专利名称：超声波热量表的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种热量表，特别涉及一种超声波热量表。
背景技术：
现在普遍使用的机械式热量表的测量部件多采用叶轮结构，对水质的要求高，易造成叶轮轴承的磨损，外界环境变化对测量有较大的影响，故障率高，使用寿命短，因此传统的方法对于过程计量本身就存在较大的难度，而且存在测量误差大，修正因素多等问题，很难完成高精度的测量，而且许多热量表功耗很大，无法满足电池长期驱动的要求，限制了热量表的应用。此外，众多热量表对存储的计量数据、表计参数等重要信息没有分配独立的备份存储芯片，当存储芯片出现异常甚至损坏时，将造成重要数据丢失。不难看出，目前的热量表存在着热量计量结果的精度和准确性不高，管段施工和安装不够方便和灵活、功耗比较大和使用寿命短等缺点。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种高精度、高准确性和低功耗的超声波热量表。本实用新型提供的这种超声波热量表，包括单片机、LCD显示模块、电源模块、超声波收发模块、温度测量模块、输入输出模块、键盘输入模块、串口通讯模块、计时模块和数据存储模块，单片机控制计时模块产生时钟脉冲，计时模块通过SPI端口与单片机通信，同时给超声波收发模块和温度测量模块提供时钟脉冲信号，并接收超声波收发模块和温度测量模块的测量数据，同时将这些数据传至单片机，数据存储模块用于将数据分类且分芯片存储。所述数据存储模块包括重要数据存储芯片、备份存储芯片和校表数据存储芯片，重要数据存储芯片用于储存热量表参数、热量存储的重要历史数据、表计事件状态数据，备份存储芯片用于备份热量参数及热量计量数据和掉电数据，校表数据存储芯片用于存储表计流量、温度标定参数和热量计量修正数据。所述单片机采用美国TI公司的十六位超低功耗单片机芯片，其型号为MSP430F4793。所述计时模块采用德国ACAM公司的专用数字时间转换芯片，其型号为TDC_GP21。本实用新型采用超声波技术，根据时差法测量的基本原理，选用了专用数字时间转换芯片以及超低功耗16位单片机芯片，实现了高精度、高准确性、低功耗的系统设计。此夕卜，根据数据类型对存储单元进行分类管理，将存储单元划分为多个芯片，把不同重要级别的数据分别存储在不同的芯片之中，同时为热量表参数及热计量等重要数据添加备份芯片，有效降低数据因存储器损坏而丢失的几率；增加重要数据备份的存储芯片能有效提高数据保存的可靠性，从而具备自恢复功能。
图1是本实用新型的结构示意框图。[0008]图2是本实用新型的计量模块电路图。图3是本实用新型的数据存储模块电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。如图1所示，本实用新型包括单片机、IXD显示模块、电源模块、超声波收发模块、温度测量模块、输入输出模块、键盘输入模块、串口通讯模块、计时模块和数据存储模块，单片机控制计时模块产生时钟脉冲，计时模块通过SPI端口与单片机通信，同时给超声波收发模块和温度测量模块提供时钟脉冲信号，并接收超声波收发模块和温度测量模块的测量数据，同时将这些数据传至单片机，数据存储模块用于将数据分类且分芯片存储。本实用新型的单片机采用美国TI公司的十六位超低功耗单片机芯片，其型号为MSP430F4793。其内嵌硬件乘法器，可以实现复杂的滤波及补偿算法，计算精度高，内嵌的液晶控制器可以驱动160段液晶屏，可以满足系统的低功耗设计要求。本实用新型计量核心部分为流量的测量和温度的测量，流量的测量采用超声波时差法方式应用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法。温度测量原理电容充放电法，即不同阻值的电阻对同一电容充电或放电到某一电压值时所需时间不同的原理，来间接反映电阻阻值大小，再根据电阻值与温度的对应关系计算出温度值。综上所述，计量的关键技术为时间的测量，本实用新型计量芯片采用德国ACAM公司的专用数字时间转换芯片，其型号为TDC_GP21。计量芯片通过SPI端口与微控制器通信，通过采用利用现代化的纯数字化CMOS技术，将时间间隔的测量量化到22ps的精度，保证计量的高精度和高准确性。如图2所示，本实用新型的计量模块电路，包括超声波收发模块(用于流量测量)和温度测量模块。超声波收发电路(即流量测量)的工作原理单片机控制时钟转换芯片的脉冲发生器产生脉冲，激励其中一个换能器产生超声波信号，该换能器则作为发射换能器，另一个未被激励的换能器则作为接收换能器，同时该脉冲信号产生一个START信号，数字时间转换芯片U13内部的计时单元开始计时。计时开始，发射换能器产生的超声波经过管道中的液体传播到对面，经过一个时间间隔后，对面的接收换能器接收到超声波信号，产生一个响应电信号，即接收信号，然后数字时间转换芯片U13对其进行过零检测以确定信号到达的时刻，同时产生一个较稳定的STOP信号。