設(shè)計(jì)硬件電路部分需注意的事項(xiàng)有：１)外圍器件的選擇:在間斷工作的低功耗系統(tǒng)中,外圍器件的靜態(tài)功耗是首選指標(biāo)，另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是單片機(jī)與外圍器件的接口方式.對(duì)Ｐ87LPC764單片機(jī)來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡量選擇具有Ｉ2Ｃ總線接口的外圍器件，這樣在口的低功耗處理上要簡(jiǎn)單一些.2)電源電壓的選擇:對(duì)于電池供電的低功耗系統(tǒng)來(lái)說(shuō),應(yīng)該盡量選擇低的電源電壓，這樣能夠充分利用單片機(jī)和外圍器件的低電壓低功耗的特性。本文選用3。6V鋰電池供電。３）工作頻率選擇:通常選擇低的工作頻率來(lái)降低功耗，但這樣做對(duì)掉電模式下工作的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是沒(méi)有意義的。因?yàn)榈綦姞顟B(tài)下振蕩器已經(jīng)停振,而在喚醒工作時(shí)，高的工作頻率可以快速的執(zhí)行任務(wù),然后再返回到掉電休眠狀態(tài)，這樣減少了工作時(shí)間，從而降低了系統(tǒng)的平均功耗；若選用低的工作頻率，在喚醒工作的時(shí)候執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間較長(zhǎng),但工作電流也較小，同樣也能降低功耗。所以應(yīng)該按照設(shè)計(jì)越簡(jiǎn)單越好的原則選擇內(nèi)部振蕩功能.４)口的處理：對(duì)于準(zhǔn)雙向口和強(qiáng)上拉模式的Ｉ/O口由于其內(nèi)部已有上拉電阻,因此可不接外部上拉電阻；但是對(duì)于開(kāi)漏輸出或集電極開(kāi)路輸出的口應(yīng)將其接上拉電阻，若不使用可接下拉電阻使其電平固定,防止電路出現(xiàn)振蕩消耗電路。此外為保證系統(tǒng)可靠工作,務(wù)必防止口線懸浮、電平不定的情況發(fā)生。對(duì)于P８7LPC7６４來(lái)說(shuō),為保證I2C總線的正確工作,一般接有外部上拉電阻，在掉電模式下，口線上既存在外部上拉電阻，又存在I２C總線器件,這樣口線無(wú)論置高還是置低都將消耗一定的電流，因而I2C口線的上拉電阻需加電源管理。當(dāng)口線緊張時(shí),可只對(duì)數(shù)據(jù)線（ＳDＡ）進(jìn)行管理。5）外圍器件的電源管理:如果有條件最好能對(duì)電源器件進(jìn)行管理,以進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。一般實(shí)現(xiàn)電源管理的方式有兩種:對(duì)于小電流工作器件，可以直接由主芯片Ｉ/O口控制其電源的通斷;更常用的方式是利用主芯片的口線控制開(kāi)關(guān)管通斷來(lái)管理電源。２．低功耗系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)之一就是配合外部電路來(lái)降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗,在系統(tǒng)進(jìn)入掉電方式前要進(jìn)行一些相應(yīng)的設(shè)置:１）正確設(shè)置系統(tǒng)休眠模式,不同模式下的系統(tǒng)狀態(tài)不同決定的靜態(tài)工作電流也不一樣,因此應(yīng)根據(jù)情況正確設(shè)置。2）關(guān)掉主芯片不使用的功能,外圍器件不工作時(shí)關(guān)掉其電源。３）I／Ｏ口的處理：在保證口的外部功能的情況下,對(duì)準(zhǔn)雙向口，若口線有外部上拉電阻，則應(yīng)在進(jìn)入掉電模式前置高,以關(guān)閉內(nèi)部下拉晶體管，若口線采用內(nèi)部上拉，則應(yīng)置低以關(guān)閉內(nèi)部上拉晶體管;對(duì)開(kāi)漏輸出的I/O口在進(jìn)入掉電模式前應(yīng)置高；對(duì)I２Ｃ口線,在進(jìn)入掉電模式前應(yīng)將口本身和上拉口線全部置低，在喚醒且需要I2C總線工作時(shí)才置高.3。1。3熱量表單元電路設(shè)計(jì)根據(jù)要完成的功能和低功耗設(shè)計(jì)原則，熱量表電路的主要單元設(shè)計(jì)如下：1)流量測(cè)量電路設(shè)計(jì)由前述,流量信號(hào)由磁敏傳感器輸出,為了有效的防止各種可能的干擾，單片機(jī)每采集到一正一負(fù)兩個(gè)脈沖時(shí),計(jì)數(shù)器才加１,即兩個(gè)脈沖有互鎖功能，以防止可能的干擾；在軟件處理上，每當(dāng)采集到一個(gè)正或負(fù)脈沖后的５mｓ內(nèi),單片機(jī)不采集流量信號(hào)。測(cè)量電路如圖3—3所示。圖3－3流量測(cè)量電路工作過(guò)程如下：ｚpo1磁敏傳感器是利用磁性雙穩(wěn)態(tài)功能合金材料中,磁疇在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)特性制作而成的。當(dāng)外磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，磁疇磁化方向瞬間發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而在檢測(cè)線圈中感生出電信號(hào)。傳感器使用雙磁極交替觸發(fā)工作方式，水流推動(dòng)傳感器觸發(fā)磁場(chǎng)極性變化一周,傳感器輸出一對(duì)正負(fù)雙向脈沖電信號(hào),幅值大于１伏.正負(fù)雙向脈沖經(jīng)相應(yīng)的三級(jí)管放大后,直接送給單片機(jī)的輸入端口進(jìn)行計(jì)數(shù)，單片機(jī)每采集到一正一負(fù)兩個(gè)脈沖時(shí),計(jì)數(shù)器加1，根據(jù)計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖數(shù),可計(jì)算出供暖水的流量。2）液晶顯示電路設(shè)計(jì)初始設(shè)計(jì)液晶顯示模塊采用北京青云創(chuàng)新公司的LCM08３2，ＬCＭ０８32是10位多功能通用型８段液晶顯示模塊,內(nèi)含看門(mén)狗(WＤT）/時(shí)鐘發(fā)生器,２種頻率的蜂鳴驅(qū)動(dòng)，具有低功耗特性,顯示狀態(tài)電流50uＡ，休閑狀態(tài)電流〈1uA，工作電壓2。4~5。2Ｖ,其引腳說(shuō)明如下：VＤD:正電源，接電源電壓３.６V,使LCM0832與主芯片的工作電壓相同,這樣／ＣS、/ＲＤ、/WR、ＤATＡ等數(shù)據(jù)線可與主芯片I／Ｏ直接相連。