基于单片机的智能热量表的设计

摘 要摘 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IIAbstractAbstractIn 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 master 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 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 not 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 commonality. 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 calculated 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 录目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 引 言11.1 课题的研究背景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的特点123.2.2 时差法超声波测流量基本原理123.3 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285.4 按键和显示模块30参考文献32致 谢33附录I34附录II整机电路图39- 40 -第一章 引 言第一章 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。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，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。第二章 温度测量及热量算法第二章 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。下面介绍几种温度检测仪表：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变化，从而达到测量温度的目的。最典型的热电式温度传感器是热电偶温度传感器，具有结构简单、使用方便、测量准确度高、测温范围宽等优点。热电阻传感器是利用电阻率随温度变化这一现象来测温度。热电阻主要用于工业测温，可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。大多数金属具有正的电阻温度系数，温度越高电阻值越大。一般温度每升高1电阻值约增加0.4%到0.6%。由半导体制成的热敏电阻大多数具有负温度系数，温度每升高1，电阻值约减小2%到6%。利用以上特性，可实现温度的检测。热电阻是目前接触式测温中应用十分广泛热电式传感器。它具有以下优点： 电阻温度系数大，温度增加时，其电阻值有明显增大。 在工作范围内，物理和化学性能稳定，不易被介质腐蚀。 较高的电阻率，以便制成小尺寸组件，减小热惯性。 电阻随温度变化保持单值函数，最好是线性关系。 易于得到高纯物质，复现性好，价格较便宜。因此，综合以上考虑，在该设计当中采用热电阻温度传感器来进行温度检测。2.2.2 温度检测原理热电阻的测温原理是基于电阻的热阻效应（电阻体的阻值随温度的变化而变化）进行温度测量的。因此，只要测出感温热电阻的阻值变化，即可测出被测温度。在我国，大多数测温组件主要采用Pt1000热电阻。其温度与阻值的变化关系如下：当温度小于0（在其测量范围内）时，关系式为： (2.1)当温度大于0时，关系式为： （2.2）式中：是0时的铂电阻阻值，单位为，为t时的铂电阻阻值，单位为。其中，常数A、B、C分别为A=3.90802/；B=5.775/；C=-4.2735/。为了加快温度与电阻值关系收敛速度，我们可以对初值采用式（2.2）的线性部分： （2.3）得到 (2.4)把此值作为温度迭代的初始温度，经过4次迭代，得到温度，这就顺利补偿了温度传感器的非线性误差。