STOP信号让数字时间转换芯片U13的计时单元停止计时，至此计时完成。单片机从数字时间转换芯片U13的寄存器中读取超声信号在该方向声程中的传播时间，接着切换两个换能器的收发功能，同样的处理可得到另一方向声程中的传播时间，再由单片机进行数据处理，即可得到流量值。图中，信号端FIREA和信号端FIREB分别接至具有发射和接收功能的两个换能器，晶振U12为一个4M的陶瓷晶振，数字时间转换芯片U13的引脚CLK32IN由单片机提供了一个32. 768Khz的低频信号，其中晶振U12作为数字时间转换芯片U13内部的高速时钟，由于该晶振本身误差较大，且具有明显的温漂，故由单片机发送的32. 768Khz的低频信号用来对该晶振进行校准。图中，引脚FIRE_UP和引脚FIRE_DOWN为数字时间转换芯片U13的输出引脚。首先，由于数字时间转换芯片U13内嵌脉冲发生器，单片机通过对其初始化以及对其内部寄存器进行设置，同时对其发送启动脉冲发送器命令Start_Cycle。数字时间转换芯片U13产生频率为1MHz、脉冲个数为15个的脉冲序列。此脉冲信号由引脚FIRE_UP和引脚FIRE_DOWN输出。数字时间转换芯片U13通过其内部的检测，确认信号是否传至分别与该芯片相连的两个换能器。如果数字时间转换芯片U13确认该脉冲信号已达到这两个换能器，则产生稳定的STOP信号，由引脚ST0P_UP和引脚ST0P_D0WN输出，分别传至两个换能器，让其停止检测。之后，该数字时间转换芯片U13对其计时数据进行计算，完成计算后产生中断，发至单片机。单片机接收该芯片U13的中断信号INTGP2后，读取该芯片U13的内部寄存器，得到相应的时间数据。图中，引脚PT1_1和引脚PT1_2分别接至两支温度传感器的正端，引脚PT_C0M接至此两支温度传感器的负端。在进行温度测量过程中，单片机向数字时间转换芯片U13发送命令Start_Temp，开启温度测量功能。该芯片U13自动完成电容放电时间测量。测量完毕后，由单片机读取该测量时间值，再通过单片机内部的温度计算程序算出温度值，从而完成温度的测量。如图3所示，本实用新型的数据存储模块包括3块EEPROM类型的存储芯片，它们分别是重要数据存储芯片U18、备份存储芯片U19和校表数据存储芯片U3。重要数据存储芯片U18用于储存热量表参数、热量存储的重要历史数据和表计事件状态数据；备份存储芯片U19用于备份热量参数及热量计量数据和掉电数据；校表数据存储芯片U3用于存储表计流量、温度标定参数和热量计量修正数据。
权利要求1.一种超声波热量表,包括单片机、LCD显不模块、电源模块、超声波收发模块、温度测量模块、输入输出模块、键盘输入模块、串口通讯模块，其特征在于，还包括计时模块和数据存储模块，单片机控制计时模块产生时钟脉冲，计时模块通过SPI端口与单片机通信，同时给超声波收发模块和温度测量模块提供时钟脉冲信号，并接收超声波收发模块和温度测量模块的测量数据，同时将这些数据传至单片机，数据存储模块用于将数据分类且分芯片存储。
2.根据权利要求1所述的超声波热量表，其特征在于，所述数据存储模块包括重要数据存储芯片(U18)、备份存储芯片(U19)和校表数据存储芯片(U3)，重要数据存储芯片(U18)用于储存热量表参数、热量存储的重要历史数据、表计事件状态数据，备份存储芯片(U19)用于备份热量参数及热量计量数据和掉电数据，校表数据存储芯片(U3)用于存储表计流量、温度标定参数和热量计量修正数据。
3.根据权利要求1所述的超声波热量表，其特征在于，所述单片机采用美国TI公司的十六位超低功耗单片机芯片，其型号为MSP430F4793。
4.根据权利要求1所述的超声波热量表，其特征在于，所述计时模块采用德国ACAM公司的专用数字时间转换芯片，其型号为TDC_GP21。
专利摘要本实用新型公开了一种超声波热量表，包括单片机、LCD显示模块、电源模块、超声波收发模块、温度测量模块、输入输出模块、键盘输入模块、串口通讯模块、计时模块和数据存储模块，单片机控制计时模块产生时钟脉冲，计时模块通过SPI端口与单片机通信，同时给超声波收发模块和温度测量模块提供时钟脉冲信号，并接收超声波收发模块和温度测量模块的测量数据，同时将这些数据传至单片机，数据存储模块用于将数据分类且分芯片存储。本实用新型将不同的数据存储于不同芯片中，有效降低数据因存储器损坏而丢失的几率；有效提高数据保存的可靠性，具备自恢复功能；同时也实现了高精度、高准确性、低功耗的系统设计。
文档编号G01F1/66GK202916027SQ201220675099
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月10日 优先权日2012年12月10日
发明者张慧娟, 黄深喜, 冯喜军, 蒋灿, 谢阿林, 蒋罗庚, 宁顺刚, 欧阳丽莎, 邱云松 申请人:湖南威铭能源科技有限公司