VLCD:LCＤ屏工作電壓調(diào)整，可調(diào)視角對(duì)比度,當(dāng)VＤD為2．7～３。３V時(shí)，VＬCD與ＶDＤ短接。／ＩNT：ＷDＴ/定時(shí)器輸出，集電極開(kāi)路,不用。BＺ（／BＺ)：壓電陶瓷蜂鳴片驅(qū)動(dòng),正(負(fù))極。/ＣＳ:模塊片選，內(nèi)部上拉。／RD:模塊數(shù)據(jù)讀出控制線，因?yàn)椴恍枰x其內(nèi)部數(shù)據(jù)，所以不用./WR:模塊數(shù)據(jù)/指令寫(xiě)入控制線，內(nèi)部上拉.DＡTA：數(shù)據(jù)輸入/輸出,內(nèi)部上拉。Vss：負(fù)電源,接地線。ＬＣM0832液晶顯示接口應(yīng)用方塊圖如圖3—４所示。圖3—４液晶顯示模塊應(yīng)用方塊圖3）電源監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)為保證系統(tǒng)正常工作,必須對(duì)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè),當(dāng)電能不能滿足要求時(shí),及時(shí)給予報(bào)警。通常采用監(jiān)控電池電壓的方法來(lái)監(jiān)測(cè)電池容量,然而實(shí)際上電池電壓受多種因素如電池放電速度、電池溫度的影響(參見(jiàn)圖３-5）.圖3—5電池放電曲線圖可見(jiàn),相同容量的電池所對(duì)應(yīng)的電壓隨溫度的上升而上升。比如說(shuō)要剩余200mAｈ的電量，在0℃、2０℃、4０℃時(shí)需監(jiān)測(cè)的電壓不同,因此安一個(gè)電壓值監(jiān)測(cè)會(huì)有誤差。目前已有智能電源監(jiān)測(cè)芯片，可以很準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)電源的所剩電量，但是價(jià)格很昂貴.所以最終決定仍采用監(jiān)測(cè)電壓的方式來(lái)監(jiān)測(cè)電源，只是合理的監(jiān)測(cè)電壓值，需要多次試驗(yàn)后才能確定。電源電壓監(jiān)測(cè)芯片采用日本理光公司的Ｒ3１１１系列的電壓監(jiān)測(cè)芯片。一是因?yàn)樵撔酒浅凸男酒?，典型供電電流為０?uA;另一個(gè)重要的原因是該芯片監(jiān)測(cè)范圍很廣，可監(jiān)測(cè)電壓從0.9v到６。0v,而且每隔０。１v都有相應(yīng)的型號(hào)，且各型號(hào)管腳接法相同。這樣當(dāng)發(fā)現(xiàn)初始設(shè)定的監(jiān)測(cè)電壓值偏高或偏低時(shí)，可以很方便的更換芯片,而不用改電路板圖。R31１１系列電源芯片與單片機(jī)接口電路如圖３-6所示。VDDVDDR3111GNDVDDVDD470KRGNDRESETMCUVDD圖3－6R３１11芯片與單片機(jī)接口圖4）時(shí)鐘/日歷芯片選用Pｈilｉps公司的低功耗時(shí)鐘／日歷芯片ＰCＦ8563來(lái)處理時(shí)間方面的任務(wù)。ＰCＦ８5６3有1６個(gè)8位寄存器:一個(gè)可自動(dòng)增量的地址寄存器；一個(gè)內(nèi)置32．７６8ＫＨz的振蕩器（帶有一個(gè)內(nèi)部集成的電容）;一個(gè)分頻器（用于給實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC提供源時(shí)鐘)；一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出；一個(gè)倒計(jì)數(shù)定時(shí)器;一個(gè)報(bào)警器;一個(gè)掉電檢測(cè)器和一個(gè)4０0Ｋｈｚ的I２C總線接口。所有１6個(gè)寄存器設(shè)計(jì)成可尋址的８位并行寄存器。前兩個(gè)寄存器（內(nèi)存地址00H,01Ｈ）用于控制寄存器和狀態(tài)寄存器;內(nèi)存地址02H～０8H用于時(shí)鐘計(jì)數(shù)器(秒～年計(jì)數(shù)器）;地址0９H～0ＣH用于報(bào)警寄存器,定義報(bào)警條件;地址０ＤH控制ＣLKOUT管腳的輸出頻率；地址0EＨ和0FＨ分別用于定時(shí)器控制寄存器和定時(shí)器寄存器。秒、分、小時(shí)、日、月、年、分鐘報(bào)警、小時(shí)報(bào)警、日?qǐng)?bào)警寄存器,編碼格式為BＣD碼,星期和星期報(bào)警寄存器不以BCＤ格式編碼。當(dāng)一個(gè)RTＣ寄存器被讀時(shí),所有的計(jì)數(shù)器內(nèi)容被鎖存,因此，在傳送條件下，可防止對(duì)時(shí)鐘／日歷芯片的錯(cuò)讀。由此可見(jiàn),ＰＣF8563具有強(qiáng)大的時(shí)間管理功能,用一片PCＦ856３完全可以實(shí)現(xiàn)熱量表所要求的種種時(shí)間方面的任務(wù)，如按月統(tǒng)計(jì)，時(shí)間顯示，定時(shí)報(bào)警等.５）擴(kuò)展ＥEＰＲOＭ由于Ｐ8７ＬPC7６4單片機(jī)只提供了12８Ｂ的ＲAM和4ＫＢ的EＰROM,所以還須擴(kuò)展一片非易失存儲(chǔ)器,用于存儲(chǔ)熱量表的流量、時(shí)間、熱量、溫度、參數(shù)表格等數(shù)據(jù)。在此選用CAＴ24ＷC02串行Ｅ２PRＯM。２4ＷC02是CＡＴAＬＹSＴ公司的低功耗器件，有一個(gè)1６字節(jié)頁(yè)寫(xiě)緩沖器,該器件可通過(guò)I2Ｃ總線接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專門(mén)的寫(xiě)保護(hù)功能。寫(xiě)操作時(shí),可以按字節(jié)寫(xiě)，即每次寫(xiě)一個(gè)字節(jié)；也可以按頁(yè)寫(xiě)，每次寫(xiě)入1６個(gè)字節(jié)。讀操作時(shí),選用立即地址讀方式,也可以選用選擇性讀方式，還可以選擇連續(xù)讀方式，靈活的讀寫(xiě)操作,為熱量表關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)提供了方便的條件。3。2熱量表電路改進(jìn)3.２．１當(dāng)前系統(tǒng)存在的問(wèn)題和改進(jìn)措施經(jīng)過(guò)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前系統(tǒng)存在以下幾方面的問(wèn)題：１)由于所用MＣU內(nèi)部集成的I／O模塊少，因此外圍電路較多,可靠性較差。2）當(dāng)前系統(tǒng)所采用的溫度傳感器的分辨率較低,達(dá)不到0.1℃。３)大流量時(shí)有丟脈沖現(xiàn)象，測(cè)量精度低。4)各種因素綜合作用導(dǎo)致熱量計(jì)量精度達(dá)不到0。５％。