一種基于TDC―GP21的無(wú)線(xiàn)熱量采集終端設計

摘要：設計了一種應用時(shí)間測量芯片TDC—GP21實(shí)現流量和溫度測量，以CC2430作為微處理器的無(wú)線(xiàn)熱量采集終端。它具有精度高、功耗低、性能穩定、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，還能方便地實(shí)現無(wú)線(xiàn)遠程抄表，具有廣闊的應用前景。
關(guān)鍵詞：熱量表；TDC—GP21：超聲波流量計；CC2430

0 引言
能源問(wèn)題是關(guān)系到整個(gè)社會(huì )穩定、國民經(jīng)濟健康發(fā)展的重大問(wèn)題，隨著(zhù)當前能源緊缺形勢的加劇，我國越來(lái)越重視節能工作。目前，我國很多地區的供暖依舊采用按建筑面積收費，即包費制，這種“大鍋飯”式的收費方式嚴重地抑制了用戶(hù)的節能意識。而且隨著(zhù)人民生活水平的提高，商品意識不斷加強，這種舊體制已經(jīng)不能適應當前經(jīng)濟生活的發(fā)展。本文設計的無(wú)線(xiàn)熱量采集終端可以實(shí)現供熱系統按供熱量收費，一戶(hù)一表，達到公平、公正的原則，提高了用戶(hù)的節能意識，節能約20～30％。
目前熱量計量設備的種類(lèi)很多，按照流量計的不同可分為機械式(渦輪式、渦街式、孔板式)、電磁式、超聲波式等。機械式流量計對水質(zhì)的要求較高，微量的鐵屑或細沙等都會(huì )急劇降低測量精度甚至致使流量表短期內損壞。電磁式流量計對水流的導電率有要求，需要220V的高壓電源供電，功耗大，對電磁干擾敏感。而超聲波流量計克服了上述兩種流量計的缺點(diǎn)，超聲波探頭的材料為非磁性材料，不存在吸引鐵銹等問(wèn)題，對水質(zhì)要求較低、使用壽命長(cháng)、不易損壞，屬于非接觸測量，具有安裝、維護方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，我們設計的熱量采集終端采用超聲波法測量流量。
獲得熱量數據的方法有以下幾種，傳統的人工抄表費時(shí)、費力，且缺乏可靠性、實(shí)時(shí)性和準確性；有線(xiàn)抄表需要專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)，復雜且傳輸距離短，不適合當今社會(huì )和科技的發(fā)展；無(wú)線(xiàn)抄表解決了上述問(wèn)題，ZigBee技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的現代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它具有低速率、低功耗、低成本、短時(shí)延、免許可無(wú)線(xiàn)通信頻段、多種組網(wǎng)方式、近距離傳輸等特點(diǎn)。通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)GPRS(General Packet Rad io Service)是全球移動(dòng)通信系統(GSM)移動(dòng)電話(huà)可用的一種移動(dòng)數據業(yè)務(wù)，它非常適合遠程數據傳輸。
綜上所述，我們設計了用時(shí)間測量芯片TDC-GP21實(shí)現流量測量，用ZigBee無(wú)線(xiàn)單片機CC2430實(shí)現管理和短距離無(wú)線(xiàn)數據傳輸的無(wú)線(xiàn)熱量采集終端。結合GPRS遠程無(wú)線(xiàn)數據傳輸即可方便地組成遠程無(wú)線(xiàn)熱量抄表系統。該無(wú)線(xiàn)熱量采集終端具有測量準確、功耗低、實(shí)時(shí)性好、能夠遠程抄表等優(yōu)點(diǎn)。

1 無(wú)線(xiàn)熱量采集終端的工作原理
熱量表主要用于測量及顯示水流經(jīng)熱交換系統所吸收或釋放的熱能量，是供熱體系中按熱量計量收費的關(guān)鍵儀表。熱量表設計的依據是熱力學(xué)吸熱定律，即Q=c×m×(t2-t1)，其中，c是比熱容，m是質(zhì)量，(t2-t1)是溫度差。超聲波熱量表是在超聲波流量計的基礎上加上溫度測量，由流體的流量和進(jìn)、出水溫差來(lái)計算出向用戶(hù)提供的熱量。其中流量測量部分的工作原理是由超聲波在順流和逆流時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間差得出水的流速，再由水的流速推導出瞬時(shí)流量，累積后得到流量信息。在工作過(guò)程中應用一對超聲波換能器相向交替收發(fā)超聲波，首先通過(guò)適當的發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，超聲波以一定的角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔?，以便檢測。

由式(7)可以看出：在管道情況確定時(shí)，流體流量與順、逆流時(shí)間差成正比，通過(guò)測量時(shí)差可達到測量流量的目的，而在實(shí)際應用中，時(shí)差的測量是比較容易實(shí)現的。
最終，得到熱量的計算公式：

其中，Q為熱交換系統釋放或吸收的熱量，單位為J；qm為流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量，單位為kg／h；△h為熱交換系統中進(jìn)口和出口溫度下的比差，單位為J／kg；t為時(shí)間，單位為s；ρ為流經(jīng)熱量表的水的密度，單位為kg／m3；qv為流經(jīng)熱量表的水的體積，單位為m3。
當水流經(jīng)供熱系統時(shí)，根據測得的流量值和進(jìn)、出水溫度以及供熱時(shí)間，就能計算出該段時(shí)間內供熱系統所釋放的熱量，從而為管理系統提供收費依據。