超声波热能表系统设计

1、 毕业设计（论文）题 目 学 院： 专业班级： 指导教师： 职称 学生姓名： 学 号： 西安工程大学本科毕业设计（论文）摘 要随着我国供热体制的改革，集中供热系统的合理性越来越多的受到人们的重视，大力推广分户计量是解决未来我国集中供热问题的有效途径。分户计量的关键在于热能表。超声波热能表相比传统的机械式热能表克服了易损坏、精度低等缺点，因此超声波热能表将是今后热能表发展的趋势。本文将超声波热能表作为研究内容，基于低功耗MSP430单片机，将超声流量测量与温度测量相结合，采用速差法计算流量，焓差法计算热量设计制作出超声波热能表。本文主要利用温度传感器DS18B20采集温度，用TDC-GP2流量测

2、量芯片采集流量，将低功耗MSP430单片机作为主控芯片，用液晶显示屏LCD1602实时显示瞬时流量和累计热量，并采用GPRS无线通讯手段将数据发送给上位机，实现了热能表的智能化。经过软硬件联机调试本设计系统基本达到了预期要求，具有了一定的应用前景。关键词：超声波，热能表，速差法，TDCGP2，M SP430 II西安工程大学本科毕业设计（论文）ABSTRACTAs the reform of heating system in our country, the rationality of the central heating system has been paid more and mo

3、re attention of the people. Vigorously promote household metering is an effective way to solve the problem of the central heating in China. The key to household metering is ultrasonic cheat energy table. Ultrasonic cheat energy table shows the advantages of no moving parts, high precision, small pre

4、ssure drop, hard to damage and easy mountingTherefore it becomes the developmental tendency in designing heat metersThis paper based on low-power MSP430 single chip microcomputer, combining ultrasonic flow measurement and temperature measurement, a domestic used small caliber ultrasonic cheat energy

5、 table is perfectly designed, Using speed difference method to calculate flow rate and enthalpy difference method to calculate heat can design the ultrasonic cheat energy table. The purpose of this research is to use the DS18B20 and TDCGP2, The MSP430 Single chip microcomputer as the master control

6、chip, with a 1602 display instantaneous flow and cumulative temperature. Using GPRS wireless communications to send data to the upper machine realized the intellectualized heat energy table.Through on-line debugging the hardware and software design of system has reached the expected requirements and

7、 has a certain application prospect.KEYWORDS: ultrasonic, heat energy table, the enthalpy potential method, TDC-GP2, MSP430IV西安工程大学本科毕业设计（论文）目 录第1章 绪 论11.1课题研究的背景和意义11.2热能表的国内外研究现状11.3本论文的研究方向及研究进度安排21.3.1本论文的研究方向21.3.2本论文的研究进度安排2第2章 超声波热能表总体设计方案32.1超声波热能表原理32.1.1流量测量原理32.1.2温度测量原理52.1.3热能测量原理72.2系统

8、设计的总体方案82.2.1硬件总体设计82.2.2软件总体设计8第3章 超声波热能表的硬件设计103.1硬件电路的总体设计103.1.1 MSP430单片机简介103.1.2总体电路设计113.2 单片机最小系统的设计133.2.1 电源电路设计133.2.2 复位电路设计143.2.3 晶振电路设计143.3 流量采集硬件电路设计.143.3.1 TDC-GP2时间数字转换器简介143.3.2流量采集硬件电路设计163.4 温度采集硬件电路设计183.4.1 温度采集传感器DS18B20简介183.4.2 基于DS18B20的温度采集电路设计193.5 显示电路设计193.5.1 1602液

9、晶显示屏简介193.5.2 基于1602的液晶显示电路213.6 通讯电路设计223.6.1上位机简介223.6.2 GPRS无线通讯模块简介223.6.3 基于GPRS无线模块的通讯电路设计23第4章 超声波热能表的软件设计244.1 软件开发平台IAR使用简介244.2 主程序设计254.3 子程序设计274.3.1 流量采集子程序274.3.2 温度采集子程序284.3.3 数据处理计算子程序294.3.4 GPRS通讯子程序294.3.5 显示子程序29第5章 软硬件联机调试315.1 软硬件准备中遇到的问题315.2 软硬件联机调试步骤315.3调试结果与分析32第6章 方案设计中的