為解決以上問(wèn)題并提高系統(tǒng)的性能計(jì)劃選用MＳP4３0F４13來(lái)代替原來(lái)的P８7ＬＰC764，是因?yàn)镸SＰ４3０與P８７ＬPC７６4相比，具有如下明顯優(yōu)勢(shì)：①ＭＳＰ４30的超低功耗特性:首先，MＳＰ4３０系列單片機(jī)的電源電壓采用的是1.8～３.6Ｖ電壓。因而可使其在1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流會(huì)在２0０~40０uA左右,時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0．1uＡ；其次,獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在ＭSP4３０系列中有兩個(gè)不同的系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)(FLL和FＬL＋）時(shí)鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。有的使用一個(gè)晶體振蕩器（3２768Ｈｚ），有的使用兩個(gè)晶體振蕩器。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生ＣＰＵ和各功能所需的時(shí)鐘.并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開(kāi)和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制;由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)打開(kāi)的功能模塊不同,即采用不同的工作模式,芯片的功耗有著顯著的不同.在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（AM）和五種低功耗模式（LPM０~LＰM4）。在等待方式下,耗電為０。7uＡ,在節(jié)電方式下，最低可達(dá)0．1uA。②51單片機(jī)是8位單片機(jī)。其指令是采用的被稱為“CISC”的復(fù)雜指令集，共具有111條指令。而MＳP４３0單片機(jī)是16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集(ＲISC)結(jié)構(gòu),只有簡(jiǎn)潔的２7條指令，大量的指令則是模擬指令,眾多的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算.這些內(nèi)核指令均為單周期指令，功能強(qiáng),運(yùn)行的速度快.③51系列單片機(jī)由于其內(nèi)部總線是8位的，其內(nèi)部功能模塊基本上都是8位的雖然經(jīng)過(guò)各種努力其內(nèi)部功能模塊有了顯著增加,但是受其結(jié)構(gòu)本身的限制很大,尤其模擬功能部件的增加更顯困難。MSP4３0系列其基本架構(gòu)是1６位的，同時(shí)在其內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換還存在8位的總線，在加上本身就是混合型的結(jié)構(gòu)，因而對(duì)它這樣的開(kāi)放型的架構(gòu)來(lái)說(shuō)，無(wú)論擴(kuò)展8位的功能模塊，還是１6位的功能模塊，即使擴(kuò)展模/數(shù)轉(zhuǎn)換或數(shù)／模轉(zhuǎn)換這類的功能模塊也是很方便的。這也就是為什么ＭSP４30系列產(chǎn)品和其中功能部件迅速增加的原因。④在開(kāi)發(fā)工具上面.對(duì)于５1系列單片機(jī)來(lái)說(shuō),由于它是最早進(jìn)入中國(guó)的單片機(jī),人們對(duì)它再熟悉不過(guò)了,再加上我國(guó)各方人士的努力，創(chuàng)造了不少適合我們使用的開(kāi)發(fā)工具。但是如何實(shí)現(xiàn)在線編程還是一個(gè)很大的問(wèn)題。對(duì)于MSＰ４30系列而言，由于引進(jìn)了Flａｓh型程序存儲(chǔ)器和JTAG技術(shù),不僅使開(kāi)發(fā)工具變得簡(jiǎn)便,而且價(jià)格也相對(duì)低廉，并且還可以實(shí)現(xiàn)在線編程。為提高溫度測(cè)量分辨率,我們選用Pt１０00代替DS2８EＡ0０1(分辨率為0。5℃)，查表法處理數(shù)據(jù)。為解決大流量時(shí)丟脈沖、測(cè)量精度低的問(wèn)題,采取的改進(jìn)措施在３.2．2．１中做了祥盡的表述。3。２。2基于MＳP430F4１3的電路設(shè)計(jì)基于MＳP４30F413的電路設(shè)計(jì)工作主要是對(duì)基于Ｐ87LPC76４的電路進(jìn)行相應(yīng)的移植和改進(jìn)，其中由于ＭSP430F４13有６個(gè)I/O口、64K存儲(chǔ)空間，故而擴(kuò)展I／Ｏ口和E2PROM不再需要,可以進(jìn)行下述的改進(jìn).3.２．２。１流量計(jì)量電路改進(jìn)原來(lái)的設(shè)計(jì)思路是：磁電傳感器的一對(duì)脈沖對(duì)應(yīng)0．1升水,單片機(jī)口每接收到一對(duì)脈沖,申請(qǐng)中斷,將單片機(jī)喚醒，處理流量計(jì)量、溫度測(cè)量和熱量計(jì)算等任務(wù)。這樣的中斷程序耗時(shí)較長(zhǎng)，在大流量時(shí)可能一個(gè)中斷任務(wù)還沒(méi)結(jié)束，就又新的中斷申請(qǐng)?zhí)岢?，造成流量脈沖少計(jì)的現(xiàn)象；從另一方面來(lái)說(shuō)，每來(lái)一對(duì)脈沖都要喚醒單片機(jī),減少了單片機(jī)的休眠時(shí)間,增加了功耗，實(shí)際上熱量表在運(yùn)行過(guò)程中溫度變化很慢,是沒(méi)有必要０。1升水一測(cè)的。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：熱量至少一分鐘計(jì)算一次的規(guī)定,采用如下方案：將流量計(jì)量和熱量計(jì)算任務(wù)分開(kāi),流量由計(jì)數(shù)器自動(dòng)計(jì)量,即流量脈沖作為外部信號(hào)直接送計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),不再喚醒單片機(jī),即使在休眠狀態(tài)下，也能計(jì)量脈沖;熱量計(jì)算由時(shí)間控制,每一分鐘被喚醒一次，執(zhí)行測(cè)溫、讀流量、相應(yīng)的計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù),在執(zhí)行此中斷任務(wù)時(shí)，并不影響流量的計(jì)量,如果有流量脈沖來(lái),計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)。