摘 要： 以單片機為核心，設計了一種智能型低功耗熱量表。介紹了熱量表的流量和溫度測量原理與方法，利用軟件編程提高了流量和溫度測量精度。選用EFM32TG840F32內置低功耗傳感器接口LESENSE和LC傳感器進行無磁流量測量，避免了由磁場引起的干擾；設計了一種恒流源測溫方法，提高了測溫精度，從而提高了熱量表整機的精度。該熱量表支持紅外抄表和M-Bus傳輸方式，可方便地進行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，總體達到了降低功耗、節(jié)省能源的目的。
關鍵詞： 熱量表；EFM32單片機；低功耗；溫度測量;流量測量
熱量表是供熱體系中按熱量計量收費的關鍵儀表和重要依據(jù)，其測量精度和工作穩(wěn)定性等技術指標至關重要。我國北方地區(qū)于2003年開始進行供熱體制改革，2006年開始推行熱量表，2010年2月國家頒布《關于進一步推進供熱計量改革意見》，要求按計劃逐步實現(xiàn)按熱量計價收費[1]。基于此，研制開發(fā)低成本且符合國家有關標準的熱量表是大勢所趨。本文主要針對現(xiàn)有熱量表，重點在低功耗和智能化兩方面進行設計與改進，現(xiàn)處于試驗研究階段。
1 熱量表結構及原理
熱量表結構如圖1所示。將一對溫度傳感器分別安裝在通過載熱流體的進水管和回水管上，流量計安裝在進水管或回水管上，溫度傳感器給出表示溫差的模擬信號，流量計發(fā)出與流量成正比的脈沖信號，熱量積算儀采集來自3路傳感器的信號，利用傳熱公式計算出熱用戶獲得的熱量[2]。
熱量表一般采用焓差法計算熱量，焓差法的傳熱公式為：
2 熱量表硬件系統(tǒng)設計
2.1 溫度信號檢測
兩只溫度傳感器用來測量進水和回水的溫度。作為熱能表的溫度傳感器，目前常用的有鉑電阻和熱敏電阻兩種。與熱敏電阻相比較，鉑電阻具有測量精度高和阻值漂移小等優(yōu)點，因此本設計采用成對的PT1000鉑電阻作溫度傳感器。該傳感器在0～850℃范圍內的電阻值與溫度之間的關系可近似表示：
2.2 流量信號檢測
2.2.1 流量測量原理
本設計采用無磁智能流量傳感技術，即流量傳感器中不含任何磁性元器件，流量計中只有葉輪部分，而沒有齒輪組，完全消除了鐵銹水對表的影響，而且不受任何外界磁場的干擾。葉輪上有一個特殊的半金屬片，在轉盤的上面成90°角放置兩個電感線圈,通過一種LC振蕩阻尼電路，以非接觸的方式探測到葉輪上的無磁金屬片的轉動情況，然后直接向積算器輸出而省去了齒輪組部分。這樣既減少了表體內容易損壞的機械傳動部分，同時大大降低了功耗，通過這兩個諧振電路就可以測量轉盤的轉向和轉速。測量原理如圖3所示。
EFM32TG840F32的LESENSE模塊給傳感器提供激勵信號。電感L就會產生阻尼振蕩，阻尼系數(shù)取決于電感線圈和轉盤的相對位置。當傳感器在經(jīng)過有金屬的位置時，LC阻尼振蕩的振幅衰減速度快，如圖4(a)所示；相反，在經(jīng)過非金屬部分時，LC阻尼振蕩振幅衰減的速度就慢，如圖4(b)所示。MCU 檢測信號衰減，就可以判斷電感的狀態(tài)，從而測量出流速和旋轉方向。
2.2.2 流量檢測模塊
LESENSE是一個片上外設有控制能力的模塊，用于在很少或沒有CPU干預的情況下監(jiān)測不同的傳感器。LESENSE采用模擬比較器、ACMP來測量傳感器的信號。LESENSE也能控制DAC產生精確的參考電壓。
一個整體的LESENSE由序列發(fā)生器、計數(shù)器、比較模塊、解碼器、RAM模塊(用于配置和存儲結果)組成。序列發(fā)生器處理其他外設間的相互作用以及傳感器測量時間。在與一個閾值比較之前，計數(shù)器和比較模塊用來測量來自ACMP輸出的脈沖。為了自主分析傳感器的結果，LESENSE的解碼器定義了多達16個狀態(tài)的有限狀態(tài)機，并且在狀態(tài)轉換上進行可編程的行為。這使得解碼器實施了廣泛的解碼方案，比如正交解碼。RAM模塊用于配置和儲存測試結果。這就使得LESENSE在收集傳感器數(shù)據(jù)時有一個相當大的結果緩沖區(qū)使能芯片長時間保持在一個低能量模式。值得注意的是，在檢測傳感器信號時,LFACLK_LESENSE不應超過50 kHz。
2.2.3 信號處理
隨著葉輪轉動，兩個傳感器信號不斷變化。假設兩個傳感器分別連接LESENSE的CH_6和CH_12,如圖5所示，得出傳感器變化規(guī)律。脈沖計數(shù)器被用來計算轉速并探測旋轉方向的變化，利用軟件設定每個狀態(tài)對應的流量變化為1個單位，可實現(xiàn)流量轉換。
