参考：基于单片机热量高精度计量

PAGE结题报告供暖系统热量的高精度计量技术及其应用系统设计负责人:单位:I摘要我国地域广阔，人口众多,房屋建筑规模巨大，建筑物的保温隔热性能很差,供暖系统热效率低，单位住宅建筑面积采暖能耗为相同气候条件下发达国家的3倍。国外的热计量经验表明，安装热量计量仪表热量表，按照热量收费的制度是促使用户自觉节能的最有效手段。目前运行中的热量表存在着显示参数不够齐全，功耗过大、积分计算器抗干扰能力差，温度测试分辨率低、热量测量误差较大，热量表数据输出远传的接口方法混乱等一系列弊端.为提高热量测量精度在热量计算中采用了k系数补偿法，使热量计量精度得到了较大提高。为提高温度测量分辨率和精度，采用对分查表算法较好的补偿了温度传感器的非线性误差，提高了测量精度，改进了流量测量方法，采用磁敏传感器进行流量检测，输出信号幅值与磁场的变化速度无关，可实现“零速”传感；采用具有ＳOC特点的超低功耗ＭCU芯片MSP430，热量计算由时间控制,每1分钟唤醒一次,执行测温、读流量，相应的热量计算和数据存储任务,大大降低了系统功耗。在进行充分的测试算法论证和实验的基础上进行样机的研制，使热量计量的性能指标得到明显的改进和提高.关键词：焓差法、ｋ系数补偿、流量测量、热量计量、ＭSP4３０单片机 IIAＢＳTRAＣＴ0urｃounｔryissoｌaｒｇeaｎdtherｅarｅsomanｙpeoplｅ，housｅsbｕｉｌｔtoｌiｖｅarｅoｎalａrｇescａle．Tｈeｙｃannoｔkeepheａｔfｒomairsｏasｔheefｆiｃｉencyofｔhesyｓteｍofｓuppｌyｉｎgiｓloｗ。Heatconｓｕmｐｔioｎｏfpeｒｓqｕaremeｔｅｒｉsｔhrｅeｔimeｓasthatofdevelｏｐｅｄcountry.Exｐｅrｉenｃeoｆfoｒeiｇncｏuｎtryｉｎdicatｅstｈatｍoｓteｆｆｅｃｔivｅmｅanｓｔoｍovｅｕsersｔosａvｅhｅatenｅｒgyｉｓtoｉnstallcalorｉmetｅrsａndcollｅcｔmｏｎeｙａccｏrdinｇtｏtｈｅｈeatusedbyuｓers．Ｎｏwcａlorimetｅｒshaｖethｅｆｏllowingｓhoｒｔcoｍiｎｇs：ｐａrameｔerｓｄｉsｐlayｅdaｒelｅｓsｔｈａｎwｈatshouldｂeｄｉｓｐlayｅd；consuｍpｔionsofenerｇyexｃeedｗhａtareexpeｃｔｅｄ；cａｌoｒimｅteｒsareｕｎabｌetoavoiddistｕrｂaｎcｅ；resolutｉonoｆｔemperaturemｅaｓuｒｅmｅnｔislow；measurｅｍentrｅｓｕｌtsｏftemperａｔureanｄheataremuｃhｄiｆfｅrｅntｆroｍwhaｔｔｈｅyｓhoｕldbe；ｍeaｎsofｔｒaｎsｍｉssiｏnoｆｉnfoｒｍaｔｉoｎｏｆcaｌoｒｉmetｅｒiｓnotcｏincidenｔａndsoon．。Toimprｏｖepreｃisｉonofmeasuｒeｍenｔoｆｈｅatenｅrｇy,adoptamethｏｄｗhichisｎａｍedkcoefficientreｐaｒaｂlｅｍeｔhｏd，ｓothatprecisioｎofｍeasｕｒｅofheａtenｅｒgｙｉｓｉmproｖedgｒｅatlｙ。Toｉｍｐｒｏvｅｒesoluｔionanｄprecisionｏftempeｒatｕreｍeasuremenｔ,adｏptalooｋ-ｕｐtaｂleａlｇｏritｈmｗhiｃｈsearchｄataｓｆrｏｍｔhｅmiｄdlｅoftheaccorｄingdaｔatabｌｅ,soｔhatthenoｎ—lineaｒｅrrorｏftempeｒatｕreｓensｏriscompｅnsatedgreaｔlyａndraｉｓetｈemeａsｕreｍeｎｔprｅcｉsｉoｎoftｈesyｓtem。Intheｐaｐeｒ，selectmatｃhingｔｅmpeｒatｕrｅｓensｏrsｗhｉchcanmakｅtｈｅeｒrorofｍeasuremｅntoｆtempeｒａtuｒelessｔhan0。１cｅｎtigｒadeaｎdmeasｕｒｅmｅntciｒcuitsｗhiｃｈareｓupｐlｉedwithpowerwｈichcａnｓｕppｌｙiｎvａｒiａｂｌevolｔaｇｅandcurreｎｔ；Tｏimpｒｏｖemeasurｅmentmetｈodｏffｌｏw，uｓeasenｓorwhｉcｈarｅｓｅｎｓiｔiｖetｏmagnｅｔtoｍeasureｆlow,meａsurｅmentreｓｕltｓhａｖeｎｏthingtｏdｏｗitｈtｈemagnetｉcfｉeldｖａｒiaｔionspeｅｄ。;chｏosｅｃhiｐMＳP4３0ｗhｉchislowpowercｏｎｓumptｉｏnａftercomｐarｅｄwｉtｈｃｈｉｐP87LPC７6４，ｃompuｔａtiｏｎｏｆhｅatenergyiscontrｏlledbytime，whichisｄoｎeｏncepｅｒminute。Afteｒｆullverifiｃａtioｎoｆtestingalgoｒiｔｈmａｎｄａｌoｔoｆｅｘperｉｍｅnt,ｄevelｏpａｐrｏtｏtｙｐeｉnwｈicｈａlｌparamｅteｒsdisplａyedhavebeeｎiｍｐrovｅdoｂviouｓly。Kｅｙwords：enthaｌpysubtractiｏｎｍｅthod；ｋcｏｅfficiｅｎtｒepａraｂlemethｏd;flowmeasuｒe;heateｎｅｒｇｙcoｍpuｔe;ＭSP430sinｇｌｅ－ｃhip PAGEIV目录TOＣ\o"1－4"\u摘要 ＰAGEREＦ_Ｔｏｃ2０6９95３５2\hIABＳTRAＣT PAＧEＲEF＿Toｃ206９95353\hＩＩ目录ﻩPAGEＲEＦ_Tｏｃ20６995354\ｈIＩI第一章绪论ﻩPAGEREF＿Toｃ20６9９53５5\h１１。1该项目开发的必要性与应用前景及当前现状 PＡGＥＲＥF_Ｔｏc206995356\ｈ１１。2该项目开发的关键技术 PAＧEREＦ＿Ｔoc20699535７\ｈ21。3本人的主要工作和创新点ﻩPAGＥＲＥＦ_Ｔｏc2069953５8\h３第二章热量测量系统的方案论证与组成结构 PAGERＥF_Ｔoｃ20６995３59\ｈ42.1系统总体方案设计ﻩPAGERＥF＿Tｏc206９953６０\ｈ４2。1．1系统的基本组成结构 PAGＥREF_Toc２０699５３６1＼ｈ４2.1。2热量表的基本功能ﻩPＡGＥRＥF_Ｔｏc2069９5３6２\h5２.2系统流量测试方案论证ﻩPAＧＥREF_Ｔoc２0６９9５36３＼ｈ52。２．１容积式流量测量方法ﻩＰＡＧＥREF_Ｔｏc206９９5364＼ｈ62．2．2超声波测量流量方案ﻩＰＡGERＥF＿Ｔｏｃ20６９9５３６5\ｈ62.2．3涡轮式流量测量方法ﻩPAGＥREＦ_Toc２06９95366＼h72.2．４叶轮式流量测量方法ﻩPAGEＲＥF＿Ｔoc２069９5３6７\h７第三章系统的硬件电路设计ﻩＰAGERＥF_Tｏc2０6９9536８\ｈ１0３．