這樣既減少了單片機(jī)工作沖突的可能性,充分利用了單片機(jī)的資源，又降低了功耗。但是也存在一個(gè)問(wèn)題,就是正負(fù)脈沖都接入P1.５(ＴｉmerA輸入時(shí)鐘），沒(méi)有了互鎖性，容易把干擾信號(hào)也作為脈沖信號(hào)來(lái)計(jì)，在此，加入了一個(gè)低功耗Ｊ-K觸發(fā)器（SＮ７4ＬVC11２）來(lái)增強(qiáng)電路的抗干擾能力，如圖3－7示.圖3-7流量計(jì)量電路工作過(guò)程分析:由圖3－７可見(jiàn)，計(jì)數(shù)器輸入引腳Ｐ1。５只能接收由4、15引腳觸發(fā)而產(chǎn)生的高低脈沖輸出信號(hào)Q，即只能由傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)三級(jí)管處理后才能使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),來(lái)測(cè)量供暖水流量,而其它任何形式的干擾脈沖都不會(huì)被J－K觸發(fā)器接收，從而保證了流量傳感器計(jì)量的準(zhǔn)確性。下表為SN74LVC１12J—Ｋ觸發(fā)器功能圖描述。ＩNＰUTSＯUTＰUTPREPRECLRCLRCＬKJＫQ/QLＨ×××HLHL×××LＨＬL×××HHＨH↓ＬLQ0HＨ↓ＨLHＬＨＨ↓LHLＨHH↓ＨHＴoggleHＨH××Ｑ０／Q0３.2.２。2測(cè)溫電路改進(jìn)鉑電阻溫度傳感器因其溫度性好、測(cè)量準(zhǔn)確度高、量程范圍廣而一直被廣泛應(yīng)用。而且標(biāo)準(zhǔn)建議使用鉑電阻溫度傳感器.在０~65０℃范圍內(nèi)，其電阻溫度特性如下:Ｒt=R0（１+at+bt2）(式３-1）式（3-1)中：Ｒt、R0分別為ｔ和０℃時(shí)的電阻值;ｂ為常數(shù),a＝３．96847×1０-3／℃,b＝-5．847×１0-7／℃２,因?yàn)椋鉃樨?fù)值，故其特性曲線為一略凸的曲線,溫度越高,其曲線呈現(xiàn)凸型的程度越重,非線性誤差越大。關(guān)于鉑電阻測(cè)量電路,有兩種方案:一種是利用反饋形成函數(shù)電路的方法對(duì)鉑電阻進(jìn)行非線性校正，然后經(jīng)A/D送單片機(jī)處理;另一種思路是不經(jīng)過(guò)非線性校正,電壓信號(hào)經(jīng)A／D后由單片機(jī)按照電壓值與鉑電阻值的關(guān)系計(jì)算出此時(shí)的鉑電阻值，然后查表得相應(yīng)的溫度值(Pt阻值按分段線性表的方式存于RＯM中）.對(duì)于熱量表來(lái)說(shuō)，測(cè)量范圍0~９５℃(常溫型），在此區(qū)間鉑電阻的非線性并不是很嚴(yán)重，而且系統(tǒng)采用３。６V鋰電池供電,溫度測(cè)量精度要達(dá)到0。１℃（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定）的話,溫度變化0。1℃，對(duì)應(yīng)電壓最多變化3.６mV，為了避免不必要的干擾,本文認(rèn)為前級(jí)電路越簡(jiǎn)單越好；從另一方面說(shuō)，MSP4３0提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算功能，如乘法器，浮點(diǎn)運(yùn)算庫(kù)等,因此本文認(rèn)為采用第二種方案，比較容易更簡(jiǎn)單的達(dá)到要求的精度。對(duì)于第二種方案有兩種實(shí)現(xiàn)方法:恒壓源電路和恒流源電路。1)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換關(guān)于A/Ｄ轉(zhuǎn)換最常用的方法是逐次逼近法（SAR）和積分法。其中ＳＡR轉(zhuǎn)換時(shí)間固定且快速，但要明顯提高分辨率有一定的困難；積分型A/D有較強(qiáng)的抗干擾能力,但轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)。而∑-△Ａ／D則具有高分辨率、高線性度及低成本的特點(diǎn)。本文采用ＭＳP４30F４1３內(nèi)部的高精度模擬電壓比較器,外接一只電阻和電容來(lái)構(gòu)成一個(gè)類似于∑—△技術(shù)的高精度單斜率Ａ/D.其測(cè)量電路參見(jiàn)圖３—8所示.圖3-8∑一△A/D測(cè)量電路圖ＭＳP430F4１3的工作電壓為3。3V，I/Ｏ口輸出高電平時(shí)電壓接近VＣC,低電平時(shí)接近地，因此一個(gè)I/Ｏ口可以看作一位ＤAＣ，具有ＰＷM功能。測(cè)量時(shí)P1．7引腳接被測(cè)電壓，P2．0輸出一串占空比為50，脈寬為Ｔp的脈沖。當(dāng)電容C1充電到Voｕt=Vｉn時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，這一過(guò)程稱為預(yù)充電過(guò)程：此后，為維持Vout=Viｎ，P2.0繼續(xù)輸出脈沖，程序開(kāi)始對(duì)總的輸出脈沖數(shù)Ｎ和輸出為高的脈沖數(shù)ｎ進(jìn)行計(jì)數(shù)。P2．0根據(jù)比較器的輸出狀態(tài)來(lái)決定是輸出高還是低電平,如果比較器輸出為低,表示Voｕt<Vin,則Ｐ２．０輸出為高,反之，輸出為低。當(dāng)輸出Ｎ個(gè)脈沖后,停止計(jì)數(shù),此時(shí)高脈沖數(shù)n與被測(cè)電壓Ｖiｎ成正比。原理分析參考圖３—9所示。圖3-9電容充放電過(guò)程示意圖經(jīng)預(yù)充電后，Ｖoｕｔ=Vin，此后，P2．在電容Ｃ上反復(fù)充放電，雖然電容充放電是非線性的，但由于充放電幅度極小，只要滿足R*C１》Tp，則在一定精度內(nèi)可以認(rèn)為充放電過(guò)程是線性的,其波形圖如圖3—9。圖中虛線表示總的脈沖，實(shí)線是輸出為高的脈沖，如果把相鄰的高電平和相鄰的低電平看成一個(gè)脈沖,分別為T(mén)Ｈ１、ＴL1、TＨ2、TＬ2……雖然TＨ1=TH２=……和ＴＬ1＝ＴＬ2＝……不一定成立，但從總體效果看,可以認(rèn)為它們是等寬的.那么，ｎ個(gè)高電平和N-n個(gè)低電平就構(gòu)成了ｍ個(gè)大脈沖。其中TＨ＝n/m＊Tｐ；ＴL＝（Ｎ—ｎ)＊Tp/m，那么充電時(shí)：Vｍax=ＶCＣ＋［Uｍｉn—ＶCＣ］＊exｐ(—TＨ/ＲC）(式３-2)放電時(shí)：Vmｉn＝Vmａx＊exp（-TＬ／ＲC）（式3－3)由上兩式得:Vmａx＊（1－exp(—（TＨ＋TＬ)／ＲＣ)）=ＶCC(1－exp（－TH／RC)(式3—4)在允許誤差范圍內(nèi)有Vmax=Ｖin，則：Vin*(１-ｅxp(—（TＨ+TＬ)／RC）)=VCＣ（1—exp（－ＴH/RC）)(式３—5）在(TH+TL）/T《１時(shí),指數(shù)項(xiàng)用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)得：Vｉn＊Ｎ／ｍ=VCＣ＊ｎ/ｍ(式3-6）即Vｉn=n＊VCC/N（式3－７）確定電阻R和電容C1的參數(shù)值對(duì)于提高∑-△A／D轉(zhuǎn)換的精度很重要。