10、误差分析及相关参数的测定336.1误差分析336.1.1几何误差336.1.2声时测量误差336.1.3密度及热焓误差336.2 系统设计中相关参数的测定34第7章 结论与展望357.1 结论357.2 展望35参考文献37附录1 硬件原理总图39附录2 软件程序清单41致 谢57诚信声明III西安工程大学本科毕业设计（论文）IV西安工程大学本科毕业设计（论文）第1章 绪 论本章主要介绍了超声波热能表研究的背景和意义以及国内外研究现状，提出了本课题的设计要求，确定了研究方向和研究的主要方法。1.1课题研究的背景和意义随着供热改革的推进，我国集中供热系统已经初具规模，但能源的利用率低，在现有的供

11、热体制下，取暖费交给供热单位后，这一冬季的取暖全在供热单位的控制下，无法建立有效的监督机制。现有的大锅式取暖方式必须改革，让供暖走向市场，把热量回归为商品，让人们对热量的需求如同对普通商品一样，多花钱多买，少花钱少买，建立公平的供求关系。只有按实际供热量收费，才能调动用热和供热的双方积极性，节能工作才能真正落实1。现在全国正大力推进分户计量,分户计量的关键在于热能表。尽管供热计量技术正在快速发展，市面上的热能表在精度和使用寿命方面都有了很大的提高，但在热能表的智能化开发方面还有待突破。和传统的机械式热能表等相比，超声波热能表的优点是其能够非接触测量、结构简单、测量精度高、使用方便。伴随着人们生

12、活质量的提高，供热需求也不断扩大，因此，对超声波热能表的需求量也不断增大，超声波热能表将能成为一项民族工业发展的热点，为我国的供热改革、分户计量提供一种可持续发展方案。1.2热能表的国内外研究现状热能表经历了从机械式、电子式到以微处理器为核心的智能式的发展。随着科技的发展，智能化热能表越来越多的占据了供暖消费市场。而超声波热能表因其突出的优点迅速得到了发展，目前，欧洲的地热力公司使用的热能表已有50%以上使用超声波式，无论是使用周期成本，还是可靠性和安全性，超声波热能表都优于机械式和电子式热能表，另外较低的压力损耗也有利于解决今后大规模使用热能表而产生的水力不平衡问题2。国外已生产出户用型热能

13、表，用电池供电，寿命可达五、六年。今天欧洲已经有非常成熟的热计量技术和较为完善的供热计量收费体系，供热计量设备的质量也足以代表世界先进水平。国内民用热能表的发展还处于初级阶段，但是处于经济转轨体制中的中国潜力巨大，热能表的制造技术也在快速跟进中。随着分户计量的不断推广，超声波热能表的研究也将不断革新。超声波热能表也将因其显著的优点更大地占据国内的市场份额。1.3本论文的研究方向及研究进度安排1.3.1本论文的研究方向由于超声波热能表在未来我国的热量计量方面占据着举足轻重的地位，而低功耗智能化是超声波热能表的发展方向，故本次设计要求以低功耗单片机(MSP430)为主控芯片，采用温度传感器DS18

14、B20进行温度采集，采用高精度计时芯片TDC-GP2对超声波收发脉冲时间间隔进行精确测量。以GPRS为远程通讯手段，发送数据给上位机，以实现实时监测与控制。 1.3.2本论文的研究进度安排1. 查阅相关资料，熟悉相关原理和理论； 2. 查阅相关资料，论证并确定硬件、软件设计方案，提交开题报告；3. 完成硬件电路原理图设计及PCB板绘制；4. 编写系统软件程序；5. 系统软硬件联调，总结； 6. 完成毕业论文，准备毕业答辩。第2章 超声波热能表总体设计方案本章主要对超声波热能表的原理进行了详细介绍，包括流量测量原理，温度测量原理和热量计算原理。最后给出总体的硬件设计方案和软件设计方案。2.1超声

15、波热能表原理2.1.1流量测量原理当超声波在流动的液体中传播时，相对于固定的管道管壁而言，超声波的传播速度与在静止液体中的传播速度是不同的，其变化值与液体流速有关。通过测量流动液体中超声波传播速度的变化，可以测定液体的流速流量，这就是通常超声波测流量的原理3 。主要的流量测量方法有速差法、多普勒法、噪声法、相关法、波束偏移法等。本文采用速差法进行超声波流量测量，超声波流量测量时，测量超声波传播路径上的液体流动线平均流速，并通过与修正系数K相乘转换为管道截面上的面平均流速，从而可以用截面积和面平均流速的乘积计算瞬时流量。声道长度与管道直径的测量是超声波流量测量的两个关键的因素。基本原理如图2-1

