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。
图1 无磁热能表原理图
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
（1）
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SCANIF，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。
2.1 无磁热能表的温度检测模块设计
图2 无磁热能表硬件设计框图
温度检测部分所采用的探头选用符合IEC-751标准的薄膜铂电阻———PT1000，在0～150℃范围内，其电阻值与温度之间呈现良好的线性关系，电阻值的变化率为3.850Ω/℃。模数转换电路的设计借鉴了SlopeAD的A/D转换原理，转换电路包括一个阻容充放电电路，模拟选通开关（CD74HC4052）、MSP430FW427内部精密比较器及内部定时器。A/D转换精度可达到15位，用低成本的方案就能达到精度要求。温度采集部分电路如图3所示。
图3 温度采集部分电路
2.2 无磁热能表的流量检测模块设计
影响热网热能计量系统运行质量的重要症结不是二次仪表技术和测温技术，而是流量测量技术。几乎所有的工业流量计都在一些热计量场合进行了应用，而相当数量的流量计却因各种原因难以保证测量准确度而被取下[8]。本表采用的流量计，经过反复试验具有良好的测量精度和稳定性。
2.2.1 流量计的检测原理
无磁流量检测是根据LC振荡电路的阻尼振荡原理来实现的，见图4所示。把图4中电感置于叶轮的上方可以检测到叶轮的转动，叶轮的一半敷有阻尼性金属（如铜等）。由电感在叶轮上方的位置决定LC振荡回路的阻尼系数，电感位于上半区域（深色区域）时，回路的阻尼系数高于电感位于下半区域时。通过测量LC振荡回路的阻尼系数，可以实现对叶轮转数的测量。
图4 无磁流量检测示意图
2.2.2 流量检测模块的设计
流量检测部分采用了单流束的旋翼式机表，通过无磁检测的方式来计算叶轮转动的圈数。检测电路由MSP430FW427内部的SCANIF模块以及外部LC振荡电路组成。通过内部程序来设置SCANIF模块相应的寄存器来达到不同的检测模式。本系统采用双电感检测模式，在检测流量的同时还能得到液体流动的方向。流量检测部分电路如图5所示。
图5 流量检测部分电路
2.3 无磁热能表的485通讯模块设计
作为民用的计量仪表，如何收费是一个很重要的问题。本系统的设计就为网络化集中收费提供了接口，通过485连接可以组成一个收费及监控网络，实现了自动收费功能。通讯采用ModBus协议，热能表作为从站挂在总线上，可以提供对温度、流量、热量等数据的查询。
按键模块及LCD模块给用户提供了一个交互接口，用户可以通过按键查看相应的信息，信息通过LCD显示出来。热量表主要的信息为进出水的温度、总的流量值、总的热量值；同时还可以查看当前的流速，系统时间等。
2.4 基于MSP430FW427的无磁热能表的软件开发
软件设计重要的目标是低功耗，在软件程序的编写上尽量使MCU处于休眠状态。MCU只能被特定的事件中断唤醒，回到活动模式，在活动模式下主程序查询各个标志位，处理相应的系统功能，而后回到休眠状态等待事件中断的唤醒。热量表的软件流程见图6所示。
图6 热量表的软件流程框图
SCANIF无磁流量检测模块内部有一个比较器，比较器的一端输入是连在一个10位DAC（数模转换，输出电压值）的输出口上，通过设置DAC的数值可以改变输出的电压值。DAC的值手动调整效率很低，不适于生产。本方案设计了一个自动调整DAC值的程序。机表叶轮处于转动状态，将DAC的值置成最大（1024），等待一段时间后检测比较器的输出，比较器的输出没有变化，则DAC的值减1，直到输出发生变化为止；再将DAC的值置成最小，用同样的方法直到输出发生变化为止。将两次的值取平均即可得到合适的DAC值，如
2.5 基于MSP430FW427的无磁热能表应用的实践检测
在实际应用中，采用分量检定的方式，即分别检定热能表的温度及计算器精度和流量精度的方式来标定热能表的准确度[9]。表1和表2给出了检定中得到的数据，从中可以看出，该热能表在计量精度和工作稳定性上的优势。
3 结束语
基于MSP430FW427无磁热能表是一款低功耗、低成本、高性能的热量计量表，由于采用了专用MCU、无磁流量计等技术，使得热表很好的克服了传统热表的技术缺陷，具有良好的计量精度和稳定性及耐用性，能够为我国实现按热量计费的供暖方式提供技术基础。
参考文献：
[1] 胡豫杰，张志刚，常茹.浅议我国热计量方法的选用与发展方向[J].天津城市建设学院学报，2001，7（4）：2822284.
[2] 哈靖蜻，梁军汀，卢杰，等小口径超声波热能表的研制[J].声学技术，2008（10）：1782179.
[3] 国家质检总局.重点管理的计量器具目录（第二批）[S].北京：国家质检总局，2007.
[4] 谭慧勇，孔祥平，朱江.有磁热量表和无磁热量表的对比分析[EB/OL].（2009205209）
[5] 马彪，孙艳霞.低功耗热量表设计[J].科技资讯，2008（23）：38239.
[6] 胡大可.MSP430系列Flash型超低功耗16位单片机[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.
[7] 魏小龙.MSP430系列单片机接口电路及系统设计实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[8] 马长虹.浅谈集中供热领域热能表的检测技术[J].应用能源技术，2007（9）：46247，50.
[9] 李国祥，吕士健，王树铎，等.中华人民共和国城镇建设行业标准———热能表[S].北京：中国标准出版社，2000.