充放電脈沖寬度Tｐ的數(shù)值是由軟件決定的,最小為１4個(gè)機(jī)器周期。在保證精確度為１ＬＳＢ（分辨率,指最低1位數(shù)字量變化引起輸出電壓幅度的變化量，如量程為１0Ｖ的16位ＤAC的分辨率為１0Ｖ×２-１6＝１53uｖ）時(shí)，若系統(tǒng)主頻為3.５7ＭHｚ，則Ｔp=14/3.57M=４。９ｕs,設(shè)N為4096（對(duì)應(yīng)14位Ａ/D)由電容充放電公式：(式３-8）(式3－9)這種轉(zhuǎn)換方法要求電源電壓VCＣ很穩(wěn)定,因此，一般經(jīng)DC—DC變換穩(wěn)壓。2）分析影響∑-△Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換精度的因素①電源電壓VCC因?yàn)镻２．0輸出的高電平為ＶCC，程序中又以ＶCC作為參考電壓，因此,VＣC越穩(wěn)定測(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確，本文采用MAＸ８88１穩(wěn)壓片子進(jìn)行穩(wěn)壓。8881的穩(wěn)壓精度±1。5％VCC。②晶振頻率將影響ＣPＵ時(shí)鐘，CPＵ越快,則Tp越小，RC相對(duì)越大，則越能滿足近似的條件,誤差應(yīng)越小，本文選擇３２76８K晶振,采用43０倍頻技術(shù)使時(shí)鐘達(dá)到7。２Ｍ。③RＣ參數(shù)影響理論上RC越穩(wěn)定,測(cè)量結(jié)果越精確，實(shí)際上RC的穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性影響不大。④比較器的輸入端失調(diào)電壓比較器同向輸入端和反向輸入端均存在失調(diào)電壓，由于測(cè)量過(guò)程中電容上的充放電波動(dòng)幅度較小,與失調(diào)電壓具有可比性,因此失調(diào)電壓對(duì)測(cè)量精度的影響不可忽略，本文采用兩次調(diào)用測(cè)量子程序，使比較器同向和反向輸入端口互換的方法，最大限度的抵消失調(diào)電壓的影響。⑤噪聲干擾通過(guò)在輸入端加濾波電容的方法來(lái)減小這種影響。⑥軟件影響主要是采樣子程序中P2．０輸出高或低電平不對(duì)稱，占空比不是50%。本文高低電平時(shí)間都是１4個(gè)機(jī)器周期.另一個(gè)可能是在測(cè)量子程序運(yùn)行時(shí)沒(méi)有關(guān)閉其它中斷,導(dǎo)致額外的充放電時(shí)間.３)恒壓源測(cè)溫電路由于∑-△A/D轉(zhuǎn)換需用到穩(wěn)壓源，所以優(yōu)先采用恒壓源測(cè)溫電路，如圖３－１0所示。圖3－1０恒壓源測(cè)量電路圖Ｒt為PT１０00在ｔ溫度時(shí)的電阻,由上圖得：Ｖiｎ=—Rｔ/Ｒ2*VＣC（式３一10)聯(lián)立上面式４－7可得：Ｖin=-n＊R2/N(式３一11）反相后得:Ｖin=ｎ*Ｒ2/N（式３一１２）這樣從理論上看來(lái)，可以消去電源變化帶來(lái)的影響，也就是可以省去一個(gè)穩(wěn)壓芯片。然而實(shí)際上,由于電源電壓的限制，運(yùn)放的非理想性影響,低功耗要求,電源電壓波動(dòng)，橋臂電阻等引起的綜合誤差較大,測(cè)得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度大于0.１℃,經(jīng)過(guò)多次電路改進(jìn)后,仍不是很理想，所以改用恒流源測(cè)量電路。4）恒流源測(cè)量電路恒流源測(cè)量電路如圖3－11所示。其中Ｒ４為高精度標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量電阻(1K）;PTA為入水口溫度傳感器；PTＢ為出水口溫度傳感器；LＭ334為恒流源（電流Ｉseｔ）。因?yàn)楫?dāng)1mA〈Ｉseｔ＜5ｍA時(shí)，Iｓeｔ精度為8％，因此為保證溫度測(cè)量精度,除有兩路溫度測(cè)量外，又加了一個(gè)R４來(lái)實(shí)時(shí)的測(cè)量恒流源電流。圖圖３—１１恒流源溫度測(cè)量電路測(cè)量過(guò)程如下：置高P２。4使Q4導(dǎo)通,由AD轉(zhuǎn)換可得Vin值,再利用歐姆定律可求得此時(shí)恒流源的電流Ｉ：然后再置高P2。5，置低P２.４，使Q5導(dǎo)通，由AD得到的Ｖin值和測(cè)得的電流I，可求得此時(shí)的PＴＡ值，從而可以通過(guò)查表得到相應(yīng)的入水溫度值;同理可測(cè)得此時(shí)的出水溫度值。?PＴ１０００鉑熱電阻分度表如3—２所示.表3-2ＰＴ1０0０鉑熱電阻分度表?PT1０００鉑熱電阻分度表(０℃時(shí)電阻為１00０Ω)溫度℃阻值Ω溫度℃阻值Ω溫度℃阻值Ω溫度℃阻值Ω110０3.９08２6１１01.２25511197.82１7６１２93。69５210０７．8142７11０５．1０352１２01。6７０771297。51531011。72０２81108．9805３1205.5１8781301。３3441015。62４２9１1１2．８5５541209．36４791３０５．1５251０１9．5273０１116。729５５1213.2１08013０8。9６861０２3.4293１1１20。602５61２1７。0548１1３１2.７8３71027.33０321124．4745７1220。8978２１316．5９7８1０31.22９３31128.3４5５812２4。739831320。41１9１0３５．１28３4１13２.2155912２8。5７98413２4.22２101039.０253511３6．08３６01232.４１９85１３28.０３3111042。９2１３611３9．９５0６112３６.2５78６13３1．843１21０46.8１6371１4３。8１７62１240。0958７1335。65113１0５０.７１03８１147．６8163１24３．93１8８13３９。4581４105４。603391151.545６４1247。766891343．２６4１５１０５8．４9５40１1５5．4０8６5１2５１。60０9０1347.0６91610６2。38５４11１5９．２706612５５。43291１350.873１７10６６．２74421163。1３０671259。26492１３54。676181070.1６24３11６６。989681263.094931358．4771910７4．049４4117０.84769１2６6.923941３6２.2７72０1０77．9354５1174．704７0１2７0．７51９51366．0７7211081．8２0４61178．5６０7１12７４．5789６13６9.8７5221０85．７０3471182.414７2127８．404９71３７３．６71231089.58548118６。2６８7３1282.２28981３77。467241０９3．４6７491190.１２07４1２８６。052９9１38１．262251０９7．34750１193.971７51２89．８７４１0０138５.0５5恒流源測(cè)量電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、且可以通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的通斷來(lái)降低功耗，試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)如表３-2示.缺點(diǎn)是需要使用恒流源和恒壓源.

