基于MSP430FW427无磁热能表的设计

　　伴随着全球能源危机问题的不断加深,节能减排已成为一项全球性的课题。目前我国北方的大部分地区城市供暖面积已达8·6亿平方米,遍布15个省、自治区和直辖市,已形成一定的规模[1],而城镇居民采取的集中供暖一般采用按面积收费的方式,使用户缺少监测和控制手段,无法完成按需采暖,从而造成了对供暖热能的浪费。为改变这种模式所带来的弊端,应采用按所消耗的热量方式计费,因而热量计量表在国内的需求非常大。但由于目前国内市场上绝大多数为国产的机械式或电磁式热能表[2],其准确性、稳定性及耐用性均较差,因而研发计量精度高、稳定性好、低功耗、低成本的新型热能表成为解决这一问题的关键因素。2007年我国将热能表新增为重点管理的计量器具[3],这充分说明了该产品的重要性。国内市场上热表主要有进口热表、机械表、超声波表及无磁热能表。由于国内供暖系统的水质较差,含有大量的铁锈等杂质,进口产品因在国内的适应性较差,很少采用;传统机械式热能表的流量计采用有磁检测方式,从而导致热表出现如抗干扰能力低,精度差,易堵塞,吸附铁质后磨损增加,降低使用寿命及长时间在热水中浸泡发生磁铁退磁现象等问题[4],也难以满足工程应用的需要。超声波表虽然具有流量测量精度高、稳定性好的特点,但其成本高,给居民造成很大经济负担而难以推广。近两年无磁热能表在国内开始起步,市场上可以找到一部分无磁热能表,但由于多采用搭建电路及传统流量计,致使产品功能和稳定性存在缺陷,无法满足长时间精确计量的工程要求。为此,本项目组研发了基于MSP430FW427的无磁热能表和新型流量计,解决了上述问题。

　　1　工作原理

　　热能表是利用热水作为传热媒介的户用采暖系统计量器具,用于计量热水通过进水管道和回水管道所释放的热量。其工作原理是根据流量计提供的流经管道的热水体积和配对温度传感器测量进水与回水的温度数据并送至微处理器,计算出消耗的热能,热能数据经处理后在LCD上显示出来[5]。图1是实现热量计算的原理框图。热量计算需要两个参数:进出水的温度差和水的流量,通过微处理器(MCU)来计算完成。本设计采用了焓差法进行热量计算,其计算公式为

　　式中,Q为释放的热量,kJ;qm为流经热量表载热流体的流量,kg/s;hf和hr为热交换回路中入口温度和出口温度对应的载热液体的比焓值,kJ/kg;t为时间,s。

　　2　硬件设计

　　TI公司推出的MSP430FW427在超低功耗和相关功能集成上有很大的特点[6]。它内部集成了高性能模拟电路和16位精简指令集结构,16寄存器和常数寄存器,达到最大的代码效率,具有很强的处理能力和运行速度。此外,片内集成了用于流量检测的功能模块SCAN IF,可以实现低功耗、精确、稳定以及实时的无磁流量检测[7]。因此,系统选用MSP430FW427作为MCU。图2给出了热能表的硬件设计框图。