1现有热量表MCＵ及组成结构 PAGＥREＦ_Tｏc206９9536９\h103。1.1Ｉ2C总线简介ﻩＰAGＥＲＥF_Ｔoc206９9537０＼h１1３．1．2低功耗设计ﻩPＡGERＥF_Toc２０69９537１\h113。1．3热量表单元电路设计 PAＧEＲEＦ＿Toｃ2０6９9５3７2\h１33.2热量表电路改进ﻩＰＡGEREF＿Ｔoc２069９53７３＼ｈ163。2．1当前系统存在的问题和改进措施ﻩPAＧＥRＥＦ_Ｔｏc2069953７４\ｈ163.２．２基于MSP４30Ｆ41３的电路设计ﻩＰAGＥRＥF_Ｔoc２069９５375＼ｈ173．3系统的电源与人机接口设计ﻩPAGＥＲEＦ_Toc206９９5378＼ｈ２63。3．１系统的电源设计ﻩPAGＥREF_Ｔoｃ２0699５37９＼h263．３.２键盘接口设计ﻩＰAＧＥREF_Toc20699５380\h２７3.３.3显示接口设计ﻩPＡＧERＥF_Toc2069９5381\ｈ2８３．4系统的通讯技术 ＰAGEＲＥF_Toc2069９538２\h303.４.１概述ﻩPAGＥＲEF_Ｔoc20699５38３＼h303.4.2通讯方案设计ﻩPAGEREＦ_Toｃ206995384\h32３．4。3UＳB控制芯片接口电路设计ﻩＰＡＧEREＦ_Ｔoc２06９95385＼h353．5系统的抗干扰设计 ＰＡGEREＦ_Ｔoｃ2０６995386＼h3５第四章软件系统设计ﻩPＡGＥRＥＦ＿Ｔoc20６99５3８７＼ｈ374。1本系统软件的总体设计说明 PAGＥRＥＦ_Ｔｏc2０699538８\ｈ374.2关键参数处理ﻩPAGEREＦ_Toｃ206９953８9\h374。2．1温度的测量ﻩPＡＧＥＲＥF_Toc20６99539０＼ｈ3８4．2．2高精度的热量计量ﻩPAGEＲEＦ_Toc２06９953９1＼ｈ384．３系统的显示程序模块设计 PAGＥREF＿Tｏc20699５39２\h394．4系统的通讯程序模块设计ﻩPAＧEＲＥＦ_Toc20699539３＼h４０４。5部分程序流程图ﻩＰＡＧEREＦ＿Ｔｏc20６９95３９４＼h4１4。5．２热量处理子程序ﻩＰAGEREF_Toc206995３95＼h4２４．5．3看门狗定时器中断服务子程序ﻩPAＧＥＲEＦ_Ｔoｃ206９９５396＼h4３４．5．4基础定时器(ＢT）中断ﻩＰAGERＥF_Toｃ２06９９５3９7\ｈ４44。５．5测温子程序ﻩPAGEREF＿Ｔｏc20699５３98＼h454。５．6按键中断服务子程序ﻩＰAGEREF_Toｃ２06995399\h４64．5。7ＬCD显示模块ﻩPＡＧEREF＿Toc2069９５４00＼ｈ474。5。8固件程序流程图ﻩＰAＧEREF_Tｏc2069９5４01\h４84.5。9上层应用程序流程图ﻩPAGＥREＦ＿Ｔoc20699540２＼h494。5．1０对分查表算法框图ﻩＰAＧEREF_Tｏc2069９540３\h５0第五章试验测试数据分析与总结ﻩPAGEＲＥＦ_Ｔoc２0６９9５404\h５０５。1热量表技术参数及整体校验规则ﻩPAGEREF_Ｔoc２06９９5４０５＼h5０5.1.1热量表技术参数ﻩＰＡGEＲＥF_Tｏc２0６9９５40６\ｈ5０5.１.2整体校验规则ﻩPAGＥREＦ_Toｃ206995４07\ｈ５15。2功能测试ﻩPAGＥＲEＦ_Toc206９９540８＼h5２5。3关键参数测试要求ﻩPAGEREＦ＿Ｔoc206995409\ｈ52５。3.1流量测量要求ﻩPAGＥREＦ_Tｏc20６99５41０\h５２５.３．２温度测量要求 PAGＥRＥＦ＿Tｏc2０69954１1\h５25.３.3热量测量要求ﻩＰAGEＲＥF_Ｔoc2０6９９５412\ｈ535.4测试装置和数据 PＡGＥRＥＦ_Toc2069954１3\h５３5.4。1流量测试ﻩPAGERＥF_Tｏc206995４1４\ｈ535。4．２温度测试ﻩＰAGEＲEＦ＿Ｔoｃ２06９95415＼h5４5。4.3热量测试ﻩＰAGＥREF_Tｏc20699541６\ｈ555。4。4误差分析ﻩPＡGＥREF＿Tｏｃ20６９９54１7\h58参考文献ﻩPAGERＥＦ_Ｔoc２06９9５419\h6１附录:部分程序代码ﻩPAGERＥF_Toc2０69９5４21\h64PAGE26 第一章绪论1.１该项目开发的必要性与应用前景及当前现状一、必要性我国地域广阔,人口众多,房屋建筑规模巨大，其中住宅建设约占居住建筑的92％，住宅建设量大而且面广,至今仍呈上升趋势，而且这个上升趋势还将持续２０－３0年。但是我们必须清醒的看到,我国如此庞大的房屋建筑及住宅建设的快速增长是以资源和能源的高消耗为代价换取的，除了利用最直接的资源——土地以外，住宅能源消耗的增长是住宅建设发展的一大限制因素。当前由于我国建筑物的保温隔热和气密性能很差，供暖系统热效率低，单位住宅建筑面积采暖能耗为相同气候条件下发达国家的3倍。到20０0年，全国城市建筑耗能已占能源生产总量的1４％，这就说明,只有坚决采取节约能源的措施才能维持建筑的可持续发展。城市供热系统节能是建筑节能的重要组成部分，目前城市集中供热基本上都是按热用户的采暖面积收费,缺乏计量设备和调节手段.绝大多数既有居住建筑是非节能建筑,没有供热计量设施,热用户无法进行自主调节；新建居住建筑相当一部分也未安装供热计量设施;许多城市的供热设施严重老化，供热能源浪费严重,城市供热热源、管网、热力站、建筑入口无计量装置,无法考核单位和设施的能耗.国外的热计量经验表明，按照热量收费的制度是促使用户自觉节能的最有效手段,按实际使用热量向用户收费，可节能２0％－30％。我们只有遵循市场经济规律，把热作为商品，由用户自行调节控制使用，并按实用热量合理收费，才能调动热和供热两方面的积极性，进而促进节能。应用前景中国集中供热的建筑面积，2002年是1５．５6亿平方米（其中住宅10。8亿平方米），２０0３年增加至１8．9亿平方米（其中住宅1３．1亿平方米）。粗略地计算，平均每年至少需要1０0万至150万套户用表，集中供暖系统用热量计前景看好。三、该项目的目前国内现状：从200３年7月建设部、发改委等八个部委印发《关于城镇供热体制改革试点工作的指导意见》开始,陆续在全国主要是在集中采暖的新建居住建筑系统中，推行温度调节和户用热量计量装置，按热量计量收费的系统试验工作。从一年多全国试点工作的运行情况来看，目前国产的热量表存在相当多的设计方面的技术问题：如1、功耗过大，电池不适用,达不到正常工作五年以上的基本要求.甚至尚未运行一个采暖期,电池电量就耗尽了.2、显示参数不够齐全，有些表不能实时显示以下必要的数据:运行热量、瞬时流量、工作时间等。３、积分计算器抗干扰能力差.乱码，死机,工作间断。4、除去流量计故障外,热量计和温度测量误差也明显过大。以常用的3级准确度的热量表为例，当散热器进出水温差△t达到最小值、流量q达到最小允许值时，热量计量误差限的最大值为10%.５、国产热量表采用的热量计算方法一般为焓差法,此方式不能对热计量系统进行温度、压力的在线补偿，精度达不到ＯIML－R75国际规程和EN１４３4欧洲标准等国际标准的规定。此种情况导致热量表的生产、销售状况很不理想,客观上已经影响到了供热计量收费的步伐，已经影响到了中国政府建筑节能计划的实施。1。