續(xù)表３—2溫度測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)（恒流源測(cè)量電路)標(biāo)準(zhǔn)溫度（℃）測(cè)量溫度（℃)標(biāo)準(zhǔn)溫度（℃)測(cè)量溫度（℃)０．０0０.０0６7．0０6６。9２5.00５。00７６。00７5.９0１５．0015。018３.008２.96２2．0０２１.９5９0。０090。１03５.００35。0０９5.００94．90４5。０045。1098.0097。90５1．００51。0010０。00１00．0060。0060。003。3系統(tǒng)的電源與人機(jī)接口設(shè)計(jì)3。3。１系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)電源是設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的重要組成部分,主要是為各功能電路提供所需的工作電壓，其穩(wěn)壓性能直接影響系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。由于使用的元器件電氣特性不同,系統(tǒng)中的各個(gè)部件所需的供電電壓也各不相同,有時(shí)需要同時(shí)提供幾種不同的電壓和極性的直流穩(wěn)壓電源,例如本系統(tǒng)中液晶顯示器的工作電壓為5V，而ＭSP４30單片機(jī)的工作電壓為3．３V，因此就需要分別設(shè)計(jì)不同的電源電路。為保證電壓的穩(wěn)定性和精度，本系統(tǒng)采用集成電路穩(wěn)壓電源,電源模塊主要由７８05、7９０５和LＭ31７組成。其中78０5、７９０５都是固定電壓輸出的集成三端穩(wěn)壓器，而ＬＭ317為三端可調(diào)的電壓穩(wěn)壓器,其輸出電壓由外部分壓電阻確定，由該穩(wěn)壓器提供微處理器所需的3。3V電壓。此穩(wěn)壓器使用方便，只需外接兩個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓。在ＬM3１7電路中，其輸出電壓與電阻關(guān)系為:U０≈1。２5（1＋（式3一13）這里，選用RP1＝1５0，RP2=２40ΩΩ,可得輸出供電電壓為3.3Ｖ。使用另一電源給7905供電，其中Ｖi〈—7V，電源電路如圖3-1２所示。圖３—12電源電路3.3.2鍵盤(pán)接口設(shè)計(jì)3.3VK1P2.1R22K本系統(tǒng)僅按鍵顯示1個(gè)功能鍵，數(shù)量較少,所以采用獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)。此種按鍵結(jié)構(gòu)每個(gè)鍵單獨(dú)占用１根Ｉ/O接口線，每個(gè)鍵的工作都不會(huì)影響其他I／O接口的狀態(tài)。單個(gè)按鍵接口電路圖如圖3—3.3VK1P2.1R22K圖3－１3單個(gè)按鍵接口電路由于按鍵機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用,在閉合及斷開(kāi)瞬間都會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，即會(huì)出現(xiàn)很多低電平,而系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為有幾個(gè)低電平就按了幾次鍵,所以,為了保證MCU對(duì)鍵的一次閉合僅作一次鍵輸入處理,必須去除抖動(dòng)影響.常用的清除抖動(dòng)的方法有3種:1）使用R－S觸發(fā)器構(gòu)成消抖動(dòng)開(kāi)關(guān)；2)使用電阻和電容構(gòu)成積分器；3）使用軟件延時(shí)。前兩種方法是使用硬件,后一種方法是使用軟件,即當(dāng)出現(xiàn)低電平時(shí),就知道可能有按鍵按下，于是等待1０mｓ，１0mｓ之后再檢測(cè)按鍵輸入端，如果還是低電平，則就一般的機(jī)械按鍵而言，已經(jīng)是處于穩(wěn)定期了,按鍵的抖動(dòng)被消除;如果１０ms之后按鍵輸入端沒(méi)有低電平了,則說(shuō)明是干擾信號(hào),而非按鍵按下.3.3VRR2100KRR11KRST0.1uFCR1RST3.3VRR2100KRR11KRST0.1uFCR1RST圖3-14復(fù)位電路3．３.3顯示接口設(shè)計(jì)本課題的設(shè)計(jì)中選用ＯCＭJ４Ｘ８LCＤ顯示模塊，用來(lái)顯示瞬時(shí)流量、進(jìn)水溫度、回水溫度、已用熱量、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)。ＯCMJ4Ｘ８ＬCＤ液晶顯示器內(nèi)含ＧＢ2３1２16＊1６點(diǎn)陣國(guó)標(biāo)一級(jí)簡(jiǎn)體漢字和ＡSCIＩ８＊８及8*１6點(diǎn)陣英文字庫(kù),只需輸入?yún)^(qū)位碼和ASＣＩI碼即可實(shí)現(xiàn)文本顯示.此外，本系列的模塊具有上、下、左、右移動(dòng)當(dāng)前顯示屏幕和清除屏幕的命令,所有的設(shè)置初始化工作都在上電時(shí)自動(dòng)完成,實(shí)現(xiàn)了“即插即用”.同時(shí)，還保留了一條專用復(fù)位線供用戶選擇使用，可對(duì)工作中的模塊進(jìn)行軟件或硬件強(qiáng)行復(fù)位。標(biāo)準(zhǔn)硬件接口采用REQ/BUSY握手協(xié)議，簡(jiǎn)單可靠[17]。LＣD顯示模塊是5V器件，需通過(guò)74HＣ245驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的P3口（P3．0—Ｐ3.7)作為L(zhǎng)ＣＤ的顯示輸出,Ｐ2.３接ＬCD的REQ請(qǐng)求信號(hào),Ｐ２。２接ＬCＤ的ＢUSY信號(hào)。具體的接口電路如圖３－15所示：圖3－1５ＬCD接口電路ＬCD顯示接口采用ＲEQ/BUSY握手協(xié)議，即:應(yīng)答B(yǎng)ＵSＹ高電平（BUＳY=1)時(shí),表示OCMJ正忙于內(nèi)部處理，不能接收用戶命令；當(dāng)BUＳＹ信號(hào)低電平（BＵSＹ=0）時(shí)，表示ＯＣMJ空閑，等待接收用戶命令。