2.3 温度测量的实现鉴于以上对温度检测基本原理的分析，并且考虑到温度传感器的选择，我们可选择不同的方法求出铂电阻在不同温度下的温度值。所以，温度检测的重要任务就是电阻值的测量和实现，设计方法实现温度测量非常重要，考虑到热量表电池供电、低功耗、计算简单等因素，介绍下面两种方法。2.3.1 热电阻阻值测量实现的方法本课题采用电桥测量法，一般Pt1000电阻的测温实现方法有两种。一种是恒流源供电，如图2-1所示，另一种就是恒压源供电，如图2-2所示。区别主要为电源不同，这也就会引起计算公式的差异。图2-1 恒流源测温电路（1）可求出电压表的电压为： （2.8）当RRc，成立时，有 （2.9）测出，的大小便可以算出。图2-2 恒压源测温电路(2)电压表的电压： （2.10）2.3.2 影响测温精度的因素 引线电阻的影响。用于测量的金属热电阻总要有连接导线，由于金属热电阻本身的电阻值较小，所以引线的电阻值及其变化就不能忽略。为此，金属热电阻的引线通常采用三线式或四线式接法。 自然误差。在用金属热电阻测量电路时，电阻中总要留过一定的电流并消耗一定的电功率，通电后的发热同样会造成电阻值的变化，但这种变化是不希望的。使用中应尽量减小电阻通电产生的热而引起的误差。解决的办法是限制电流，规定其值不超过6mA。 安装精度的影响。我们知道热电阻要尽量安装在管道的中间，以使热电阻尽量与被测物体充分接触，但是，这就会引起不必要的接触电阻产生。因此，热电阻的安装也会对测温精度产生不可忽略的影响。2.4 热量算法的计算2.4.1 热量计算原理热量计算原理：将一对温度传感器分别安装在供水管道的进出水口，温度传感器将测得的进出水的温度传送到单片机，单片机将收到数据进行处理计算，最后计算出热量。2.4.2 热量计算基本公式（1） 焓差法 （2.11)其中：Q是释放或吸收的热量；是流经热量表的品质流量；是流经热量表的液体流量；指流经热量表的液体密度；是指在热交换系统的入口和出口温度下液体的焓值差：；t为时间。该公式表示：当水流经系统时，根据配对温度传感器给出的进出液体温度，以及流量传感器给出的体积流量，通过积分运算就可以得到该系统吸收或者释放的总热量。（2） 热系数法 （2.12）其中：Q为吸收或者释放的热量；v是为液体流过的体积；为热量表入口处液体的温度；为热量表出口处液体的温度；k为热系数。但是使用该公式有个前提：即必须满足入口温度高于出口温度时才能获得对应k系数，否则该公示不可使用。本课题采用焓差法来计算热量。第三章 流量检测原理第三章 流量检测原理3.1 流量的概念和温度一样，流量也是控制过程中的重要参数。一方面，它是判断生产状况、衡量设备运行效率的重要指标。例如，在许多工业生产中，一方面用测量和控制流量来确定物料的配比与消耗，以实现生产过程自动化和最优控制；另一方面，还需要将介质流量作为生产操作和控制其它参数（如温度、压力、液位等）的重要依据。所以，对流量的测量与控制是实现生产过程自动化的一项重要任务。在生产过程中，常把单位时间内流过工艺管道某截面的流体数量称为瞬时流量，而把某一段时间内流过工艺管道某截面的流体总量称为累积流量。瞬时流量和累积流量可以用体积表示，也可以用质量或重量表示。（1） 体积流量 以体积表示的瞬时流量用表示，单位为；以体积表示的累积流量用表示，单位为。他们的计算式分别为 （3.1） （3.2)式中，为截面A中某一微元面积上的流体速度；为截面A上的平均流速。（2） 重量流量 以重量表示的瞬时流量用表示，单位为牛顿/小时；以重量表示的累积流量用表示，单位为牛顿（N）。它们与流量的关系分别为 (3.3）式中，表示流体的重度。（3） 质量流量 以质量表示的瞬时流量用表示，单位为/s；以质量表示的累积流量用表示，单位为。它们与体积流量的关系分别为 （3.4）式中，表示流体的密度。3.2 时差法超声波测流量原理3.2.1 时差法超声波测流量的特点时差法测流量原理具有以下几个特点：(1) 对于小管径时差测量比较困难。目前可测的最小管径为25mm，采用V型或W型声道以扩大声程长度，增加顺逆向声传播时间。对于Z型声道一般用于50mm以上管道。(2) 用途比较广泛，适用于各种液体和不同管径。