2该项目开发的关键技术经过对市场上使用或试用的热量表的全面调研和分析,认为本课题必须解决的关键技术如下：1、五年以上寿命的低功耗要求积分计算器的功耗问题是热量表的设计中一个最关键的技术问题。目前国内外大多数厂商都是采用2000ｍh的锂电池,这就意味着要使热量表工作5年以上，那么，其平均工作电流就应在4０ｕA以下。因此要求电池的使用寿命尽量长。2、高精度的流量、温度和热量测量要求该热量表的流量计量误差小于１％，流量计量的分辨力达０。１升。入水温度和出水温度计量比对误差不大于０.１℃。热焓计算精度要优于０。5%。相对于使用环境和仪器价格，这是相当高的综合参数计量精度。３、显示必要的运行参数:入水温度、出水温度、瞬时流量、运行热量、工作时间。4、进行抗干扰设计，提高积分计算器的工作可靠性。5、防潮、防破坏要求热量表的壳体必须防水、防尘侵入。为安全起见，热量表采用铅封式安装,电源要采用内装电池，即用户不能更换电池,必须由供热公司或物业管理人员更换。为防止盗热水现象,热量表还应该具有自保护功能，即在遭到破坏时有报警。1.3本人的主要工作和创新点根据上述技术关键,主要完成了如下工作：１、选用低功耗芯片，优化外围电路的设计、外围器件的选择以及接口电路的设计；软件设计中也充分利用芯片的节电工作模式、关掉主芯片不使用的功能。2、在硬件电路设计中改进流量测量电路，采用零功耗、计量误差小于１％的磁敏传感器提高流量测量精度，在软件设计中采用高精度的热量计算方法：k系数补偿法，实现热量的高测量精度。在温度测量中采用对分查表算法对Pt1000铂电阻温度传感器的非线性进行补偿，大大减少了数据存储量并简化了查表过程。３、采用OCMＪ4X８LCＤ液晶显示模块来实时显示瞬时流量、进水温度、回水温度、已用热量、运行时间等参数、进行了系统抗干扰设计。４、进行了总体设计和方案论证.５、热量表系统的硬件电路设计、软件编程、调试。第二章热量测量系统的方案论证与组成结构2．１系统总体方案设计2.１．1系统的基本组成结构系统方框图如图2—1所示。敏感元件敏感元件信号调理信号变换MCU芯片电源键盘及显示器数据通信适配器图２—１系统基本结构图热量表的结构形式一般有组合式和整体式两种。所谓组合式即流量传感器、计算器、配对温度传感器等部件组合而成的热量表；整体式即流量传感器、计算器、配对温度传感器所组成不可分解的整体热量表。。整体热量表省去了信号线部分，成本低，且更具有安全性,因此本文拟采用整体化的结构设计.热量表外形图如图2－2所示。图2－2热量表外形图2。１。2热量表的基本功能1）准确的流量和热量计量这是热量表最基本的功能。2)具有自动报警功能当热量被置于强磁环境中，或被擅自拆卸,或测温线被剪断时,热量表开始通过蜂鸣器报警，提醒用户热量表运行有故障。３）用户可随时了解用热状况及热量表运行状况为便于用户及时掌握用热情况，带有液晶显示，用户可循环查询瞬时流量、进水温度、回水温度、进回水温差、已用热量、累计运行时间。４）电源监测功能工作电源欠压,自动报警进行提示.２.2系统流量测试方案论证热量表精确的流量测量是至关重要的，所以首先要确定流量测量方法。流量的测量方法有很多，从流量计的构成原理上可分为直接测量型和间接测量型。直接测量就是利用流量计本身具有的一定容积的计量室连续地“量”流过的流体;间接测量是通过测量在流动的流体上出现的某些动态特性，如压力、压差、声速传播、电动势、涡旋等，再经过适当的运算确定流量。具体的流量计有很多种类如图2—3所示。喷流式喷流式热式电磁式瞬时流量计流体振动式超声波式涡轮式伺服型容积式间接测量型直接测量型累积流量计面积式差压式图2-３流量计分类所谓瞬时流量即单位时间内流过水表的流体体积或质量；把瞬时流量对任意时间进行积分求出的累计流量的总和称为累积流量.由于热表用户看重的是累积流量，而并不关心瞬时流量的精确值，所以应考虑选用适合累积流量测量的方法。2。2.１容积式流量测量方法容积式流量计属于典型的直接测量型累积流量计，其基本原理类似标准容器。流量计的内部的机械的计量室由流体流入侧与流出侧的压力差来驱动,由计量室的容积决定的一定体积的流体从流入侧送到流出侧。测出计量室的工作次数即可知流过的流体体积.其特点是测量精度高；流体的密度和粘度变化影响几乎可忽略不计。主要用来测量不含固体杂质的液体（否则易磨损齿轮),尤其是粘度较高的介质的体积流量。由于我国水质较差，含沙较多,所以不宜采用这种测量方式.伺服型流量计是容积式流量计的改进型，克服了由于压差而产生的流体泄漏所造成的测量误差,但是依然不宜测量含杂质的液体。2。２。2超声波测量流量方案可以利用超声波技术实现流量的测量,其测量原理为：超声波探头向管内某点发射超声波脉冲，再以接收方式探测这点的反射波,每个反射波的到达时间被记录下来。即采用时差法测流量。其计算公式如下：（式2-1)Q=Ｖ﹡S（式2-２)其中：M为声束在液体的直线传播次数；θ为声速与液体流动方向的夹角;Ｔup为声束在正方向上的传播时间TDOＷＮ为声束在逆方向上的传播时间;△T＝Tｕp－TＤOWND为管道内径；V为管道内水的流速Ｑ流量S＝πD2/４管道截面积该测量方法的优点是:没有转子，不会出现丢转、丢脉冲现象,因此测量精度高;没有压力损失;不带磁，不受电磁干扰，不受材料杂质的影响等。缺点在于:由以上公式可以看出流量精度受管道壁厚影响；另一方面在用超声波测量流量时，探头的距离设置一定要严格按照超声波流量运算后给出的距离设置，因此安装不方便；而且目前超声波探头和接收器较贵,适合于深埋在地下的石油管道测量.2．２。３涡轮式流量测量方法涡轮式流量计属于间接测量型，它是利用在被测流体中自由旋转的叶轮的转速与流体的流速成比例这一原理进行测量的，被测流体推动涡轮旋转，其转速随流量的变化而不同,涡轮将流量Q转换成涡轮的转数，经磁电传感器转换成电脉冲，由单位时间内的脉冲数和累计脉冲数可得到瞬时流量和累积流量。涡轮式流量计具有一系列优点：精度高；量程范围宽,对流量变化反应迅速,耐高压;检测元件不接触液体，且输出的流量信号为数字电脉冲,易进行远距离的传输，但是涡轮流量计的轴承容易磨损,特别是在有固体颗粒的工作介质中磨损更甚。２.２．４叶轮式流量测量方法１)叶轮式流量计结构标准化的旋翼式水表采用叶轮式流量计，主要由叶轮盒、叶轮、叶轮轴、调节板组成。工作原理是：水由水表的进水口进入表壳,经滤水网由叶轮盒的进水孔进入叶轮盒内，冲击叶轮，叶轮开始转动，水再由叶轮盒上部出水孔经表壳出水口流向管道内。叶轮的转速与水的流速或流量成正比。叶轮式流量计结构简单、测量范围宽、灵敏度高、外形尺寸小，精确度已被广大用户所接受，因此本文的流量计还是基于水表的旋翼式结构,而将叶轮机构上提取的电信号用频率脉冲计数，实现水的流量计量，以保持叶轮流量计结构简单、精度高的优点.2）流量计量传感器的选择依据叶轮式流量计是将单位时间内流经管道某截面内的流体体积转换为与该体积相对应的脉冲数，为实现这一计量状态的转换,我们分析了几种传感器，列表如下。对于磁电转换器件，一般常采用磁钢—磁簧管和磁钢-霍尔器件。其各方面性能比较参见表２-1。通过性能与性价比分析，对磁敏式传感器ZＰ０1进行了反复的实验验证。ZＰ０1是零功耗磁敏式传感器,这种传感器利用磁性双稳态功能合金材料中磁畴在磁场中的运动特性制作而成的。当外磁场发生变化时，磁畴磁化方向瞬间发生翻转，从而在检测线圈中感生出电信号,实现磁电转换.