0 引言
热量表是计量热交换回路中释放热量的一种仪表，是国内供暖系统按热量收费改革后的主要计量器具，在整个系统中占据重要的作用。热量表计算热量时，需要采集进、出水管道两路水的温度值和管道中水的流量值，然后代入热量计算公式计算，由此可见，温度采集模块的计算效率、精度和准确率对热量表的整体性能具有重要影响。传统的热量表温度计算方法是由测量电压值得到电阻值，再由电阻值得到温度值，计算繁琐，效率低下，且温度传感器的分度表占用微处理器较大的存储空间［1］。文中对热量表中的温度模块进行研究，设计了高精度硬件采集电路，根据最小二乘法的原理拟合管道中水的温度－电压公式，提高了热量表温度采集模块的计算效率和精度，降低了计算的复杂程度。
1 系统组成及工作原理
热量表温度模块主要由电源电路、温度传感器电路、信号调理电路和A/D转换电路组成，系统组成框图如图1所示。
电源电路为整个系统供电和提供A/D转换的基准；温度传感器和信号调理电路把环境温度信号转换成稳定的电压信号；A/D转换电路把模拟信号转换成数字信号。为有效降低系统的功耗，采用了定时采集加分时供电的方式，当温度采集时间到后，开启温度模块的电源，延时一段时间后，采集进、出水口的温度信号值，根据特定的对应关系计算出液体的温度，为热量的计算做好准备，显示电路的功能是对信息进行显示，待处理完毕后关闭温度模块的电源。
图1 温度采集电路组成框图
2 硬件电路设计及其数学模型
2.1测温电路硬件电路设计
温度传感器选用精度、稳定性、一致性更好的铂电阻PT1000，在应用中严格进行配对，以保证入水口和出水口测温传感器的一致性。测温电路采用三线制桥式测量电路，以此消除导线线路电阻带来的测量误差［2］。温度采集电路图如图2所示，其中R1=R8，R2=R9，R5=R7。
电源电路（U7、C1、C2、Q1、R10、R11）中，Q1是用于电源开关控制，当不需要转换时，可以关闭采集电路的电源，以达到降低系统功耗的目的；U7是高精度电源芯片，为桥式电路提供基准电压和为A/D转换电路提供用于转换的参考电压源，同时为放大器供电。U7选用超低功耗、高精度3V的基准电源芯片LT6656-3，工作电流仅为850nA，初始误差小于0.05%，温度漂移低于10ppm/℃（1ppm=10－6），适用于高精度A/D系统中。
图2 温度采集电路
桥式测量电路（R3、R4、RPT1、R25）中，RPT1是温度传感器PT1000，用于检测管道中水的温度；R25是可变电阻，用于0℃时的校准，经过校准后接入电路的R25是固定电阻。为了避免电流通过铂电阻PT1000时使其自身产生的热量影响测量精度，在设计电路时应使流过铂电阻的电流不大于5mA，这就对R3和R4的阻值有一定的要求，要进行合理选取，设计选用的是9.1kΩ.
信号调理电路（U1、U2、U3、R1、R2、R5、R6、R7、R8、R9、R12、C3）中的R12和C3在调理电路的输出端和ADC的输入端之间组成的简单的RC低通抗混叠滤波器，用来减少带外噪声；U1、U2和U3，3个运放组成典型的三运放仪表放大器，用以对桥式电路输出的微弱信号进行放大，选用的是轨到轨输入/输出的低成本、微功耗、低噪声CMOS运算放大器SGM8521，该器件具有150kHz的带宽增益积，工作电压范围为2.1～5.5V，输入失调电压为0.8mV，静态电流为4.7μA，因此非常适合在超低功耗的系统中使用。
由电路图2中电阻之间的关系可知，放大电路的放大倍数为A=U0/（UP－Un）=（1+2R5/R6）（R2/R1）。由PT1000的分度表可知，在水的温度为0℃的时候，电桥的输出电压时0V，当应用系统中水的温度达到最高温度100℃的时候电桥的输出电压时0.099264V，若直接用MSP430F149内含的12位的A/D转换器对该信号进行采集，则分辨率达不到热量表的温度采集模块0.1℃的要求，因此必须对该信号进行放大后再送往单片机进行A/D转换。考虑到A/D参考基准电压是3V，若把信号放大30倍，在水的温度0～100℃范围内对应的输出电压值为0～2.977920V，这样既可满足要求。
2.2 测温电路数学模型
由于PT1000的分度表过于庞大，进行查表运算时要占用系统较大的存储空间，且每次查找时要花费相当长的时间，系统利用最小二乘法得到了一个电压－温度的关系式，这样用一个简单的多项式就可以利用采集到的电压值直接计算出对应的温度值，避免了复杂的查表和插值计算，有利于系统的低功耗。
由于热量表中温度测量单元的检测温度为0～100℃，经信号调理电路处理后对应的输出电压0～2.9779V，在0～100℃范围内均匀的选取一系列的参考温度点，并计算出转换后精确的电压值，作为多项式拟合的数据源，系统数据源在0～100℃之间均匀的选取21个数据，拟合源数据如表1所示。
表1 曲线拟合源数据
为提高拟合多项式的精度，选用的是三次多项式作为目标函数，表达式为：
式中：y为温度值，℃；x为电压值，V；α0，αα，α2，α3为待定系数。
由最小二乘法拟合多项式的原理 可得
把参数代入式（2），计算出α0、α1、α2、α的值，即得到所要拟合的多项式的表达式：
t=－0.0005+31.8728u+0.5387u2+0.0117u3 （3）
式中：u为测量得到的电压值，V；t为电压对应的温度值，℃.