發(fā)送命令到ＯＣＭＪ可在ＢUSＹ=０的任意時(shí)刻進(jìn)行,先把用戶命令的當(dāng)前字節(jié)放在數(shù)據(jù)線上，接著發(fā)高電平ＲEQ信號(hào)（REQ＝1)通知OCMJ，請(qǐng)求處理當(dāng)前數(shù)據(jù)線上的命令或數(shù)據(jù)。OCＭJ接到外部的ＲEQ高電平信號(hào)后立即讀取數(shù)據(jù)線上的命令或數(shù)據(jù)，同時(shí)將應(yīng)答線ＢＵＳY變?yōu)楦唠娖剑砻髂K已收到數(shù)據(jù)，正忙于對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部處理，此時(shí),用戶對(duì)模塊的寫(xiě)操作完成，用戶可以撤銷數(shù)據(jù)線上的信號(hào)并可作模塊顯示以外的其它工作,且不斷查詢應(yīng)答線BＵSY是否變?yōu)榈碗娖剑˙ＵＳY＝0）。若BＵSY＝0，表明模塊對(duì)用戶的寫(xiě)操作已經(jīng)完成，可以再發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。具體的程序流程圖如圖４。5．7所示。3．4系統(tǒng)的通訊技術(shù)３．４.1概述在數(shù)據(jù)通訊中，分為并行數(shù)據(jù)通信和串行數(shù)據(jù)通信兩種.并行通訊傳輸速度快、效率高,但只適合短距離傳輸；串行數(shù)據(jù)通信在發(fā)送方通過(guò)某種機(jī)制將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，經(jīng)由通信介質(zhì)（有線或無(wú)線）逐位發(fā)送出去，在接收方再通過(guò)某種機(jī)制將串行數(shù)據(jù)恢復(fù)為并行數(shù)據(jù),這種方式可以大量的節(jié)約電纜導(dǎo)線，且適用于遠(yuǎn)距離傳輸。因此，本課題的設(shè)計(jì)中選用了串行通信方式。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中擬使用標(biāo)準(zhǔn)總線,這不但使整個(gè)系統(tǒng)具備較高的兼容性和靈活的配置，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，還能使產(chǎn)品更容易適應(yīng)市場(chǎng)需求的變化。現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)中，依靠上位機(jī)高速的處理器和海量存儲(chǔ)器來(lái)計(jì)算和保存數(shù)據(jù)已成為一種趨勢(shì)，所以,本課題的數(shù)據(jù)通訊設(shè)計(jì)可采用以下幾種方案：1、RＳ—232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線這是目前廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備間進(jìn)行串行異步通訊的接口總線。其標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)通信設(shè)備(ＤＣE)與數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTＥ）之間的串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谛畔?，?guī)定了接口的電氣信號(hào)和接插件的機(jī)械要求.由于計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)是并行的，為了實(shí)現(xiàn)異步串行傳輸，發(fā)送時(shí)必須進(jìn)行并－串轉(zhuǎn)換，接收時(shí)再把有用的數(shù)據(jù)提取出來(lái)，進(jìn)行串-并轉(zhuǎn)換。此外，還需進(jìn)行校驗(yàn)，看傳送是否正確。這些工作均可由MCＵ中的ＵART(通用異步接收器/發(fā)送器)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是ＲS—２３２Ｃ還存在以下不便:1）ＲS—２３２C的邏輯電平為負(fù)邏輯的±12Ｖ,而在計(jì)算機(jī)及智能儀器內(nèi),通用信號(hào)是正邏輯的TTL電平,兩者不兼容，所以必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換.2）RS-２32C發(fā)送器電容負(fù)載的最大驅(qū)動(dòng)能力為2500pF，這就限制了信號(hào)線的最大長(zhǎng)度。如:若信號(hào)線采用每米分布電容約為１５０ｐＦ的雙絞線通信電纜，最大通信距離為1５m;若采用分布電容較小的同軸電纜，傳輸距離可以再增加些。３)傳輸速率較慢，一般低于2０ｋbps.4）由于信號(hào)傳輸電路為單端電路，所以抗共模干擾能力差，且在條件較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)控制中，很難實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常傳輸和獲取。２、RＳ－485標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線這是為適應(yīng)用最少的信號(hào)線實(shí)現(xiàn)多站互聯(lián)、構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的需要而產(chǎn)生的,工作在半雙工狀態(tài).它提供多點(diǎn)應(yīng)用，同一線上最多可接32個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器，最大傳輸速率１0Mｂ/s（１2m)，最大傳輸距離為１2００m（１0ｋb/s），可以較好的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的獲取和控制.3、ＵＳB總線USB（ＵｎiverｓａlSeｒiａlBus）即通用串行總線,是一種電纜總線,它在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入了網(wǎng)絡(luò)的某些技術(shù)，已經(jīng)成為新型計(jì)算機(jī)接口的主流.與其它兩種方案相比,UＳB總線具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）用戶易用：電纜連接和連接頭采用單一模式,電氣特性與用戶無(wú)關(guān),并提供了動(dòng)態(tài)連接、動(dòng)態(tài)識(shí)別等特性。