16、所示。 图2-1 超声波流量测量原理图假设超声波在两换能器之间传播的声程为L，管道直径为D，超声传播方向与轴向之间的夹角为，管道内液体静止时的声速为C0，一般取1450m/s，则当管道截面内的液体流速均匀分布并且线平均流速为U时，超声波的顺向传播的声速可以表示为：C1=LT1=C0+Ucos (2-1)逆向传播的声速表示为：C2=LT2=C0-Ucos (2-2)则顺向和逆向的声速差为：C=C1-C2=2Ucos (2-3)因此由上式得到：U=2cos=L2cos(1T1-1T2) (2-4)设面平均流速为u,修正系数为K时，则:u=L2cos(1T1-1T2)K (2-5)上式即为速差法测超

17、声波液体瞬时流速的基本公式，式中，T1为超声波沿顺向传播时的声时。T2为超声波沿逆向传播时的声时。则管道内液体的瞬时流量g为：g=4L2cos(1T1-1T2) K (2-6)超声换能器是超声波热能表的重要组成部分，是进行能量形式转换的器件。超声换能器具有发射声波和接收声波的功能。超声换能器的主要换能部件是压电晶片，根据用途的不同，可以分为圆弧形、平板形、壳形、棒形和管型等。本文选择棒形换能器，结构简单大方，可靠性高。对于超声波热能表，换能器的安装有多种方式，如下图2-2所示，共有五种： 图2-2 换能器的安装方式（共五种）4一般来说，换能器的通道数越多，结构布置越合理，流场对流量测量的影响也

18、越小。本文采用了图2-2中(2)所示斜倾方式，简单、几何布局合理性强。虽然换能器的发射频率越高，测量精度也越高，但由于频率越高时声信号的衰减也越大，因此，从折中考虑，换能器中采用了频率为l 5MHZ的发射、接收型晶片，晶片直径为10mm。2.1.2温度测量原理本设计利用温度传感器DS18B20对进出口处液体的温度进行采集，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输， DS18B20可使温度信号直接转换成串行数字信号供微处理器处理，而且每一个自带地址，大大减少了系统的电缆数，提高了系统的稳定性和抗干扰性。如图2-3为超声波热能表基本原理图，两个温度传感器DS18B20进行温度采集。图2-3 温度采

19、集原理图DS18B20测温原理： 图2-4 DS18B20温度采集原理图如图2-4所示，低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器 1 ，为计数器提供一个频率稳定的计数脉冲。高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，是很敏感的振荡器，所产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入，为计数器 2 提供一个频率随温度变化的计数脉冲。图中还隐含着计数门，当计数门打开时， DS18B20 就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将 -55 所对应的基数分别置入减法计数器 1 和温度寄存

20、器中，减法计数器 1 和温度寄存器被预置在 -55 所对应的一个基数值。减法计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器 1 的预置值减到0 时温度寄存器的值将加 1 ，减法计数器 1 的预置将重新被装入，减法计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器 2 计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度5。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。2.1.3热能测量原理采用超声波检测技术，测出液体的流速

21、及流量，再根据测得的进出口处液体温度，经过密度和热焓值的补偿及积分计算得到热量值。在如图2-2中，超声波换能器1、超声波换能器2用于间接流量测量，两个温度传感器DS18B20用于载热液体进出口温度的测量。测得管道内的液体流量g后，由热水密度计算出质量流量，再根据测得的热交换回路中的入口温度、出口温度即可计算得到释放的热量值Q。比焓值代表单位质量液体所含有的热量，现采用焓差法进行热量的计算,根据工程热力学原理，当流体流经采暖系统后，所释放的热量Q为：（2-7）式中：释放的热量,KJ流经热能表中的载热液体的质量流量，kgs热交换回路中入口温度对应的载热液体的比焓值，KJKg热交换回路中出口温度对应

22、的载热液体的比焓值，KJKg欧洲现在流行使用K系数法计算热量6，设采集到的液体入口处温度为PT1，液体出口处温度为PT2,液体温差为,采集到瞬时流量为g,则利用K系数法(K值可查表)求得累计热量为： (2-8)由于K系数法算法简单，容易用单片机编程实现，K系数由表可以方便地查出，故本次设计采用其对热量进行计算。2.2系统设计的总体方案本次设计以单片机为主控芯片，利用温度传感器采集温度，利用高精度计时芯片间接采集流量。以GPRS为远程通讯手段，发送瞬时流量、累计热量值给上位机，以实现实时监测与控制。并用液晶显示屏实时显示。利用C语言进行分块编程，以实现相应的功能。2.2.1硬件总体设计硬件设计主