3 软件设计
温度测量程序主要是取得进水口和出水口的水的温度值，对采集后的数据进行滤波处理以提高准确率，滤波方式有硬件滤波和软件滤波，由于硬件滤波要增加额外的器件，在提高测温电路的成本的同时也增大了系统的功耗，系统选用的软件滤波方式。在对温度测量后的数据处理中，先采用分布图法剔除温度采集环节中出现的疏忽误差［4］，然后利用算术平均值的方法进行滤波，这样就消除传感器有限的采集信息中的不准确的数据源，其具体计算过程如下：
（1）对取得的测量数组X1，X2，…，XN进行从小到大的排序，得到有序测量序列Y1，Y2，…，YN；
（2）从上述有序测量系列中取得上限值、下限值和中位值，其中上限值是YN，下限值是Y1，中位值YM
（3）确定上述有序测量序列的上四分位数Pu和下四分位数Pd，其中上四分位数Pu是区间［YM，YN］的中位值，下四分位数Pd是区间［Y1，YM］的中位值；
（4）确定四分位离散度dP，进而确定有效的数据区间；
（5）对采集的数据序列进行判断，若在有效区间内则保留，否则剔除，最后计算有效数据的算术平均值。程序流程图如图3所示。
图3 温度采集程序流程图
为实现低功耗设计，温度采集模块是采用定时采集方式进行，采集流量信息后直接采集2路温度信息，信息采集完毕再进行数据处理。由于采用的单片机A/D转换模块ADC12具有序列通道多次转换模式，因而方便了数据的采集。在对进行采集后的数据进行处理后，由于该仪表只用于热计量，没有进行冷计量，所以进水管道的温度要高于出水管道的温度，为提高系统的可靠性和避免因偶然的错误而引起误判断，设定了连续最大错误次数，若进水管的温度连续多次低于出水管的温度并达到连续最大错误次数，则进行错误处理，给出报警提示。在没达到连续错误次数前，该次仪表的进水温度和出水温度采用上次正确的值进行处理，这样提高了整个温度采集模块程序的适应性。
4 实验结果与分析
为检测拟合的精度，将表1中的电压值代入拟合公式进行计算，并得到误差值，其整个热量表工作温度区间内的理论误差曲线如图4所示。以标准电阻代替PT1000来模拟实际温度的方式来检验测温电路的精度和可靠性，测试数据如表2所示。
由图4拟合多项式误差曲线可以看出，在热量表的工作温度0～100℃范围内，测温多项式的计算值与实际值的最大误差的绝对值小于0.0008℃，在热量表的测温范围（4～95℃）内，测温多项式的计算值与实际值的绝对误差小于0.0006℃，这表明该测温多项式正确可靠，拟合效果良好。由表2的测试结果可以看出，该电路工作稳定，实际测试误差满足0.04℃，小于热量表温度单元温差小于0.1℃的要求。
图4 拟合测温多项式的理论误差曲线
5 结束语
设计的热量表温度采集模块，运用最小二乘法的有关原理建立了温度采集模块的数学模型，并采用分布图法加算术平均值法进行滤波，保证了温度采集单元数据的可靠和正确，温度模块采用分时供电技术降低了系统功耗。经理论分析和实际测试表明，该电路工作稳定可靠，理论误差小于0.0008℃，实际测试误差小于0.04℃，实现了温度计算单元的高精度、高效率、低功耗设计，在实际设计中具有很高的参考价值。
参考文献：
［1］罗琴，李鸣，徐爱华.基于MSP430FW427的热量表.仪表技术与传感器，2008（7）：70－72.
［2］龚瑞昆，李静源，张冰.高精度铂电阻测温系统的实现.仪表技术，2008（7）：9－10.
［3］吕同富，康兆敏.数值计算方法.北京：清华大学出版社，2008：220－222.
［4］蓝红莉，杨叙，吴彤峰，等.汽车仪表系统中的数据融合技术研究.计算机工程与应用，2008，44（19）：238－240.