除管道外，还可用于管道、河流等的流速、流量的测量。时差法较适于测量纯净液体。有较多气泡的液体或悬浮物会阻碍声脉冲正常传播，导致不能正常测量。(3) 电子线路的集成程度较高，几乎不需要修理与维护，编程灵活简单，用户输入的数据均为常用的原始直接数据，不需要经过人工计算，省力省时效率高。(4) 组成简单，主要有换能器和电子电路构成。不仅对导电的介质，而且对不导电的介质实现无压损测量。因为时差法超声测流量具有许多突出优点，所以它具有强大的生命力。3.2.2 时差法超声波测流量基本原理时差法超声波流量测量的基本原理是：利用超声波在流体当中逆流和顺流传播速度的差异，在管道的两端安装一对换能器，两换能器交替发射和接受信号，最终测出超声波的传播时间差，将数据传送到单片机进行处理计算，最后计算出总的热量。图3-1 时差法超声波测流量示意图超声波流量计的超声波换能器一般是斜置在管壁外侧，如图3-1所示。图中采用一对换能器，每一个换能器兼作声波的发射和接受，实际应用中也可以采用两对换能器。假设声波在顺流方向的传播时间为，在逆流方向的传播时间为，据图可以求出： （3.5） (3.6)其中：为超声波传播的折射角度；c为声波在静止流体的传播速度；D为管道内径大小；流体的流速为v；为信号在一个循环中除在流体中传播所需的时间。顺流方向和逆流方向的传播时间差为： （3.7)大多数情况下cVsin，所以上式可变为 (3.8)因此，如果知道了，及D，并且检测出超声波传播时间并计算出传播时间差，就可以计算出超声波在流体当中的传播速度V，超声波流量计所测得的流速与实际传播速度之间存在差异，主要是由于声速取顺逆流方向声波传播时间，声速会产生一定的误差。为减小这种误差，可令： （3.9）取，则 （3.10）带入(3.8)式得 （3.11）其中，Q为修正系数，为管道截面积。即 （3.12）3.3 超声波传播时间测量技术准确测量超声波的传播时间是本设计的关键之处。一般的，测量时间方法有三种，分别为脉冲计数法、锁相环路法、高精度计时芯片。由于高精度计时芯片测量时间的方法较前两种方法精度更高，并且满足低功耗的要求，因此本设计采用高精度计时芯片TDC-GP2来测量超声波传播时间。计时芯片的基本测时原理如图3-2所示，其中计时芯片的START和STOP管脚，分别是开始计时控制信号和结束计时控制信号的输入脚，它们的触发电平是由生产厂家自己设定的，并且只接收一次触发，即当START通道中第一个作START信号的脉冲到来后，通道则视为关闭，不再接收任何脉冲信号，直到芯片初始化后，下一次测量才会开始，STOP通道也会做相同处理。这种芯片可直接与单片机通讯，并且具有低功耗、高精度的优势，使硬件电路的设计更为方便，更是降低了整机成本和功耗。图3-2 计时芯片的测时原理TDC-GP2很适合低成本的超声波热量计。由于其良好的功能性（包括精确的温度测量，触发脉冲产生器，窗口和时钟校准器），加上一个简单的微处理器（不需要A/D转换）和一个传感驱动与接收器，就可以构成一完整的超声波热量计。极低的损耗电流保证了在这些应用中电池具有较长的有效使用时间，TDC-GP2可自动完成测量。微处理器只须发送一个开始命令，TDCGP2就会自动触发传感器并测量飞行时间。GP2计算出结果并传送给微处理器。TDC-GPZ的内部结构如图3-3所示。主要对它的TDC模块进行介绍，分析其工作原理。图3-3 TDC-GPZ芯片内部结构图触发脉冲发生器可产生频率、相位和脉冲个数都可调的脉冲序列。高速振荡器频率用作基本频率。这个频率在内部被倍频，它还可以自由地除以因子2-15进行分频，可以产生1-15个脉冲序列，每个脉冲序列都可通过设置寄存器来调节其相位。通过发送代码Start_Cycle来启动触发脉冲发生器。触发脉冲发生器提供两个输出结果：Fire1和Fire2。每个输出在5V时的驱动能力是48mA。这两个输出的驱动能力可以同时增加到96mA。此外，每个输出信号可以被反向使信号的振幅加倍，输出管脚能被单独地设置为高阻态。TDC-GPZ内部具有两种测时模式，其中一种称为粗计时模式(CoarseCount)，另外一种就是高精度计时模式(FineCount)，如图3-4所示。