23、要包括流量采集模块、温度采集模块、通讯模块、显示模块和单片机（MSP430）主控模块。换能器发射或接受超声波，利用高精度计时芯片（TDC-GP2）对时间间隔准确测量，通过计算得到液体流量。温度传感器（DS18B20）测量进出口液体温度。通讯模块采用RS232接口，利用GPRS无线通讯手段，将瞬时流量、累计热量值发送给上位机，上位机界面数据不断更新显示。显示部分采用1602液晶显示屏实时数据显示。主控模块采用TDC-GP2时间数字转换器和单片机(MSP430)进行数据采集计算处理及控制。硬件系统框图如图2-5所示。图2-5 硬件设计总体图2.2.2软件总体设计软件设计包括：控制主程序、流量采集子

24、程序、温度采集子程序、数据处理计算子程序、GPRS通讯子程序、显示子程序。软件部分利用C语言分模块进行编程调试，每个子模块完成一个独立的功能，通过主程序对各子程序进行调用，这样编写的程序易于修改，层次清晰。图2-6为软件总体设计结构图。图2-6软件总体设计结构图第3章 超声波热能表的硬件设计本章首先对超声波热能表硬件设计进行总体分析，再分模块对课题所应用芯片器件特点作了介绍，给出了设计的思路，并附带相应硬件设计电路原理图。3.1硬件电路的总体设计3.1.1 MSP430单片机简介本次设计采用低功耗、片内资源丰富、运算速度快、处理能力强的16位的MSP430F149单片机作为主控芯片，MSP43

25、0F149系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗MSP430单片机、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先，MSP430 系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V 电压。因而可使其在1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流最低在165A左右，RAM 保持模式下的最低功耗只有0.1A。 其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环（FLL 和FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可

26、以只使用一个晶体振荡器（32768Hz），也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。 由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模（LPM0LPM4）。在实时时钟模式下，可达2.5A ，在RAM 保持模式下，最低可达0.1A 。MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer

27、_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位定时器（Timer_A 和 Timer_B）、DMA、I/O端口、基本定时器（Basic Timer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出 A/D 转换器；16 位定时器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、 PWM 等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，P

28、0、P1、P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位 D/A 转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便7。 另外，MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5s。 3.1.2总体电路设计超声波热能表的设计，温度采集利用一线总线方式的DS1

29、8B20，流量采集利用TDC-GP2间接采集，能量转换器件超声波换能器收发超声波信号，收发信号经过模拟电路的阈值检测处理到达高精度计时芯片TDC-GP2，以保证其准确稳定地测得时间间隔，将数据传给微处理器。低功耗的MSP430F149单片机作为微处理器，对超声波收发进行有效控制，并将采集的时间和温度信号进行计算处理得到瞬时流量和累计热量。然后将其通过LCD液晶屏显示，并采用GPRS无线通讯手段，将数据发送给上位机，接受反馈并执行相关操作。图3-1为MSP430F149单片机引脚图。硬件原理总图见附录1。图3-1 MSP430单片机引脚图MSP430F149的引脚分配为：53、52脚分别接晶振的

30、XT2IN和XT2OUT脚，58、60、61、脚分别接TDC-GP2的RST、SO和SI脚，62、63脚都接地，64、1都接电源，2、3脚分别接TDC-GP2的SCK和SSN脚，40、41、42脚分别接TDC-GP2的EN-Stop1、N-Start、INTN脚，37、38、39脚分别接LCD显示屏的RS、RW、E脚，32、33脚分别接MAX3232CSE的T2IN、R2OUT脚，20-27脚分别接LCD显示屏的DB0-DB7脚，4脚接反相器U1，5脚接反相器U2，18、19脚分别接两个DS18B20的DQ1和DQ2脚，54-58脚为JTAG调试口。图3-2为总体设计结构图： 图3-2 超声波

31、热能表总体设计结构图3.2 单片机最小系统的设计 为了使单片机能够正常工作并完成控制计算功能，设计出了电源电路、晶振电路和复位电路。3.2.1 电源电路设计考虑到硬件系统要求电源具有稳压功能和纹波小并且低功耗的特点，因此该系统电源先用BAT754C稳压芯片稳压为5V电压，再将5V电源经过低压差稳压调节器后输出3.3V的稳定电压，图3-3为系统电源电路设计图。图3-3 系统电源电路设计3.2.2 复位电路设计为了使系统上电后能够很好地复位，使其处于稳定的工作状态，该系统采用RC复位电路，低电平时使系统复位。图3-4为复位电路设计。图3-4 复位电路设计3.2.3 晶振电路设计为了给单片机提供稳定

