摘  要： 以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)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(cè)量原理與方法，利用軟件編程提高了流量和溫度測(cè)量精度。選用EFM32TG840F32內(nèi)置低功耗傳感器接口LESENSE和LC傳感器進(jìn)行無磁流量測(cè)量，避免了由磁場(chǎng)引起的干擾；設(shè)計(jì)了一種恒流源測(cè)溫方法，提高了測(cè)溫精度，從而提高了熱量表整機(jī)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，總體達(dá)到了降低功耗、節(jié)省能源的目的。
關(guān)鍵詞： 熱量表；EFM32單片機(jī)；低功耗；溫度測(cè)量;流量測(cè)量

    熱量表是供熱體系中按熱量計(jì)量收費(fèi)的關(guān)鍵儀表和重要依據(jù)，其測(cè)量精度和工作穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)至關(guān)重要。我國(guó)北方地區(qū)于2003年開始進(jìn)行供熱體制改革，2006年開始推行熱量表，2010年2月國(guó)家頒布《關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)供熱計(jì)量改革意見》，要求按計(jì)劃逐步實(shí)現(xiàn)按熱量計(jì)價(jià)收費(fèi)[1]?；诖耍兄崎_發(fā)低成本且符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的熱量表是大勢(shì)所趨。本文主要針對(duì)現(xiàn)有熱量表，重點(diǎn)在低功耗和智能化兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)，現(xiàn)處于試驗(yàn)研究階段。
1 熱量表結(jié)構(gòu)及原理
    熱量表結(jié)構(gòu)如圖1所示。將一對(duì)溫度傳感器分別安裝在通過載熱流體的進(jìn)水管和回水管上，流量計(jì)安裝在進(jìn)水管或回水管上，溫度傳感器給出表示溫差的模擬信號(hào)，流量計(jì)發(fā)出與流量成正比的脈沖信號(hào)，熱量積算儀采集來自3路傳感器的信號(hào)，利用傳熱公式計(jì)算出熱用戶獲得的熱量[2]。

    熱量表一般采用焓差法計(jì)算熱量，焓差法的傳熱公式為：
   
2 熱量表硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 溫度信號(hào)檢測(cè)
    兩只溫度傳感器用來測(cè)量進(jìn)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(cè)量精度高和阻值漂移小等優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)采用成對(duì)的PT1000鉑電阻作溫度傳感器。該傳感器在0～850℃范圍內(nèi)的電阻值與溫度之間的關(guān)系可近似表示：                        

2.2 流量信號(hào)檢測(cè)
2.2.1 流量測(cè)量原理
    本設(shè)計(jì)采用無磁智能流量傳感技術(shù)，即流量傳感器中不含任何磁性元器件，流量計(jì)中只有葉輪部分，而沒有齒輪組，完全消除了鐵銹水對(duì)表的影響，而且不受任何外界磁場(chǎng)的干擾。葉輪上有一個(gè)特殊的半金屬片，在轉(zhuǎn)盤的上面成90°角放置兩個(gè)電感線圈,通過一種LC振蕩阻尼電路，以非接觸的方式探測(cè)到葉輪上的無磁金屬片的轉(zhuǎn)動(dòng)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(nèi)容易損壞的機(jī)械傳動(dòng)部分，同時(shí)大大降低了功耗，通過這兩個(gè)諧振電路就可以測(cè)量轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。測(cè)量原理如圖3所示。