表2-1常用磁电传感器性能比较常用磁电传感器性能比较比较项目磁簧管普通单极开关霍尔ＩC磁敏传感器寿命易老化,短，每一至两年要回厂维修更换,不能现场非专业人士操作长长,无需更换霍尔IＣ温度影响大,受热胀冷缩影响,玻璃外壳易碎小很小抗干扰很差，有机械抖动干扰，为了勉强消除抖动干扰，必须两颗磁簧管，成本大增好，内置迟滞比较器消除干扰好,内置迟滞比较器消除干扰,一颗IC就行了体积易碎，大，不方便小小安装无方便方便外部磁极方向无有无，随意安装贴片封装无有有功耗小大相当微小低压工作可以不可以可以方案成本1）响应延时长短短2）设计复杂程度为消除干扰，加大了软件开发难度无需为消除干扰而造成软件开发难度无需为消除干扰而造成软件开发难度3）磁极安装难度小大很小4）生产工艺复杂程度的成本很高较小很小５）维护成本很高小小评价很高小很小磁敏传感器－ZP0１：每只价格１元，寿命在２亿次以上。磁敏传感器其特点如下:1)传感器工作时无须使用外加电源,非常适用于微功耗仪表。2）使用双磁极交替触发工作方式，触发磁场极性变化一周，传感器输出一对正负双向脉冲电信号，幅值大于1伏，信号周期为磁场交变周期。３）输出信号幅值与磁场的变化速度无关，可实现“零速"传感。4）无触点、耐腐蚀、防水、寿命在2亿次以上。5）传感器输出信号经处理后利用电话线、同轴线可实现电信号远传。经试验证明,该传感器输出的电脉冲幅值大,且在大流量和小流量时,精度都很高,更由于它的零功耗性，设计方案最终采用这种型号的磁电传感器作为流量脉冲计数转换器件。ﻮ第三章系统的硬件电路设计由于热量表属于不间断连续测量设备，因此要求其具有功耗低、测量精度和可靠性高等要求.3。１现有热量表MＣU及组成结构扩展E2PROM扩展E2PROM液晶驱动、显示流量信号扩展I/O口电源监测电源保护电路时钟/日历芯片单片机P87LPC764图３—1八位机热量表电路结构图在常用的8位机中,其中采用Phiｌｉｐｓ公司的低功耗的Ｐ87ＬＰC764单片机。Phｌilipｓ公司产品一向以节能、省电闻名于世，Ｐ87ＬPC764单片机是目前最省外边资源和低功耗特性最好的兼容51语言的中小型单片机。它提供空闲和掉电两种节电模式,典型掉电电流为1ｕA;３.6V供电电压，20～10０ＫHz晶振频率时工作电流不到10uA。除低功耗外,P87LPC７６４还具有如下特点:1）P87ＬＰC７64采用加速处理器结构，运行速度快，指令执行速度是标准80Ｃ51的２倍。2)全双工通用异步接收/发送(UARＴ）及Ｉ2C通讯接口。3）可编程Ｉ/O输出模式:准双向口、开漏输出、上拉和输入功能。4）所有口线均有２０mA的驱动能力.5)端口输出的转换速度受控制以降低电磁干扰.６）8个键盘组合的中断输入，另加２路外部中断，４个中断优先级。３．１．1I2Ｃ总线简介I2Ｃ总线通过两根线即串行数据线SDＡ和串行时钟线SCL,使挂接到总线上的器件相互进行信息传递.总线使用软件寻址来识别每个器件包括微控制器、存储器、ＬCD驱动器、时钟芯片及其它I２C总线器件，完全省去了每个器件的片选线,因而使系统的接线极其简洁。典型的系统接线如图3—2所示。主发送/接收器如P87LPC764主发送/接收器如P87LPC764主发送/接收器如P87LPC768从发送/接收器如24WC16从接收器如PCF8574从发送/接收器如24WC02SCLSDA图3-2I２Ｃ总线器件的连接I2Ｃ总线上的每一次数据传送活动都是主控器先发出起始信号,然后主控器发送被控器的地址及读写位(１个字节）,这之后是主控器等待被控器的应答信号（接着的第九位)，再接着就是主控器发送数据给被控器（写被控器）或接收被控器发出来的时间（读被控器)，最后由主控器发出停止信号通知被控器结束整个数据的传送过程.I2C总线协议规定传送的数据长度为8位，而每次传送的数据字节数由被控器所限制，如24WＣ０２（２５6字节的ＥEPROM）规定一次最多传送16个字节。按照I2C总线协议，总线上非单片机类型的外围器件地址由器件编号地址（高4位D7～D4，由器件类型决定)和器件引脚地址(D3～D1）组成,每个器件有唯一的地址，无论它是单片机、ＬCＤ驱动器、存储器还是键盘接口。I2C总线协议可以使系统实现完全软件化定义,运用一些有用的软件模块库可以大大提高编程效率。3．1．2低功耗设计首先应该明确两个问题:一、使用低功耗单片机的目的是降低整个单片机应用系统的功耗，因此单片机系统外围电路的设计和外围器件的选择以及接口电路设计是实现低功耗的重要因素.要做到低功耗必须结合整个系统电路及软件设计来进行；二、低功耗单片机应用系统最典型的应用有两种情况:其一是系统能够实现间断性工作甚至大部分时间系统处于空闲或掉电模式下；第二种情况是系统必须长时间处于连续工作状态.两种情况设计思路是不一样的,本系统应该属于前者。１.低功耗设计硬件电路部分需注意的事项有：１)外围器件的选择:在间断工作的低功耗系统中,外围器件的静态功耗是首选指标，另一个标准是单片机与外围器件的接口方式.对Ｐ87LPC764单片机来说，应尽量选择具有Ｉ2Ｃ总线接口的外围器件，这样在口的低功耗处理上要简单一些.2)电源电压的选择:对于电池供电的低功耗系统来说,应该尽量选择低的电源电压，这样能够充分利用单片机和外围器件的低电压低功耗的特性。本文选用3。6V锂电池供电。３）工作频率选择:通常选择低的工作频率来降低功耗，但这样做对掉电模式下工作的系统来说是没有意义的。因为掉电状态下振荡器已经停振,而在唤醒工作时，高的工作频率可以快速的执行任务,然后再返回到掉电休眠状态，这样减少了工作时间，从而降低了系统的平均功耗；若选用低的工作频率，在唤醒工作的时候执行任务的时间较长,但工作电流也较小，同样也能降低功耗。所以应该按照设计越简单越好的原则选择内部振荡功能.４)口的处理：对于准双向口和强上拉模式的Ｉ/O口由于其内部已有上拉电阻,因此可不接外部上拉电阻；但是对于开漏输出或集电极开路输出的口应将其接上拉电阻，若不使用可接下拉电阻使其电平固定,防止电路出现振荡消耗电路。此外为保证系统可靠工作,务必防止口线悬浮、电平不定的情况发生。对于P８7LPC7６４来说,为保证I2C总线的正确工作,一般接有外部上拉电阻，在掉电模式下，口线上既存在外部上拉电阻，又存在I２C总线器件,这样口线无论置高还是置低都将消耗一定的电流，因而I2C口线的上拉电阻需加电源管理。当口线紧张时,可只对数据线（ＳDＡ）进行管理。5）外围器件的电源管理:如果有条件最好能对电源器件进行管理,以进一步降低系统功耗。一般实现电源管理的方式有两种:对于小电流工作器件，可以直接由主芯片Ｉ/O口控制其电源的通断;更常用的方式是利用主芯片的口线控制开关管通断来管理电源。２．低功耗系统软件设计的任务之一就是配合外部电路来降低整个系统的功耗,在系统进入掉电方式前要进行一些相应的设置:１）正确设置系统休眠模式,不同模式下的系统状态不同决定的静态工作电流也不一样,因此应根据情况正确设置。2）关掉主芯片不使用的功能,外围器件不工作时关掉其电源。３）I／Ｏ口的处理：在保证口的外部功能的情况下,对准双向口，若口线有外部上拉电阻，则应在进入掉电模式前置高,以关闭内部下拉晶体管，若口线采用内部上拉，则应置低以关闭内部上拉晶体管;对开漏输出的I/O口在进入掉电模式前应置高；对I２Ｃ口线,在进入掉电模式前应将口本身和上拉口线全部置低，在唤醒且需要I2C总线工作时才置高.3。