32、的晶振时钟频率，设计了如图3-5 的晶振电路。图3-5 晶振电路设计3.3 流量采集硬件电路设计3.3.1 TDC-GP2时间数字转换器简介本设计采用TDC-GP2时间数字转换器间接采集流经管道的液体流量，TDC即时间数字转换器。TDC-GP2是德国ACAM公司TDC系列的新一代产品。它具有超高的精度和小尺寸的封装，尤其适合于低成本的工业应用领域。TDCGP2具有高精度时间测量，高速脉冲发生器，停止信号使能，温度测量和时钟控制等功能，这些特殊功能模块使得它尤其适合于超声波流量测量和热量测量方面的应用。这款芯片利用现代化的纯数字化CMOS技术，将时间间隔的测量量化到65ps的精度9。图3-6 为

33、TDCGP2芯片内部原理图。图3-6 TDC-GP2内部原理图TDC-GP2利用信号通过逻辑门的绝对时间延迟来精确量化时间间隔，如图3-7所示：图3-7 TDC-GP2量化时间间隔原理图TDC-GP2计算了在一定的时间间隔内有多少个反向器被通过，或者在被测时间间隔内信号通过了多少个反向器。TDC具有非常智慧的电路设计，芯片上的特殊的布线方法使精确而相等的逻辑门时间延迟成为了现实。测量结果的精度非常严格地依赖于芯片内部的基础逻辑门的延迟时间。测量精度从40ps到100ps可以通过简单的测量内核以及现代化的CMOS技术达到。TDC -GP2的一个非常大的优势就是超低的电流消耗。因为TDC- GP2

34、将测量以脉冲的形式来进行，尤其是在超声波测量中。TDC的核心测量单元并不是时时刻刻都在工作的，它只测量start信号上升沿到下一个参考时钟上升沿和stop信号上升沿到下一个参考时钟上升沿，而中间的时间则由记录基准时钟的周期数来完成，这样的测量原理使测量时间的功耗降到非常低的水平。在超声波热能表的设计中，由于应用TDC-GP2进行设计，大大的降低了系统的功耗，可以使用小号的锂电池来代替通常使用的大号D型电池。TDC- GP2内部集成了一个可以发送驱动超声波换能器的脉冲发生器。通过寄存器的设置可以对脉冲发生器发出脉冲的频率及相位进行设置。最多可以产生15个脉冲。脉冲发生器有两个输出口，Fire1和

35、Fire2，这两个输出口分别具有48mA的驱动能力，如果并行使用可以将驱动能力增加到96mA。对于小口径管道的流量测量来说，无需前端放大电路，可以直接用Fire输出脉冲驱动超声波换能器。时钟频率先通过一个分频器，然后输入内部脉冲发生器触发单元。在内部脉冲发生器单元中对分频后的时钟信号先进行倍频，然后调整相位，再对信号进行分频，最终将信号输出到芯片的Fire1和Fire2管脚10。通过这个脉冲产生单元可直接产生驱动换能器的频率信号。产生脉冲原理如图3-8所示：图3-8 脉冲产生原理3.3.2流量采集硬件电路设计高精度计时芯片TDC-GP2测量精度高，可以达到65ps，其功耗很低，正常工作消耗电流

36、很少，并且其内部集成了脉冲发生器，在单片机引脚激励下，将发出一定的脉冲信号驱动超声波换能器，换能器发射或接受超声波，并利用时间数字转换器对脉冲间隔准确测量，通过微处理器计算得到液体流量。本设计采用比较器U2作为阈值检测器，判断接收脉冲并驱动Stop1脚，采用由单片机控制的反相器来控制接收信号通断，有效的为测量时间间隔服务。图3-9为流量采集硬件原理图。图3-9 流量采集原理图时间间隔采集信号流图如图3-10所示：该时间间隔采集电路的原理是：首先进行顺流时间的测量，MSP430F149控制器通过发送指令代码激活TDC-GP2中的触发脉冲发生器。从Fire1脚输出高速脉冲，同时将U1置高，打开低电