    EFM32TG840F32的LESENSE模塊給傳感器提供激勵(lì)信號(hào)。電感L就會(huì)產(chǎn)生阻尼振蕩，阻尼系數(shù)取決于電感線圈和轉(zhuǎn)盤的相對(duì)位置。當(dāng)傳感器在經(jīng)過有金屬的位置時(shí)，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(shí)，LC阻尼振蕩振幅衰減的速度就慢，如圖4(b)所示。MCU 檢測(cè)信號(hào)衰減，就可以判斷電感的狀態(tài)，從而測(cè)量出流速和旋轉(zhuǎn)方向。
2.2.2 流量檢測(cè)模塊
    LESENSE是一個(gè)片上外設(shè)有控制能力的模塊，用于在很少或沒有CPU干預(yù)的情況下監(jiān)測(cè)不同的傳感器。LESENSE采用模擬比較器、ACMP來測(cè)量傳感器的信號(hào)。LESENSE也能控制DAC產(chǎn)生精確的參考電壓。
    一個(gè)整體的LESENSE由序列發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、比較模塊、解碼器、RAM模塊(用于配置和存儲(chǔ)結(jié)果)組成。序列發(fā)生器處理其他外設(shè)間的相互作用以及傳感器測(cè)量時(shí)間。在與一個(gè)閾值比較之前，計(jì)數(shù)器和比較模塊用來測(cè)量來自ACMP輸出的脈沖。為了自主分析傳感器的結(jié)果，LESENSE的解碼器定義了多達(dá)16個(gè)狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)，并且在狀態(tài)轉(zhuǎn)換上進(jìn)行可編程的行為。這使得解碼器實(shí)施了廣泛的解碼方案，比如正交解碼。RAM模塊用于配置和儲(chǔ)存測(cè)試結(jié)果。這就使得LESENSE在收集傳感器數(shù)據(jù)時(shí)有一個(gè)相當(dāng)大的結(jié)果緩沖區(qū)使能芯片長(zhǎng)時(shí)間保持在一個(gè)低能量模式。值得注意的是，在檢測(cè)傳感器信號(hào)時(shí),LFACLK_LESENSE不應(yīng)超過50 kHz。
2.2.3 信號(hào)處理
    隨著葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)傳感器信號(hào)不斷變化。假設(shè)兩個(gè)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(jì)數(shù)器被用來計(jì)算轉(zhuǎn)速并探測(cè)旋轉(zhuǎn)方向的變化，利用軟件設(shè)定每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的流量變化為1個(gè)單位，可實(shí)現(xiàn)流量轉(zhuǎn)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(chǔ)、顯示、遠(yuǎn)程通信及電池電壓監(jiān)控(電池電壓不足時(shí)發(fā)出警報(bào))等功能。智能化熱量表積算儀以EFM32TG840單片機(jī)為核心，其系統(tǒng)框圖如圖6所示。
    超低功耗單片機(jī)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(zhuǎn)動(dòng)，EFM32主要依靠檢測(cè)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(zhuǎn)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，無需外擴(kuò)其他傳感器芯片。同時(shí)，EFM32片上帶有12 bit ADC,無需外擴(kuò)ADC芯片即可與PT1000鉑電阻結(jié)合來實(shí)現(xiàn)高精度溫度檢測(cè)功能。其片上集成的LCD控制器可實(shí)現(xiàn)熱表液晶顯示屏的驅(qū)動(dòng)，用于人機(jī)交互界面。模擬EEPROM則是負(fù)責(zé)單片機(jī)掉電后的重要數(shù)據(jù)恢復(fù)功能。此外，EFM32片內(nèi)帶有RTC功能模塊，可用于時(shí)間記錄。熱表的通信接口可通過EFM32的兩路UART擴(kuò)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(dòng)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(shì)
    在硬件和軟件設(shè)計(jì)方面降低系統(tǒng)功耗是本系統(tǒng)研究的一個(gè)重點(diǎn)。EFM32具有5種功耗模式，在RTC及低功耗模塊運(yùn)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(duì)低功耗設(shè)計(jì)。LESENSE能夠在低功耗模式EM2下對(duì)流量進(jìn)行檢測(cè),無需CPU干預(yù),待檢測(cè)完成后喚醒CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理及運(yùn)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(yīng)用。熱表系統(tǒng)中的溫度檢測(cè)ADC模塊在12 bit、1 MS/s的速率下功耗低至350 μA。驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)功耗也只需0.55 μA?？梢?，EFM32的低功耗外設(shè)功能模塊非常適合于熱表方案的設(shè)計(jì)應(yīng)用。
3 熱量表軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　熱量表終端程序主要包括主程序、中斷服務(wù)子程序和功能子程序。系統(tǒng)在上電初始化后進(jìn)入低功耗模式，并且由外部中斷或者定時(shí)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(jī)需要處理的事件有溫度和流量測(cè)量、熱量計(jì)算、按鍵處理、LCD液晶顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電壓監(jiān)控、紅外通信以及M-Bus遠(yuǎn)傳等。由上圖可知，系統(tǒng)上電初始化后進(jìn)入低功耗模式，其他要處理或者實(shí)現(xiàn)的任務(wù)都要通過中斷喚醒，包括按鍵中斷、定時(shí)中斷、通信中斷等，整個(gè)程序按照輪詢的方式進(jìn)行，自頂向下執(zhí)行完后單片機(jī)又進(jìn)入低功耗模式狀態(tài)。按鍵采用狀態(tài)機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。為了防止單片機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間無人監(jiān)守的情況下運(yùn)行異常，使用單片機(jī)內(nèi)部的看門狗模塊來監(jiān)測(cè)程序的運(yùn)行。
    利用EFM32單片機(jī)設(shè)計(jì)的熱量表具有體積小、功耗低、精度高的特點(diǎn)，能支持紅外通信方式和M-Bus遠(yuǎn)傳方式。同時(shí)軟件設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)流量補(bǔ)償方法，使得誤差減小，進(jìn)一步提高了測(cè)量精度，因此具有更好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 崔紅琴.中國(guó)熱量表行業(yè)發(fā)展進(jìn)程概述[J].現(xiàn)代供熱, 2012(181):1-16.
[2] 劉全勝,李宏敏.熱能計(jì)量?jī)x表及應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2000,20(2):134-135.
[3] (日)松井邦彥,著.傳感器應(yīng)用技巧141例[M].梁瑞林,譯. 北京:科學(xué)出版社,2005.
[4] (美)BAKER B,著.嵌入式系統(tǒng)中的模擬設(shè)計(jì)[M].李喻奎,譯.北京:北京航天大學(xué)出版社，2006.