图3-4 TDC一GPZ计时原理图数字TDC是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的。采用前置配器来扩展可测量的最大时间间隔，分辨率保持不变。在此模式下，TDC的高速单元并不测量整个时间间隔，仅仅测量从START或STOP信号到相邻的基准时钟上升沿之间的间隔时间（fine-counts）。在两次精密测量之间，TDC记下基准时钟的周期数。门电路的传播延迟时间主要取决于温度和电压。在测量范围2中测量结果是精确测量值和粗略测量值的总和。因此在测量范围2中必须进行校准。在校准期间，TDC分别测量一个和两个基准时钟周期。这种测量方式的测量结果精度对于芯片内部的基础逻辑门的延迟时间非常依赖。利用这种方法，才有上面提到的65Ps的精度。具体测量过程为：高速度即使单元在Start信号到来时才开始工作，Start信号过来一个高电平，高速计时单元立即开始计时，高速计时单元会计时一定时间。利用之前讲述的高精度计时模式测量该信号到参考时钟的下一上升沿之间的时间，STOP信号在计时单元工作期间到来，会立即测出START与STOP之间的时间，否则会立即进入粗计时状态。高精度计时芯片会测出参考时钟第二次高电平到来的时间，至此，时间测量完成。最终，经过芯片中的数据处理模块得出时间： （3.13）第四章 热量表的硬件设计第四章 热量表的硬件设计4.1 热量表的总体设计热量表的总体结构由以下三个部分组成：流量计，用途是采集水流量并发出流量信号的器件；配对温度传感器，分别用于测量热交换系统进水和回水温度；数据处理及显示模块，目的是接收来自流量传感器和温度传感器提供的流量和温度信号，并通过热量计算公式可得到用户在一定时间内从热交换系统获得的热量。如图4-1所示：图4-1 热量表总体框图4.2 单片机的选择本课题选择单片机MSP430F4152作为系统芯片。该芯片具有超低功耗、功能集成度高等优点，特别适用于功率要求较低的场合，广泛应用于自动信号采集系统、液晶显示的智能仪表、智能检测与控制系统、医疗与运动系统、家用电器和保安系统等领域。MSP430F4152单片机采用内存结构，对内存进行统一编址，利用公共内存控件对系统的全部功能模块寻址。同其它微处理器相比，该芯片可以大大延长电池的使用寿命，单片机的启动更加迅速；芯片抗干扰能力强；64KB的寻址控件，仅3种指令格式，且全部为正交结构；尽可能做到1位元组/指令；源操作有7种寻址模式，外部中断I/O口具有中断能力；对同时发生的中断按优先级别处理；嵌入中断机构，支持在中断服务过程中再次响应其它中断；外围模块地址不占用RAM控件，均在模块内；有10位或更高精度的ADC。4.2.1 基本结构MSP430FE425引脚定义：图4-2 MSP430FE4152引脚定义选用封装为64脚扁平封装，其工作温度范围：-4085。4.2.2 方便的开发环境 1建立开发环境在光盘中找到software文件夹下的EW430-ev-web-342A.exe檔并运行。在安装过程中，最简单的方法是按默认位置安装。2新建一个工程编写代码完成后，可按F7快捷键或选择主菜单Project下的Make子菜单建立可执行二进制代码档。若工程编译（Make）成功，则可进行下载调试。否则，出错信息会显示在信息窗口中，根据出错信息调试程序。图4-3 MSP430的内嵌仿真模块4.3 温度传感器接口电路的设计图4-4 温度传感器接口电路温度传感器接口电路如图4-4所示。有一对热电阻传感器和芯片ELM7S14B组成。ELM7S14B是COMS施密特触发反向集成电路。内部电路由三段逻辑门电路构成，可以达到高抗噪性能和非常稳定的输出，还可以调整信号脉冲。4.4 流量传感器接口电路的设计图4-5 流量传感器接口电路流量传感器接口电路如图4-5所示，有一对换能器和放大电路芯片组成。换能器的安装包括夹装式和固定式两种。在这里简单介绍一下固定式安装方法。在制造流量计时将换能器固定在测量管上，并于测量管组成一体，构成专门的超声波式流量传感器。测量时，流体与换能器接触。因此，固定式超声波流量计可用于液体和气体的测量。第五章 软件程序的设计第五章 软件程序的设计超声波热量表系统的整个软件采用模块化结构设计，将各功能模块设计成独立的编程调试程序块，这样不仅有利于功能的扩展，而且便于调试和连接，更有利于程序的移植和修改。