37、压场效应开关。此时Fire1信号通过整流二极管后到达TDC-GP2的Start通道，Fire1高速脉冲驱动换能器1发出超声波经过45度角到达换能器2，换能器2产生一个信号经过阈值检测器11U2后，进入TDC-GP2的Stop脚作为停止信号。把测得的完整顺流时间放到寄存器中，待到测定逆流时间后，计算出时间差，从而可以通过微处理器计算出流量。 图3-10时间间隔采集信号流图3.4 温度采集硬件电路设计3.4.1 温度采集传感器DS18B20简介本设计采用具有一线总线特点的数字温度传感器DS18B20进行温度采集，DS18B20数字温度计提供最高12位(二进制)的分辨率，温度信息经过单线接口送入DS

38、l8B20或从DSl8B20送出，因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线，DSBl820的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。由于每一个DSl8B20在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DSl8B20可在同一条单线总线上挂载多个温度传感器器件。DSl8B20的测量范围从-55到+125，增量值为0.5，可在750ms(12位分辨率时的最大转换时间)内把温度变换成数字值。DSl8B20的引脚如图3-11所示：图3-11 DS18B20引脚图8DS18B20是一块基于单总线的数字温度传感器。可以采用2 种方式供电，一种是采用电源供电的三线制方式，DS18B20 的1 脚接地，2脚作

39、为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图3-12所示，单片机端口接单线总线，用一个MOSFET管完成对总线的上拉，以保证在有效时钟期内给DS18B20提供足够的电流。图3-12 寄生电源连接方式3.4.2 基于DS18B20的温度采集电路设计由于 DS18B20具有一线总线的特点，节省了电缆资源，提高了系统的稳定性和抗干扰性。故本次设计采用两只DS18B20进行温度采集，由于要求测温速度要快，选择了三线制的供电方式，在连接单片机引脚的一条总线上挂载两只DS18B20。图3-13为其中一只DS18B20的温度采集电路。 图3-13 DS18B20温度采集电路3.5 显示电路设计3.5

40、.1 1602液晶显示屏简介本次设计采用1602液晶显示屏作为显示器件，它的结构是由字符型液晶显示屏（LCD）、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容原件和结构件等配装在PCB板上而组成。不同厂家生产的LCD芯片可能有所不同，但使用方法都是一样的。图314为LCD1602液晶器的实物照片，它是一种字符型液晶显示器。目前国际上已经对字符型液晶显示器显示模块进行了规范，使得无论显示屏规格怎样变化，其电特性和接口都是统一的。图314 LCD1602型液晶显示实物该显示器的主要参数是：1.它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个

41、字符，字符间距和行距都为一个点的宽度。2.控制主电路为HD44780(HITACHI公司)及与其他公司全兼容的电路。3.具有字符发生器ROM，可显示192种字符（160个5*7点阵字符和32个5*10点阵字符）。4. 具有64字节的自定义字符RAM，可自定义8个5*8点阵字符或4个5*11点阵字符。5.具有80字节的RAM。6.标准的接口特性。7.模块结构紧凑、轻巧、配置容易。8.单+5V电源供电。9.低功耗，长寿命，高可靠性。LCD1602的引脚按功能可划分为三类：数据类、电源类和编程控制类。表3-1为LCD1602引脚功能表。表3-1 LCD1602引脚功能表引脚号符号状态功能1VSS电源

42、地2VDD+5V3VO液晶驱动电源4RS输入寄存器选择5R/W输入读写操作选择6E输入使能信号7-14DB0-DB7三态数据总线（LSB）15LEDA输入背光（+5V）16LEDK输入背光地LCD1602与单片机的连接有两种方式，一种是直接控制方式，另一种是间接控制方式。1.直接控制方式LCD1602的8根数据线和3根控制线E，RS和R/W与单片机相连后正常工作。一般应用中只需往LCD1602中写入命令和数据，因此，可将LCD1602的R/W读/写选择控制端之间接地，这样可节省1根数据线。VO引脚是液晶对比度调试端，接一个10K的电位器即可实现对比对的调整，也可采用将一个适当大小的电阻从该引脚