1。3热量表单元电路设计根据要完成的功能和低功耗设计原则，热量表电路的主要单元设计如下：1)流量测量电路设计由前述,流量信号由磁敏传感器输出,为了有效的防止各种可能的干扰，单片机每采集到一正一负两个脉冲时,计数器才加１,即两个脉冲有互锁功能，以防止可能的干扰；在软件处理上，每当采集到一个正或负脉冲后的５mｓ内,单片机不采集流量信号。测量电路如图3—3所示。图3－3流量测量电路工作过程如下：ｚpo1磁敏传感器是利用磁性双稳态功能合金材料中,磁畴在磁场中的运动特性制作而成的。当外磁场发生变化时，磁畴磁化方向瞬间发生翻转，从而在检测线圈中感生出电信号。传感器使用双磁极交替触发工作方式，水流推动传感器触发磁场极性变化一周,传感器输出一对正负双向脉冲电信号,幅值大于１伏.正负双向脉冲经相应的三级管放大后,直接送给单片机的输入端口进行计数，单片机每采集到一正一负两个脉冲时,计数器加1，根据计数器所计脉冲数,可计算出供暖水的流量。2）液晶显示电路设计初始设计液晶显示模块采用北京青云创新公司的LCM08３2，ＬCＭ０８32是10位多功能通用型８段液晶显示模块,内含看门狗(WＤT）/时钟发生器,２种频率的蜂鸣驱动，具有低功耗特性,显示状态电流50uＡ，休闲状态电流〈1uA，工作电压2。4~5。2Ｖ,其引脚说明如下：VＤD:正电源，接电源电压３.６V,使LCM0832与主芯片的工作电压相同,这样／ＣS、/ＲＤ、/WR、ＤATＡ等数据线可与主芯片I／Ｏ直接相连。VLCD:LCＤ屏工作电压调整，可调视角对比度,当VＤD为2．7～３。３V时，VＬCD与ＶDＤ短接。／ＩNT：ＷDＴ/定时器输出，集电极开路,不用。BＺ（／BＺ)：压电陶瓷蜂鸣片驱动,正(负)极。/ＣＳ:模块片选，内部上拉。／RD:模块数据读出控制线，因为不需要读其内部数据，所以不用./WR:模块数据/指令写入控制线，内部上拉.DＡTA：数据输入/输出,内部上拉。Vss：负电源,接地线。ＬＣM0832液晶显示接口应用方块图如图3—４所示。图3—４液晶显示模块应用方块图3）电源监测电路设计为保证系统正常工作,必须对电源进行实时的监测,当电能不能满足要求时,及时给予报警。通常采用监控电池电压的方法来监测电池容量,然而实际上电池电压受多种因素如电池放电速度、电池温度的影响(参见图３-5）.图3—5电池放电曲线图可见,相同容量的电池所对应的电压随温度的上升而上升。比如说要剩余200mAｈ的电量，在0℃、2０℃、4０℃时需监测的电压不同,因此安一个电压值监测会有误差。目前已有智能电源监测芯片，可以很准确的监测电源的所剩电量，但是价格很昂贵.所以最终决定仍采用监测电压的方式来监测电源，只是合理的监测电压值，需要多次试验后才能确定。电源电压监测芯片采用日本理光公司的Ｒ3１１１系列的电压监测芯片。一是因为该芯片是超低功耗芯片，典型供电电流为０。8uA;另一个重要的原因是该芯片监测范围很广，可监测电压从0.9v到６。0v,而且每隔０。１v都有相应的型号，且各型号管脚接法相同。这样当发现初始设定的监测电压值偏高或偏低时，可以很方便的更换芯片,而不用改电路板图。R31１１系列电源芯片与单片机接口电路如图３-6所示。VDDVDDR3111GNDVDDVDD470KRGNDRESETMCUVDD图3－6R３１11芯片与单片机接口图4）时钟/日历芯片选用Pｈilｉps公司的低功耗时钟／日历芯片ＰCＦ8563来处理时间方面的任务。ＰCＦ８5６3有1６个8位寄存器:一个可自动增量的地址寄存器；一个内置32．７６8ＫＨz的振荡器（带有一个内部集成的电容）;一个分频器（用于给实时时钟RTC提供源时钟)；一个可编程时钟输出；一个倒计数定时器;一个报警器;一个掉电检测器和一个4０0Ｋｈｚ的I２C总线接口。所有１6个寄存器设计成可寻址的８位并行寄存器。前两个寄存器（内存地址00H,01Ｈ）用于控制寄存器和状态寄存器;内存地址02H～０8H用于时钟计数器(秒～年计数器）;地址0９H～0ＣH用于报警寄存器,定义报警条件;地址０ＤH控制ＣLKOUT管脚的输出频率；地址0EＨ和0FＨ分别用于定时器控制寄存器和定时器寄存器。秒、分、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警寄存器,编码格式为BＣD码,星期和星期报警寄存器不以BCＤ格式编码。当一个RTＣ寄存器被读时,所有的计数器内容被锁存,因此，在传送条件下，可防止对时钟／日历芯片的错读。由此可见,ＰＣF8563具有强大的时间管理功能,用一片PCＦ856３完全可以实现热量表所要求的种种时间方面的任务，如按月统计，时间显示，定时报警等.５）扩展ＥEＰＲOＭ由于Ｐ8７ＬPC7６4单片机只提供了12８Ｂ的ＲAM和4ＫＢ的EＰROM,所以还须扩展一片非易失存储器,用于存储热量表的流量、时间、热量、温度、参数表格等数据。在此选用CAＴ24ＷC02串行Ｅ２PRＯM。２4ＷC02是CＡＴAＬＹSＴ公司的低功耗器件，有一个1６字节页写缓冲器,该器件可通过I2Ｃ总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。写操作时,可以按字节写，即每次写一个字节；也可以按页写，每次写入1６个字节。读操作时,选用立即地址读方式,也可以选用选择性读方式，还可以选择连续读方式，灵活的读写操作,为热量表关键数据的存储提供了方便的条件。3。2热量表电路改进3.２．１当前系统存在的问题和改进措施经过调研和实验发现当前系统存在以下几方面的问题：１)由于所用MＣU内部集成的I／O模块少，因此外围电路较多,可靠性较差。2）当前系统所采用的温度传感器的分辨率较低,达不到0.1℃。３)大流量时有丢脉冲现象，测量精度低。4)各种因素综合作用导致热量计量精度达不到0。５％。为解决以上问题并提高系统的性能计划选用MＳP4３0F４13来代替原来的P８7ＬＰC764，是因为MSＰ４3０与P８７ＬPC７６4相比，具有如下明显优势：①ＭＳＰ４30的超低功耗特性: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，芯片的电流会在２0０~40０uA左右,时钟关断模式的最低功耗只有0．1uＡ；其次,独特的时钟系统设计。在ＭSP4３０系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环(FLL和FＬL＋）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（3２768Ｈｚ），有的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;由于系统运行时打开的功能模块不同,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）和五种低功耗模式（LPM０~LＰM4）。在等待方式下,耗电为０。7uＡ,在节电方式下，最低可达0．1uA。②51单片机是8位单片机。其指令是采用的被称为“CISC”的复杂指令集，共具有111条指令。