5.1 MSP430单片机的编程语言和编译环境MSP430单片机的开发软件较常用的是IAR公司的IAR Embedded Workbench集成开发环境，它可以编辑、汇编和编译汇编语言和C语言源文件，并且其C语言和汇编语言具有相同格式的头檔，给开发带来了灵活性。单片机应用C语言进行编程更符合当下的潮流。C语言编程有很多优点，程序结构简洁、紧凑、规整，表达式简练、使用灵活。编写的程序可读性强，编译效率高。数据类型种类繁多。C语言具有5种基本的数据类型和多种构造数据类型以及复合的导出类型，同时还提供了与地址密切相关的指针机器运算符。指针可以指向各种类型的简单变量、数组、结构和联合乃至函数等。此外，C语言还允许用户自己定义数据类型。C语言具有编写结构化程序所必需的基本流程控制语句，C语言程序是由函数集合构成的，函数各自独立，并且作为模块化设计的基本单位。语法限制不太严格，能进行位（bit）操作，可以直接对硬件进行操作。因此，C语言既具有高级语言的功能，又兼容低级语言的许多功能，可用来编写系统软件。具有较高的可移植性。它的语句基本上无须修改就能用于各种型号的计算机和各种操作系统。C语言是处于汇编语言和高级语言之间的一种中间型程序设计语言，常被称为中级语言。它既有高级语言的基本特点，又具有汇编语言面向硬件和系统，可以直接访问硬件的功能。本设计采用C语言编程，因此，需要把寄存器分为两组。(1) 高速缓存器（R12R15），为了满足计算准确，速度较快，因此，高速寄存器用来传送参数(2) 普通寄存器（R4R11），在编写程序过程中，要用到大量的变量以及中间变量，因此，可以利用普通寄存器来储存这些参数。但是要注意，这些参数十分重要，要注意保护，确保不会出现差错。由于测量过程的复杂性，外界有较多的干扰因素，中断可能随时发生，因此，编写中断函数不适合调用约定。在编写当中要注意： 寄存器的信息安全保护，在整个过程中都要保护寄存器中储存的信息数据。 INTVEC处定义中断变量，这是不可忽略的。整个软件构成如图5-1所示，系统主程序和中断服务程序构成系统的软件程序。整个系统完成初始化以后自动进入掉电模式，而一些中断程序可将单片机唤醒进入工作模式。这些终端程序包括测量程序、案件显示程序和时钟程序等，单片进入工作模式以后开始进行内存的读写、进行数据计算处理，等到这些工作完成以后，系统又自动进入掉电模式。整个软件系统采用模块化设计，这些模块包括温度检测模块、流量检测模块、通讯模块。图5-1系统软件的总体设计结构5.2 系统主程序本系统中的主程序主要是完成单片机MSP430F4152的内部模块和寄存器的设置、端口资源和内存的配置、存储功能与数值计算，其它时间单片机会自动转入低功耗模式，测量和按键中断会把它从睡眠状态唤醒。因此CPU大部分时间都处于在低功耗模式下，把功耗降到最低。主程序流程图如图5-2所示。开始参数处理初始化进入低功耗模式等待中断唤醒按键中断？5s时间到？判别按键LCD显示启动时差测量TimeEndSign=0？启动温度测量TimeEndSign=0？计算子程序存储资料YYYYNNNN图5-2主程序流程图5.2.1 初始化模块(1) 看门狗初始化。使单片机可以在无人状态下实现连续工作，其工作原理是：看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连，该I/O引脚通过程控它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平(或低电平)，这一程序语句是分散地放在单片机其它控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段进入死循环状态时，写看门狗引脚的程序便不能被执行，这个时候，看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号，便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号，使单片机发生复位，即程序从程序内存的起始位置开始执行，这样便实现了单片机的自动复位。