43、接地的方法进行调整，不过电阻的大小应该通过调试决定。2.间接控制方式间接控制方式也称为四线控制方式，是利用控制驱动电路HD44780所有的4位数据总线的功能，将电路接口简化的一种方式。为了减少接线数量，只采用引脚DB4DB7与单片机进行通讯，先传数据或命令的高4位，再传低4位。采用4线并口通信，可以减少对微控器I/O的需求，当实际产品过程中单片机的I/O资源紧张时，可以考虑使用此方法。3.5.2 基于1602的液晶显示电路LCD1602液晶显示器是目前广泛实用的一种字符型液晶显示模块，具有字符发生器ROM，可显示192种字符，模块结构紧凑、轻巧、配置容易。低功耗，长寿命，高可靠性。故本系统采用

44、1602点阵液晶作为系统的人机接口会话界面，用来显示系统瞬时流量和一定时间的累计热量，第一段显示瞬时流量，第二段显示累计热量。采用液晶作为显示接口具有很强的灵活性。由于液晶模块自带中文库，编写单片机程序也比较容易。显示电路设计如图3-15所示：图3-15 1602液晶显示电路3.6 通讯电路设计3.6.1上位机简介上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示各种信号变化（流量、热量、温度等）。下位机是控制设备获取设备状况的计算机，一般是PLC/单片机之类的。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机定时读取设备状态数据，转换成数

45、字信号反馈给上位机。上下位机都需要编程，都有专门的开发系统。3.6.2 GPRS无线通讯模块简介本次设计拟采用GPRS无线通讯模块作为热能表与上位机的传输工具，GPRS为通用分组无线服务技术的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56Kbp甚至114Kbps。GPRS模块，是具有GPRS数据传输功能的GSM模块。GPRS模块就是一个精简版的手机，集成GSM通信的主要功能于一块电路板上，具有

46、发送短消息、通话、数据传输等功能。GPRS模块相当于手机的核心部分，如果增加键盘和屏幕就是一个完整的手机。普通电脑或者单片机可以通过RS232串口与GPRS模块相连，通过AT指令控制GPRS模块实现各种基于GSM的通信功能11。GPRS模块区别于传统的纯短信模块，两者都是GSM模块，但是短信模块只能收发短信和语音通讯，而GPRS模块还具有GPRS数据传输功能。以西门子模块为例，早期的两个型号TC35i和MC39i，就是分别为短信模块和GPRS模块。目前，市面上的GSM模块普遍都具有GPRS数据传输功能，而且大部分都内置了TCP/IP通信协议，例如华为EM310、BenQ M23，西门子也有MC

47、55/MC52产品实现了内置协议栈。目前，GPRS模块广泛应用于电力、车载、监控、移动终端等领域，将传统的有线数据传输方式改变成为无线数据传输方式。3.6.3 基于GPRS无线模块的通讯电路设计GPRS无线模块传播速率高，使用方便快捷且费用低廉。故本次设计以GPRS无线模块作为热能表与上位机的传输工具。采用RS232串口与单片机主控模块相连，通过GPRS模块发送数据到最近的基站，基站再发送数据到服务器，服务器通过以太网将数据传送到上位机的服务器，最终到达上位机。将MSP430处理计算的瞬时流量和累计热量值发送给上位机。上位机界面数据不断更新显示。RS232串口与MSP430单片机硬件接线图3-

48、16(a)和（b）所示。 图3-16（a） RS232串口连线图图 图3-16 (b) 电平转换电路第4章 超声波热能表的软件设计本章首先介绍了软件开发环境IAR,接着给出了设计的控制主程序，然后对中断子程序中的各模块设计进行分块详细说明。4.1 软件开发平台IAR使用简介IAR System是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商。公司成立于1983年，迄今已有27年，提供的产品和服务涉及到嵌入式系统的设计、开发和测试的每一个阶段，包括：带有C/C+编译器和调试器的集成开发环境(IDE)、实时操作系统和中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具。国内普及的MSP430开发软件种内不多

49、，主要有IAR公司的Embedded Workbench for MSP430（简称为EW430）和AQ430目前IAR的用户居多12。IAR EW430软件提供了工程管理，程序编辑，代码下载，调试等所有功能。并且软件界面和操作方法与IAR EW for ARM等开发软件一致。因此，学会了IAR EW430，就可以很顺利地过渡到另一种新处理器的开发工作。IAR使用的一般步骤：1.打开IAR FOR MSP430,新建一个workspace；2.新建工程；3.新建一个空白的程序编写区；4.将程序文件加入工程；5.程序选项卡设置；6编译和运行。IAR EW430软件界面如图4-1所示:图4-1 I