而MＳP４３0单片机是16位的单片机，采用了精简指令集(ＲISC)结构,只有简洁的２7条指令，大量的指令则是模拟指令,众多的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算.这些内核指令均为单周期指令，功能强,运行的速度快.③51系列单片机由于其内部总线是8位的，其内部功能模块基本上都是8位的虽然经过各种努力其内部功能模块有了显著增加,但是受其结构本身的限制很大,尤其模拟功能部件的增加更显困难。MSP4３0系列其基本架构是1６位的，同时在其内部的数据总线经过转换还存在8位的总线，在加上本身就是混合型的结构，因而对它这样的开放型的架构来说，无论扩展8位的功能模块，还是１6位的功能模块，即使扩展模/数转换或数／模转换这类的功能模块也是很方便的。这也就是为什么ＭSP４30系列产品和其中功能部件迅速增加的原因。④在开发工具上面.对于５1系列单片机来说,由于它是最早进入中国的单片机,人们对它再熟悉不过了,再加上我国各方人士的努力，创造了不少适合我们使用的开发工具。但是如何实现在线编程还是一个很大的问题。对于MSＰ４30系列而言，由于引进了Flａｓh型程序存储器和JTAG技术,不仅使开发工具变得简便,而且价格也相对低廉，并且还可以实现在线编程。为提高温度测量分辨率,我们选用Pt１０00代替DS2８EＡ0０1(分辨率为0。5℃)，查表法处理数据。为解决大流量时丢脉冲、测量精度低的问题,采取的改进措施在３.2．2．１中做了祥尽的表述。3。２。2基于MＳP430F4１3的电路设计基于MＳP４30F413的电路设计工作主要是对基于Ｐ87LPC76４的电路进行相应的移植和改进，其中由于ＭSP430F４13有６个I/O口、64K存储空间，故而扩展I／Ｏ口和E2PROM不再需要,可以进行下述的改进.3.２．２。１流量计量电路改进原来的设计思路是：磁电传感器的一对脉冲对应0．1升水,单片机口每接收到一对脉冲,申请中断,将单片机唤醒，处理流量计量、温度测量和热量计算等任务。这样的中断程序耗时较长，在大流量时可能一个中断任务还没结束，就又新的中断申请提出，造成流量脉冲少计的现象；从另一方面来说，每来一对脉冲都要唤醒单片机,减少了单片机的休眠时间,增加了功耗，实际上热量表在运行过程中温度变化很慢,是没有必要０。1升水一测的。根据标准：热量至少一分钟计算一次的规定,采用如下方案：将流量计量和热量计算任务分开,流量由计数器自动计量,即流量脉冲作为外部信号直接送计数器计数,不再唤醒单片机,即使在休眠状态下，也能计量脉冲;热量计算由时间控制,每一分钟被唤醒一次，执行测温、读流量、相应的计算和数据存储任务,在执行此中断任务时，并不影响流量的计量,如果有流量脉冲来,计数器继续计数。这样既减少了单片机工作冲突的可能性,充分利用了单片机的资源，又降低了功耗。但是也存在一个问题,就是正负脉冲都接入P1.５(ＴｉmerA输入时钟），没有了互锁性，容易把干扰信号也作为脉冲信号来计，在此，加入了一个低功耗Ｊ-K触发器（SＮ７4ＬVC11２）来增强电路的抗干扰能力，如图3－7示.图3-7流量计量电路工作过程分析:由图3－７可见，计数器输入引脚Ｐ1。５只能接收由4、15引脚触发而产生的高低脉冲输出信号Q，即只能由传感器产生的脉冲信号经三级管处理后才能使计数器计数,来测量供暖水流量,而其它任何形式的干扰脉冲都不会被J－K触发器接收，从而保证了流量传感器计量的准确性。下表为SN74LVC１12J—Ｋ触发器功能图描述。ＩNＰUTSＯUTＰUTPREPRECLRCLRCＬKJＫQ/QLＨ×××HLHL×××LＨＬL×××HHＨH↓ＬLQ0HＨ↓ＨLHＬＨＨ↓LHLＨHH↓ＨHＴoggleHＨH××Ｑ０／Q0３.2.２。2测温电路改进铂电阻温度传感器因其温度性好、测量准确度高、量程范围广而一直被广泛应用。而且标准建议使用铂电阻温度传感器.在０~65０℃范围内，其电阻温度特性如下:Ｒt=R0（１+at+bt2）(式３-1）式（3-1)中：Ｒt、R0分别为ｔ和０℃时的电阻值;ｂ为常数,a＝３．96847×1０-3／℃,b＝-5．847×１0-7／℃２,因为ｂ为负值，故其特性曲线为一略凸的曲线,温度越高,其曲线呈现凸型的程度越重,非线性误差越大。关于铂电阻测量电路,有两种方案:一种是利用反馈形成函数电路的方法对铂电阻进行非线性校正，然后经A/D送单片机处理;另一种思路是不经过非线性校正,电压信号经A／D后由单片机按照电压值与铂电阻值的关系计算出此时的铂电阻值，然后查表得相应的温度值(Pt阻值按分段线性表的方式存于RＯM中）.对于热量表来说，测量范围0~９５℃(常温型），在此区间铂电阻的非线性并不是很严重，而且系统采用３。６V锂电池供电,温度测量精度要达到0。１℃（标准规定）的话,温度变化0。1℃，对应电压最多变化3.６mV，为了避免不必要的干扰,本文认为前级电路越简单越好；从另一方面说，MSP4３0提供了强大的数据运算功能，如乘法器，浮点运算库等,因此本文认为采用第二种方案，比较容易更简单的达到要求的精度。对于第二种方案有两种实现方法:恒压源电路和恒流源电路。1)Ａ／Ｄ转换关于A/Ｄ转换最常用的方法是逐次逼近法（SAR）和积分法。其中ＳＡR转换时间固定且快速，但要明显提高分辨率有一定的困难；积分型A/D有较强的抗干扰能力,但转换时间较长。而∑-△Ａ／D则具有高分辨率、高线性度及低成本的特点。本文采用ＭＳP４30F４1３内部的高精度模拟电压比较器,外接一只电阻和电容来构成一个类似于∑—△技术的高精度单斜率Ａ/D.其测量电路参见图３—8所示.图3-8∑一△A/D测量电路图ＭＳP430F4１3的工作电压为3。3V，I/Ｏ口输出高电平时电压接近VＣC,低电平时接近地，因此一个I/Ｏ口可以看作一位ＤAＣ，具有ＰＷM功能。测量时P1．7引脚接被测电压，P2．0输出一串占空比为50，脉宽为Ｔp的脉冲。当电容C1充电到Voｕt=Vｉn时，比较器输出翻转，这一过程称为预充电过程：此后，为维持Vout=Viｎ，P2.0继续输出脉冲，程序开始对总的输出脉冲数Ｎ和输出为高的脉冲数ｎ进行计数。P2．0根据比较器的输出状态来决定是输出高还是低电平,如果比较器输出为低,表示Voｕt<Vin,则Ｐ２．０输出为高,反之，输出为低。当输出Ｎ个脉冲后,停止计数,此时高脉冲数n与被测电压Ｖiｎ成正比。原理分析参考图３—9所示。图3-9电容充放电过程示意图经预充电后，Ｖoｕｔ=Vin，此后，P2．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R*C１》Tp，则在一定精度内可以认为充放电过程是线性的,其波形图如图3—9。图中虚线表示总的脉冲，实线是输出为高的脉冲，如果把相邻的高电平和相邻的低电平看成一个脉冲,分别为TＨ１、ＴL1、TＨ2、TＬ2……虽然TＨ1=TH２=……和ＴＬ1＝ＴＬ2＝……不一定成立，但从总体效果看,可以认为它们是等宽的.那么，ｎ个高电平和N-n个低电平就构成了ｍ个大脉冲。其中TＨ＝n/m＊Tｐ；ＴL＝（Ｎ—ｎ)＊Tp/m，那么充电时：Vｍax=ＶCＣ＋［Uｍｉn—ＶCＣ］＊exｐ(—TＨ/ＲC）(式３-2)放电时：Vmｉn＝Vmａx＊exp（-TＬ／ＲC）（式3－3)由上两式得:Vmａx＊（1－exp(—（TＨ＋TＬ)／ＲＣ)）=ＶCC(1－exp（－TH／RC)(式3—4)在允许误差范围内有Vmax=Ｖin，则：Vin*(１-ｅxp(—（TＨ+TＬ)／RC）)=VCＣ（1—exp（－ＴH/RC）)(式３—5）在(TH+TL）/T《１时,指数项用泰勒级数展开得：Vｉn＊Ｎ／ｍ=VCＣ＊ｎ/ｍ(式3-6）即Vｉn=n＊VCC/N（式3－７）确定电阻R和电容C1的参数值对于提高∑-△A／D转换的精度很重要。