在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。所以在使用有看门狗的芯片时要注意清看门狗。(2) I/O埠的初始化。MSP430F4152共有48个I/0埠，其中Pl、P2口具有中断能力。大多数的I/O口会被使用，而大部分I/0不仅可作为输入/输出口还可以和片内模块功能复用，因此I/0的初始化会比较繁杂。对本课题中所使用的I/O埠的初始化如下：P1口：具有中断能力，外部中断可经过该埠传递到单片机，将P1.6、P1.7设置为中断方式，通过下降沿触发，其余埠设置为输出状态，不去使用。P2口：P2.l，P2.2，P2.4，P2.5，P2.6和P2.7全部设置成输出状态，而把P2.0为定时器TA2设置为捕获输入，把P2.6设置为比较器A输出，P2SEL的第7位置1；将P2.3设置为按键输入，令P2SEL=Ox41。P3口：温差和时差测量芯片的控制端口，将P3.0P3.3，P3.5P3.7全部设置为输出状态，仅把P3.4设置为输入状态。P4口：P4.0P4.5设置为输出状态，当作液晶显示器的控制埠使用；P4.6设置为输出状态，可作为发射接收电路切换控制端口；P4.7不用，设置成输出状态。P5口：P5.2P5.4设置为输出状态，可作为时钟电路的控制端口；其余埠用不到，也可以设置为输出状态。P6口：P6.3P6.5设置为输出，用作控制端；其它埠全部设置为输出状态。(3) 内部时钟的初始化。系统共采用了三种不同的时钟信号，分别为MCLK、SMCLK、ACLK。其中，把50H赋给SCFI0控制寄存器，意思是DCOCLK的频率可在2.826.6MHz之间调整。把A0H赋给FLL_CTL0控制寄存器，可选择振荡器电容为pF。SCFQCTL寄存器赋予的值与SCFI0中的D位可作为控制DCOCLK的频率MCLK和SMCLK信号。SCFQCTL的位与含义如表5-1所示：表5-1 系统时钟控制寄存器76543210MNNNNNNN其中，N的范围为1127，当DCO在MCLK和SMCLK前允许分频时，SMCLK的频率可由式5.1得到 （5.1）=32768Hz、分频系数D=2，N=121，MCLK和SMCLK为7.99MHz，该频率值不可以超过DCOCLK设定的范围。(4) 内部定时器的初始化。使用单片机MSP430F4152内部的基本定时器Basic Timer1可用来控制芯片的休眠时间，中断的时候单片机自动进入工作状态。Basic Timer1由BTCNT1、BTCNT2与一个控制寄存器BTCTL构成，BTCNT1、BTCNT2作为两个计数单元使用。BTCTL各位定义如表5-2所示：表5-2 基本定时器控制寄存器76543210SSELHOLDDIVFRFQ1FRFQ0IP2IP1IP05.2.2 计算子程序计算子程序是通过测量的温度差值与超声波传播时间来计算瞬时/累积流量、瞬时/累积热量的程序。本设计在实际的测量中采用的是高精度测量芯片TDC-GP2，但是在进行温度测量时，结果寄存器中存储的值不是我们渴望得到的温度，而是放电电容的放电时间，因此必须通过温度查表程序才能得到准确的温度值。在超声波传播时间测量时，TDC-GP2结果寄存器中的数值是由16位整数与16位小数组成并且以2的补码形式存储的32位固定浮点数。根据温差与瞬时流量，通过热量以及流量算法将其转换成热量，这就是计算热量的整个过程。5.3 中断程序5.3.1 温度测量模块温度测量流程图如图5-3所示。高精度测量芯片TDC-GP2中内嵌高精度低功耗温度测量单元。温度测量单元接收到微控制器发送的“Start_Temp”信号就会启动，进行温度测量。在测量结束后，置位中断标志位会向芯片发送中断信号，结果寄存器会存储下测量的结果。CPU要通过比较判断测量结果是否有效，当温度传感器断路、短路或者是TDC溢出引起中断时，测量结果无效；并非以上三种情况时，可视为温度测量有效，读出寄存器中的数值，然后根据通过查表来计算液体温度，并把测量结果存储起来。图5-3 温差测量流程图5.3.2 流量检测模块超声波传播时间测量流程如图5-4所示。把超声波采集信号的时间间隔设定为5s，可通过一个寄存器 Count1_T和基本定时器（Basic Timer1）来实现时间间隔的设置。