50、AR EW430软件界面图4.2 主程序设计主程序等待定时器Timer_A中断发生，然后对流量采集、温度采集、数据计算处理、通讯显示等子程序进行调用并完成相应显示数据的刷新。主程序首先关中断看门狗，停止看门狗模块功能，定义时钟频率，对功能寄存器进行初始化，分配存储空间。然后开启中断看门狗，进入低功耗节电模式3，等待定时器中断。当中断子程序被唤醒后，程序进入中断子程序，执行相应操作，完成一次调用，如此往复，并将最终数据通过LCD液晶显示屏和上位机不断刷新显示，主程序流程图如图4-2所示图4-2 主程序流程图整个程序由主程序和中断子程序组成，中断子程序包括流量采集子程序、温度采集子程序、数据处理计

51、算子程序。中断服务程序流程图如图4-3所示，图4-3 中断服务程序图4.3 子程序设计4.3.1 流量采集子程序主要利用高精度计时芯片TDC-GP2配合超声波换能器进行时间间隔采集，从而间接采集到流过管道的瞬时流量，首先对TDC-GP2的SPI进行设置和读数据和写数据的程序编写，然后对TDC-GP2寄存器进行初始化设置，定义寄存器变量RFG_0，REG_1，REG_2，,对TDC-GP2时间校准后，启动流速采集，利用定时器Timer_A每隔2S进行一次流量测量，测量的值存到寄存器中，当一次测量完毕后，通过INIT送给单片机一个中断信号，开始读寄存器值，经计算得到瞬时流量。图4-4为设计的流量采

52、集子程序流程图4-4 流量采集程序流程图4.3.2 温度采集子程序温度采集由两个数字温度传感器DS18B20组成，两只传感器数据线引脚接MSP430单片机的P1.5和P1.6脚，先通过数据线引脚发送寄存器地址到DS18B20，再发送温度转换命令，随后读寄存器中温度值，再写温度值到另一变量。图4-5为温度采集子程序流程图。DS18B20用12位存储温度，最高位为符号位，S=0代表正温度，S=1代表负温度。表4-1为温度寄存器格式。表4-1温度寄存器格式Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0LSByte 232221202-12-22-32-4Bit15Bit14Bit1

53、3Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8MSByte SSSSSS6S5S44.3.3 数据处理计算子程序测得瞬时流量和进出水口温度后，利用欧洲流行的K系数法计算累计热量，图4-6为热量计算程序流程图： 图4-5 温度采集程序流程图图 图4-6 热量计算程序流程图4.3.4 GPRS通讯子程序超声波热能表是通过串口RS232与GPRS模块相连，来传递数据给上位机，上位机数据不断刷新显示。在MSP430单片机内，用定时器T0作为波特率发生器，利用脉冲来收发信号。图4-7为通讯子程序流程图4.3.5 显示子程序利用LCD1602进行瞬时流量和累计热量的显示，对其进行初始化后开始读数据，经过

54、数据处理，进行有效显示。瞬时流量的显示格式是：XXXXXX.XX m3，累计热量的显示格式是：XXXXXXXX KW.h。图4-8为显示子程序流程图 图4-7 GPRS通讯子程序流程图图 图4-8 显示子程序流程图第5章 软硬件联机调试本章主要分析了设计制作超声波热能表软硬件过程中遇到的问题，给出软硬件联机调试步骤，并对调试结果作了分析。5.1 软硬件准备中遇到的问题对软件程序进行分模块编译调试，由于初始化不完整出现了语法编译错误，变量赋值不合理导致了运行错误，程序结构上下调用不合理导致了逻辑错误。电路板焊接时出现了连线无法正常导通、局部焊接短路，仿真器与电路板连接不良，GPRS无线通讯设备没

55、有连接完好等问题。经过修改和不断调试，软件和硬件系统已准备完毕，等待联调。5.2 软硬件联机调试步骤1.给MSP430单片机连接好并口的JTAG下载器，准备好设计制作的整体硬件电路设备和仿真器。2.打开IAR WE430软件，建立一个工程，选择控制芯片为MSP430F149，加载好已经编写的程序文件。3.选择为FET调试方式，选择并口输出。4.连接好整体硬件电路和仿真器，对工程进行编译后下载到目标板上。5.给管道通入一定瞬时流量的液体，开始仿真或直接运行程序。调试期间利用IAR软件中的中断、设置断点、观察数据等功能，观察超声波收发脉冲，液晶显示屏显示，上位机的显示等功能的实现情况。图5-1为软件编译调试图。图5-1 软件编译调试图5.3调试结果与分析给设计制作好的仪器管道中加一定瞬时流