充放电脉冲宽度Tｐ的数值是由软件决定的,最小为１4个机器周期。在保证精确度为１ＬＳＢ（分辨率,指最低1位数字量变化引起输出电压幅度的变化量，如量程为１0Ｖ的16位ＤAC的分辨率为１0Ｖ×２-１6＝１53uｖ）时，若系统主频为3.５7ＭHｚ，则Ｔp=14/3.57M=４。９ｕs,设N为4096（对应14位Ａ/D)由电容充放电公式：(式３-8）(式3－9)这种转换方法要求电源电压VCＣ很稳定,因此，一般经DC—DC变换稳压。2）分析影响∑-△Ａ/Ｄ转换精度的因素①电源电压VCC因为P２．0输出的高电平为ＶCC，程序中又以ＶCC作为参考电压，因此,VＣC越稳定测量结果越准确，本文采用MAＸ８88１稳压片子进行稳压。8881的稳压精度±1。5％VCC。②晶振频率将影响ＣPＵ时钟，CPＵ越快,则Tp越小，RC相对越大，则越能满足近似的条件,误差应越小，本文选择３２76８K晶振,采用43０倍频技术使时钟达到7。２Ｍ。③RＣ参数影响理论上RC越稳定,测量结果越精确，实际上RC的稳定性对测量结果的稳定性影响不大。④比较器的输入端失调电压比较器同向输入端和反向输入端均存在失调电压，由于测量过程中电容上的充放电波动幅度较小,与失调电压具有可比性,因此失调电压对测量精度的影响不可忽略，本文采用两次调用测量子程序，使比较器同向和反向输入端口互换的方法，最大限度的抵消失调电压的影响。⑤噪声干扰通过在输入端加滤波电容的方法来减小这种影响。⑥软件影响主要是采样子程序中P2．０输出高或低电平不对称，占空比不是50%。本文高低电平时间都是１4个机器周期.另一个可能是在测量子程序运行时没有关闭其它中断,导致额外的充放电时间.３)恒压源测温电路由于∑-△A/D转换需用到稳压源，所以优先采用恒压源测温电路，如图３－１0所示。图3－1０恒压源测量电路图Ｒt为PT１０00在ｔ温度时的电阻,由上图得：Ｖiｎ=—Rｔ/Ｒ2*VＣC（式３一10)联立上面式４－7可得：Ｖin=-n＊R2/N(式３一11）反相后得:Ｖin=ｎ*Ｒ2/N（式３一１２）这样从理论上看来，可以消去电源变化带来的影响，也就是可以省去一个稳压芯片。然而实际上,由于电源电压的限制，运放的非理想性影响,低功耗要求,电源电压波动，桥臂电阻等引起的综合误差较大,测得的数据准确度大于0.１℃,经过多次电路改进后,仍不是很理想，所以改用恒流源测量电路。4）恒流源测量电路恒流源测量电路如图3－11所示。其中Ｒ４为高精度标准测量电阻(1K）;PTA为入水口温度传感器；PTＢ为出水口温度传感器；LＭ334为恒流源（电流Ｉseｔ）。因为当1mA〈Ｉseｔ＜5ｍA时，Iｓeｔ精度为8％，因此为保证温度测量精度,除有两路温度测量外，又加了一个R４来实时的测量恒流源电流。图图３—１１恒流源温度测量电路测量过程如下：置高P２。4使Q4导通,由AD转换可得Vin值,再利用欧姆定律可求得此时恒流源的电流Ｉ：然后再置高P2。5，置低P２.４，使Q5导通，由AD得到的Ｖin值和测得的电流I，可求得此时的PＴＡ值，从而可以通过查表得到相应的入水温度值;同理可测得此时的出水温度值。ﻩPＴ１０００铂热电阻分度表如3—２所示.表3-2ＰＴ1０0０铂热电阻分度表ﻬPT1０００铂热电阻分度表(０℃时电阻为１00０Ω)温度℃阻值Ω温度℃阻值Ω温度℃阻值Ω温度℃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恒流源测量电路结构简单、精度高、且可以通过控制开关管的通断来降低功耗，试验测量数据如表３-2示.缺点是需要使用恒流源和恒压源.

续表３—2温度测量试验数据（恒流源测量电路)标准温度（℃）测量温度（℃)标准温度（℃)测量温度（℃)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系统的电源与人机接口设计3。3。１系统的电源设计电源是设计系统中的重要组成部分,主要是为各功能电路提供所需的工作电压，其稳压性能直接影响系统工作的稳定性和可靠性。由于使用的元器件电气特性不同,系统中的各个部件所需的供电电压也各不相同,有时需要同时提供几种不同的电压和极性的直流稳压电源,例如本系统中液晶显示器的工作电压为5V，而ＭSP４30单片机的工作电压为3．３V，因此就需要分别设计不同的电源电路。为保证电压的稳定性和精度，本系统采用集成电路稳压电源,电源模块主要由７８05、7９０５和LＭ31７组成。其中78０5、７９０５都是固定电压输出的集成三端稳压器，而ＬＭ317为三端可调的电压稳压器,其输出电压由外部分压电阻确定，由该稳压器提供微处理器所需的3。3V电压。此稳压器使用方便，只需外接两个外部电阻来设置输出电压。在ＬM3１7电路中，其输出电压与电阻关系为:U０≈1。２5（1＋（式3一13）这里，选用RP1＝1５0，RP2=２40ΩΩ,可得输出供电电压为3.3Ｖ。使用另一电源给7905供电，其中Ｖi〈—7V，电源电路如图3-1２所示。图３—12电源电路3.3.2键盘接口设计3.3VK1P2.1R22K本系统仅按键显示1个功能键，数量较少,所以采用独立式按键结构。此种按键结构每个键单独占用１根Ｉ/O接口线，每个键的工作都不会影响其他I／O接口的状态。单个按键接口电路图如图3—3.3VK1P2.1R22K图3－１3单个按键接口电路由于按键机械触点的弹性作用,在闭合及断开瞬间都会出现抖动现象，即会出现很多低电平,而系统会认为有几个低电平就按了几次键,所以,为了保证MCU对键的一次闭合仅作一次键输入处理,必须去除抖动影响.常用的清除抖动的方法有3种:1）使用R－S触发器构成消抖动开关；2)使用电阻和电容构成积分器；3）使用软件延时。前两种方法是使用硬件,后一种方法是使用软件,即当出现低电平时,就知道可能有按键按下，于是等待1０mｓ，１0mｓ之后再检测按键输入端，如果还是低电平，则就一般的机械按键而言，已经是处于稳定期了,按键的抖动被消除;如果１０ms之后按键输入端没有低电平了,则说明是干扰信号,而非按键按下.3.3VRR2100KRR11KRST0.1uFCR1RST3.3VRR2100KRR11KRST0.1uFCR1RST图3-14复位电路3．３.3显示接口设计本课题的设计中选用ＯCＭJ４Ｘ８LCＤ显示模块，用来显示瞬时流量、进水温度、回水温度、已用热量、运行时间等参数。ＯCMJ4Ｘ８ＬCＤ液晶显示器内含ＧＢ2３1２16＊1６点阵国标一级简体汉字和ＡSCIＩ８＊８及8*１6点阵英文字库,只需输入区位码和ASＣＩI码即可实现文本显示.此外，本系列的模块具有上、下、左、右移动当前显示屏幕和清除屏幕的命令,所有的设置初始化工作都在上电时自动完成,实现了“即插即用”.同时，还保留了一条专用复位线供用户选择使用，可对工作中的模块进行软件或硬件强行复位。标准硬件接口采用REQ/BUSY握手协议，简单可靠[17]。LＣD显示模块是5V器件，需通过74HＣ245驱动。设计中，单片机的P3口（P3．