2）應(yīng)用廣泛：傳輸率從幾ｋbｐs到幾Mbps，乃至上百M(fèi)bｐs，并在同一根電纜上支持同步、異步兩種傳輸模式,且連接的方式十分靈活，既可以使用設(shè)備串行連接,也可以使用集線器Hub，把多個(gè)設(shè)備連接在一起，再同PＣ機(jī)的USB口相接；可對(duì)多個(gè)UＳB總線設(shè)備（最多達(dá)１２７個(gè)）同時(shí)進(jìn)行操作,利用底層協(xié)議提高了總線利用率，使主機(jī)和設(shè)備之間可傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流和報(bào)文.３）使用靈活：可對(duì)設(shè)備緩沖區(qū)進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)設(shè)定緩沖區(qū)的大小和執(zhí)行時(shí)間,支持各種數(shù)據(jù)傳輸率和不同大小的數(shù)據(jù)包。4)容錯(cuò)性強(qiáng):在協(xié)議中規(guī)定了出錯(cuò)處理和差錯(cuò)校正機(jī)制，可以對(duì)有缺陷的設(shè)備進(jìn)行認(rèn)定，對(duì)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正或報(bào)告。５)“即插即用”的體系結(jié)構(gòu)：具有簡(jiǎn)單完善的協(xié)議，與現(xiàn)有的操作系統(tǒng)相適應(yīng)；連接外設(shè)時(shí)不必打開(kāi)機(jī)箱；允許外設(shè)熱插拔，而不必關(guān)閉主機(jī)電源。6）獨(dú)立供電：USB接口提供了內(nèi)置電源。７)性價(jià)比高:ＵSB總線技術(shù)將外設(shè)和主機(jī)硬件進(jìn)行最優(yōu)化集成，并提供了低價(jià)的電纜和連接頭等，雖然有很多優(yōu)秀的特性，但價(jià)格卻比較低。目前，大多數(shù)PC機(jī)都具有了ＵＳＢ接口，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,使用ＵSＢ總線接口，不僅可以滿足對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求,而且可滿足數(shù)據(jù)量較大的情況。此外，ＵSB集線器提供5Ｖ／５00mＡ電源，足以直接支持一些小型儀器工作，對(duì)于將來(lái)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，可以把多種外圍設(shè)備連接到同一個(gè)連接器上,不但能消除系統(tǒng)沖突，而且連接簡(jiǎn)單，以較低的成本實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和測(cè)控設(shè)備的連接，有效的彌補(bǔ)了以往接口方式的不足,簡(jiǎn)化了設(shè)備的連接和配置。綜上所述,本課題選用第三種方案，使用ＵSB總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。３．４.2通訊方案設(shè)計(jì)一、ＵSＢ芯片的選擇UＳＢ接口的設(shè)計(jì)方案有很多，主要有以下兩種類型：一種是MCU和USB接口芯片分離式結(jié)構(gòu)。此類方案的特點(diǎn)是成本低,且開(kāi)發(fā)難度較低。另一種方案是采用嵌入式結(jié)構(gòu),即采用帶UＳＢ接口的MCU或內(nèi)嵌ＭＣＵ的ＵSB接口芯片。此類方案的特點(diǎn)是成本高，因此不適用于簡(jiǎn)單和低成本的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).本課題提出的設(shè)計(jì)方案屬于ＭＣU和ＵＳＢ接口芯片分離式結(jié)構(gòu)，但是與其它同類的方案相比，它的成本更低,設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、實(shí)用，并且開(kāi)發(fā)周期更短.系統(tǒng)的基本工作原理如下:待測(cè)的模擬信號(hào)經(jīng)放大、濾波，由Ｖ／F轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);ＭＣＵ負(fù)責(zé)采樣、V／F轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)的傳送等；ＵSB接口芯片負(fù)責(zé)單片機(jī)與上位機(jī)（ＰＣ)之間的數(shù)據(jù)通信，上位機(jī)接收到采樣數(shù)據(jù)后可對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。二、USB控制芯片簡(jiǎn)介1、內(nèi)部結(jié)構(gòu)本課題采用了南京沁恒公司生產(chǎn)的CＨ３72芯片［4０］，這是一個(gè)ＵSB總線的通用設(shè)備接口芯片，是同類產(chǎn)品CH375的功能簡(jiǎn)化版，內(nèi)置了USB1。1通訊中的底層協(xié)議,提供一對(duì)主端點(diǎn)和一對(duì)輔助端點(diǎn),支持控制傳輸、批量傳輸和中斷傳輸。CH3７2支持SＬＡVＥ設(shè)備方式。在本地端，CＨ３72具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫(xiě)、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接至微控制器的系統(tǒng)總線上.并且CH372所需外圍電路十分簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)晶振和兩個(gè)電容,芯片的D+、D—引腳可直接與計(jì)算機(jī)USＢ接口的Ｄ＋、D—信號(hào)線相連。CH37２內(nèi)部集成了UＳＢ接口SＩE、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、被動(dòng)并行接口、命令解釋器、電壓調(diào)整器、控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器、通用的固件程序等。芯片內(nèi)部設(shè)置了5個(gè)物理端點(diǎn):端點(diǎn)０是默認(rèn)端點(diǎn)，支持上傳和下傳,上傳和下傳緩沖區(qū)各為８?jìng)€(gè)字節(jié);端點(diǎn)1包括上傳端點(diǎn)和下傳端點(diǎn)，每個(gè)端點(diǎn)緩沖區(qū)為8個(gè)字節(jié)；端點(diǎn)2也包括上傳端點(diǎn)和下傳端點(diǎn),每個(gè)緩沖區(qū)