在本设计方案的中所设定的溢出时间是1s，然而要实现5s的定时时间，定时器中断的次数需要被统计下来，可由一个寄存器完成。寄存器初始值赋值5，当定时器到达之前设置的1s后，就会产生定时器中断，进入中断程序，接着要判断Count1_T是否为0。如果是0，就表明定时5s的时间到，将Count1_T清零并转换到超声波传播时间测量程序；如果不是0，把Count1_T值减1并且返回睡眠状态下，等待下一次定时器中断的到来。基本定时器中断唤醒I/O和USART中断关显示NUMT=35?CONT2=0?LMP3NUMT-1 NUMTCONT-2 CONTYLAMP0NTACCR2捕捉A2开发射脉冲N返回进入温度测量NUM=5?A0-A2 T1TACCR0捕捉A0上电发射电路顺逆流转换开关切换发连续脉冲发启动脉冲YNY 图5-4超声波传播时间测量流程图进入超声波传播时间测量中断程序时，必须首先把单片机从睡眠状态下唤醒，因为基本定时器中断的优先级别最低的原因，任何一个内部中断或者外部引起的中断都会在此中断过程之前回应。5.4 按键和显示模块热量表的数据显示和液晶显示屏的开启都可以通过键盘键盘操作来完成。热量表输入的参数不会过于复杂，因此只需要使用一个按键来作为输入接口。按键中断清中断标志位有按键按30 CONT2第三次按键第四次按键第五次按键第二次按键第一次按键 N N N NY读FLASH读FLASH读FLASH读FLASH Y Y Y Y读FLASH显示瞬时流量显示瞬时流量显示瞬时流量显示瞬时流量显示瞬时流量CONT1+1CONT1+1CONT1+1CONT1+1CONT1+1结束结束结束结束结束图5-5 按键处理模块程序流程过程如图5-5所示。热量表中，共有瞬时/累积流量/热量、入/出口温度和时间7个物理量，按键显示过程为从瞬时流量开始，按下一次就会显示一个物理量，7次为一个循环，显示7次之后再从第一个开始。所以需要一个寄存器CONTI来累计按键次数，CNOTI初始值为0。当有键按下时，寄存器CONTI判断是第几次按下，将相应位置的数值送往显示。考虑到功耗因素，液晶显示屏不会一直处于显示状态，本设计设置为如果60s无按键操作则显示自动关闭。60s的定时也可以由基本定时器BT实现，因为基本定时器每2s中断一次，因此没有键按下时，定时器BT累积中断30次便可以关闭液晶显示。当有按键按下时，首先将30这一数值储存到寄存器CNOTI，每次中断之后，不仅要判断超声测量定时寄存器UNMT的值，还要检测CNOTZ中的值是否是0，如果是0就关闭液晶显示，若不是0把CON2减1。参考文献参考文献1 张宏建，自动检测技术与装置，化学工业出版社，2010，170-1712 田良，综合电子设计与实践，东南大学出版社，2002，5-93 潘永湘，程控与自动化仪表，机械工业出版社，2007，26-274 王祁，智能仪表设计基础，机械工业出版社，2009，17-185 魏立峰、王宝兴，单片机原理及应用技术，北京大学出版社，2006，44-516 范立南，谢子殿，单片机原理及应用教程，北京大学出版社，2006，76-827 楼然苗，李光飞，51系列单片机设计实例(第2版)，2006，23-268 胡汉才，单片机原理及接口技术M，清华大学出版社，1996，103-1129 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编，北京理工大学出版社，2004，28-2410 黄智伟，全国大学生电子设计竞赛制作实训，科学出版社，2007，27-3411 房小翠，王金凤，看门狗电路手册M，国防工业出版社，1999，55-5612 李华，MCS-51系列单片机实用接口技术M，北京航空航天大学出版社，79-8413 刘大茂，智能仪器(单片机应用系统设计)M，机械工业出版社，1997，186-18914 姜志海，刘连鑫.单片机微型计算机原理及应用，北京：机械工业出版社，200715 史健芳，智能仪表设计基础，北京：电子工业出版社，2007 16 李群芳，单片微型计算机与接口技术，北京：电子工业出版社，200517 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