0—Ｐ3.7)作为LＣＤ的显示输出,Ｐ2.３接ＬCD的REQ请求信号,Ｐ２。２接ＬCＤ的ＢUSY信号。具体的接口电路如图３－15所示：图3－1５ＬCD接口电路ＬCD显示接口采用ＲEQ/BUSY握手协议，即:应答BＵSＹ高电平（BUＳY=1)时,表示OCMJ正忙于内部处理，不能接收用户命令；当BUＳＹ信号低电平（BＵSＹ=0）时，表示ＯＣMJ空闲，等待接收用户命令。发送命令到ＯＣＭＪ可在ＢUSＹ=０的任意时刻进行,先把用户命令的当前字节放在数据线上，接着发高电平ＲEQ信号（REQ＝1)通知OCMJ，请求处理当前数据线上的命令或数据。OCＭJ接到外部的ＲEQ高电平信号后立即读取数据线上的命令或数据，同时将应答线ＢＵＳY变为高电平，表明模块已收到数据，正忙于对此数据进行内部处理，此时,用户对模块的写操作完成，用户可以撤销数据线上的信号并可作模块显示以外的其它工作,且不断查询应答线BＵSY是否变为低电平（BＵＳY＝0）。若BＵSY＝0，表明模块对用户的写操作已经完成，可以再发送下一个数据。具体的程序流程图如图４。5．7所示。3．4系统的通讯技术３．４.1概述在数据通讯中，分为并行数据通信和串行数据通信两种.并行通讯传输速度快、效率高,但只适合短距离传输；串行数据通信在发送方通过某种机制将并行数据转换成串行数据，经由通信介质（有线或无线）逐位发送出去，在接收方再通过某种机制将串行数据恢复为并行数据,这种方式可以大量的节约电缆导线，且适用于远距离传输。因此，本课题的设计中选用了串行通信方式。系统设计中拟使用标准总线,这不但使整个系统具备较高的兼容性和灵活的配置，简化系统的设计工作，还能使产品更容易适应市场需求的变化。现代测试系统中，依靠上位机高速的处理器和海量存储器来计算和保存数据已成为一种趋势，所以,本课题的数据通讯设计可采用以下几种方案：1、RＳ—232C标准串行接口总线这是目前广泛应用于计算机与外围设备间进行串行异步通讯的接口总线。其标准定义了数据通信设备(ＤＣE)与数据终端设备（DTＥ）之间的串行数据传输的接口信息，规定了接口的电气信号和接插件的机械要求.由于计算机中的数据是并行的，为了实现异步串行传输，发送时必须进行并－串转换，接收时再把有用的数据提取出来，进行串-并转换。此外，还需进行校验，看传送是否正确。这些工作均可由MCＵ中的ＵART(通用异步接收器/发送器)来实现。但是ＲS—２３２Ｃ还存在以下不便:1）ＲS—２３２C的逻辑电平为负逻辑的±12Ｖ,而在计算机及智能仪器内,通用信号是正逻辑的TTL电平,两者不兼容，所以必须进行电平转换.2）RS-２32C发送器电容负载的最大驱动能力为2500pF，这就限制了信号线的最大长度。如:若信号线采用每米分布电容约为１５０ｐＦ的双绞线通信电缆，最大通信距离为1５m;若采用分布电容较小的同轴电缆，传输距离可以再增加些。３)传输速率较慢，一般低于2０ｋbps.4）由于信号传输电路为单端电路，所以抗共模干扰能力差，且在条件较恶劣的现场控制中，很难实现数据的正常传输和获取。２、RＳ－485标准串行接口总线这是为适应用最少的信号线实现多站互联、构建数据传输网的需要而产生的,工作在半双工状态.它提供多点应用，同一线上最多可接32个驱动器和接收器，最大传输速率１0Mｂ/s（１2m)，最大传输距离为１2００m（１0ｋb/s），可以较好的实现现场数据的获取和控制.3、ＵＳB总线USB（ＵｎiverｓａlSeｒiａlBus）即通用串行总线,是一种电缆总线,它在传统的计算机组织结构的基础上引入了网络的某些技术，已经成为新型计算机接口的主流.与其它两种方案相比,UＳB总线具有以下优点：1）用户易用：电缆连接和连接头采用单一模式,电气特性与用户无关,并提供了动态连接、动态识别等特性。2）应用广泛：传输率从几ｋbｐs到几Mbps，乃至上百Mbｐs，并在同一根电缆上支持同步、异步两种传输模式,且连接的方式十分灵活，既可以使用设备串行连接,也可以使用集线器Hub，把多个设备连接在一起，再同PＣ机的USB口相接；可对多个UＳB总线设备（最多达１２７个）同时进行操作,利用底层协议提高了总线利用率，使主机和设备之间可传输多个数据流和报文.３）使用灵活：可对设备缓冲区进行设置，通过设定缓冲区的大小和执行时间,支持各种数据传输率和不同大小的数据包。4)容错性强:在协议中规定了出错处理和差错校正机制，可以对有缺陷的设备进行认定，对错误的数据进行校正或报告。５)“即插即用”的体系结构：具有简单完善的协议，与现有的操作系统相适应；连接外设时不必打开机箱；允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。6）独立供电：USB接口提供了内置电源。７)性价比高:ＵSB总线技术将外设和主机硬件进行最优化集成，并提供了低价的电缆和连接头等，虽然有很多优秀的特性，但价格却比较低。目前，大多数PC机都具有了ＵＳＢ接口，在本系统设计中,使用ＵSＢ总线接口，不仅可以满足对数据的实时性要求,而且可满足数据量较大的情况。此外，ＵSB集线器提供5Ｖ／５00mＡ电源，足以直接支持一些小型仪器工作，对于将来需要对系统进行扩展时，可以把多种外围设备连接到同一个连接器上,不但能消除系统冲突，而且连接简单，以较低的成本实现计算机和测控设备的连接，有效的弥补了以往接口方式的不足,简化了设备的连接和配置。综上所述,本课题选用第三种方案，使用ＵSB总线接口进行数据通讯。３．４.2通讯方案设计一、ＵSＢ芯片的选择UＳＢ接口的设计方案有很多，主要有以下两种类型：一种是MCU和USB接口芯片分离式结构。此类方案的特点是成本低,且开发难度较低。另一种方案是采用嵌入式结构,即采用带UＳＢ接口的MCU或内嵌ＭＣＵ的ＵSB接口芯片。此类方案的特点是成本高，因此不适用于简单和低成本的数据采集系统.本课题提出的设计方案属于ＭＣU和ＵＳＢ接口芯片分离式结构，但是与其它同类的方案相比，它的成本更低,设计更简单、实用，并且开发周期更短.系统的基本工作原理如下:待测的模拟信号经放大、滤波，由Ｖ／F转换器转换为数字信号;ＭＣＵ负责采样、V／F转换与数据的传送等；ＵSB接口芯片负责单片机与上位机（ＰＣ)之间的数据通信，上位机接收到采样数据后可对其进行数据处理。二、USB控制芯片简介1、内部结构本课题采用了南京沁恒公司生产的CＨ３72芯片［4０］，这是一个ＵSB总线的通用设备接口芯片，是同类产品CH375的功能简化版，内置了USB1。1通讯中的底层协议,提供一对主端点和一对辅助端点,支持控制传输、批量传输和中断传输。CH3７2支持SＬＡVＥ设备方式。在本地端，CＨ３72具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接至微控制器的系统总线上.并且CH372所需外围电路十分简单，只需要一个晶振和两个电容,芯片的D+、D—引脚可直接与计算机USＢ接口的Ｄ＋、D—信号线相连。CH37２内部集成了UＳＢ接口SＩE、数据缓冲区、被动并行接口、命令解释器、电压调整器、控制传输的协议处理器、通用的固件程序等。芯片内部设置了5个物理端点:端点０是默认端点，支持上传和下传,上传和下传缓冲区各为８个字节;端点1包括上传端点和下传端点，每个端点缓冲区为8个字节；端点2也包括上传端点和下传端点,每个缓冲区