2.3 積算儀硬件電路
積算儀是熱量表的核心部分,主要完成數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、顯示、遠程通信及電池電壓監(jiān)控(電池電壓不足時發(fā)出警報)等功能。智能化熱量表積算儀以EFM32TG840單片機為核心，其系統(tǒng)框圖如圖6所示。
超低功耗單片機EFM32TG840作為無磁熱量表的微處理器，基表經(jīng)水流沖擊使得葉輪轉動，EFM32主要依靠檢測LESENSE外接的LC振蕩電路的阻尼振蕩波形變化來判斷外部電感量的變化，從而得到旋轉葉輪的轉動情況，無需外擴其他傳感器芯片。同時，EFM32片上帶有12 bit ADC,無需外擴ADC芯片即可與PT1000鉑電阻結合來實現(xiàn)高精度溫度檢測功能。其片上集成的LCD控制器可實現(xiàn)熱表液晶顯示屏的驅動，用于人機交互界面。模擬EEPROM則是負責單片機掉電后的重要數(shù)據(jù)恢復功能。此外，EFM32片內帶有RTC功能模塊，可用于時間記錄。熱表的通信接口可通過EFM32的兩路UART擴展為紅外通信接口及M-Bus/RS-485總線通信接口。EFM32的工作電壓范圍為1.8 V～3.8 V，因此能夠在3.6 V鋰電池直接供電的情況下工作，并且能夠兼容鋰電池的浮動電壓范圍,使得系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性大大提高。
2.4 系統(tǒng)的低功耗優(yōu)勢
在硬件和軟件設計方面降低系統(tǒng)功耗是本系統(tǒng)研究的一個重點。EFM32具有5種功耗模式，在RTC及低功耗模塊運行的EM3模式下，EFM32的功耗僅900 nA。EFM32的LESENSE、LEUART以及LETIMER模塊均為針對低功耗設計。LESENSE能夠在低功耗模式EM2下對流量進行檢測,無需CPU干預,待檢測完成后喚醒CPU進行數(shù)據(jù)的處理及運算。LEUART在9 600的波特率下僅為150 nA，且支持LEUART接口通信喚醒，適合于熱表通信總線中的低功耗應用。熱表系統(tǒng)中的溫度檢測ADC模塊在12 bit、1 MS/s的速率下功耗低至350 μA。驅動液晶屏顯示的LCD Controller能夠在低功耗模式下保持顯示8×36段的驅動功耗也只需0.55 μA。可見，EFM32的低功耗外設功能模塊非常適合于熱表方案的設計應用。
3 熱量表軟件系統(tǒng)設計
熱量表終端程序主要包括主程序、中斷服務子程序和功能子程序。系統(tǒng)在上電初始化后進入低功耗模式，并且由外部中斷或者定時器喚醒，這樣才能降低系統(tǒng)的功耗。軟件系統(tǒng)流程圖如圖7所示。
單片機需要處理的事件有溫度和流量測量、熱量計算、按鍵處理、LCD液晶顯示、數(shù)據(jù)存儲、電壓監(jiān)控、紅外通信以及M-Bus遠傳等。由上圖可知，系統(tǒng)上電初始化后進入低功耗模式，其他要處理或者實現(xiàn)的任務都要通過中斷喚醒，包括按鍵中斷、定時中斷、通信中斷等，整個程序按照輪詢的方式進行，自頂向下執(zhí)行完后單片機又進入低功耗模式狀態(tài)。按鍵采用狀態(tài)機建模方式，可以有效地避免中斷嵌套引起的沖突,并配合顯示子程序進行數(shù)據(jù)的實時顯示。為了防止單片機在長時間無人監(jiān)守的情況下運行異常，使用單片機內部的看門狗模塊來監(jiān)測程序的運行。
利用EFM32單片機設計的熱量表具有體積小、功耗低、精度高的特點，能支持紅外通信方式和M-Bus遠傳方式。同時軟件設計了動態(tài)流量補償方法，使得誤差減小，進一步提高了測量精度，因此具有更好的經(jīng)濟性和實用價值。
參考文獻
[1] 崔紅琴.中國熱量表行業(yè)發(fā)展進程概述[J].現(xiàn)代供熱, 2012(181):1-16.
[2] 劉全勝,李宏敏.熱能計量儀表及應用[J].煤氣與熱力，2000,20(2):134-135.
[3] (日)松井邦彥,著.傳感器應用技巧141例[M].梁瑞林,譯. 北京:科學出版社,2005.
[4] (美)BAKER B,著.嵌入式系統(tǒng)中的模擬設計[M].李喻奎,譯.北京:北京航天大學出版社，2006.