牆體熱阻現場測量儀的製作方法
2023-07-23 08:47:41 1
專利名稱：牆體熱阻現場測量儀的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於物理量測量技術領域，特別涉及一種電池供電的智能化微型無線
測量儀器的設計。
背景技術：
已有牆體熱阻現場測量儀包括室內機和室外機，室外機和室內機通過物理連線進行通訊。這要求實際的現場環境必須有條件安裝室內機和室外機，如果之間沒有空間走線，那麼測試將無法完成，這大大束縛了測試範圍。 另一方面，牆體熱阻測量儀需要對牆體表面熱流及溫度進行一段連續時期監測，在不影響通訊前提下省電是此類技術的關鍵。由於數據需要通過微機讀取，但在沒有連接USB時，也需要使整機省電。而現有技術中牆體熱阻測量儀均採用單時鐘系統時鐘，而採用單時鐘系統的缺點是牆體熱阻測量儀只有一種或兩種工作模式，一旦開始工作，控制系統CPU和大多數元件都在運行，實際上也浪費了不少電源，達不到省電的目的。[0004] 現有技術中牆體熱阻測量儀另一種實施方案是將被測牆體材料的一部分放入儀器設備進行檢測。對於實際建築牆體來說，必須對牆體進行有破壞的取樣是不現實的；另外實際的牆體材料可能會是幾種材料的複合材料，致使現有檢測方式受到制約，不能滿足實際需要。對於實際的圍護結構，非破壞測量是必要的。
發明內容本實用新型的目的是為了克服上述現有技術中存在的缺點，提供一種牆體熱阻現場測量儀，具有通訊速率高、可靠性好，電能消耗低，安裝及測量成本低、無需人工讀取數據，測量誤差和人為測量誤差低等優點。 為了達到上述的目的，本實用新型的技術方案以如下方式實現一種牆體熱阻現場測量儀，其特徵在於，它包括溫度測頭、熱流傳感器、轉換電路、放大器、電池、第一和第二電源控制模塊、電壓基準模塊、外部存儲器、無線通訊模塊、按鍵、液晶顯示模塊、USB轉RS232模塊、微處理器和外部晶振；其中，溫度測頭和熱流傳感器的輸出端與轉換電路的輸入端相連，轉換電路的輸出端與放大器的輸入端相連；第一電源控制模塊分別與轉換電路、放大器、電壓基準模塊、外部存儲器相連；第二電源控制模塊輸出端連接無線通訊模塊輸入端；微處理器分別與放大器、電壓基準模塊、外部存儲器、無線通訊模塊、按鍵、第一和第二電源控制模塊、液晶顯示模塊、USB轉RS232模塊13和外部晶振15相連；電池分別與第一和第二電源控制模塊、按鍵及微處理器相連。 所述微處理器中含有中央處理單元CPU，以及分別與中央處理單元相連的轉換器ADC、接口 I/O、內部隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器R0M、電源管理、液晶驅動電路及串行異步通訊SCI以及可控制時鐘低速或高速運行的時鐘控制電路。[0008] 本實用新型的特點及效果 本實用新型的熱流傳感器及溫度測頭感受熱流及溫度後，經轉換電路轉換成電壓信號，再經放大器對電壓進行幅度放大，然後進入到微處理器內的ADC中進行AD變換，變換的結果保存到外部存儲器中並通過一定算法對數據的合理性做分析，不合理的數據將被刪除。 同現有技術相比，本實用新型不僅減少了電池的電能消耗，提高了通訊速率。而且還提高了通訊的可靠性。從實際測量來看，儀表沒有冗長的連線，數據通訊使用無線完成，這大大降低了安裝及測量成本。牆體熱阻現場測量儀無需人工讀取數據，所有記錄工作全部由微處理器完成，這樣減小了測量誤差和人為測量誤差，有廣泛的使用價值及廣闊的市場前景。 本測量儀表能節省大量的人工監測時間，而且還可以應用到目前人工無法監測的危險場合以及空間有限的場合，同時可有效地降低人為操作帶來的測量誤差。廣泛地應用於牆體保溫性能測試、供暖效果測試、牆體節能性能分析、維護結構熱阻測試等各種需要測量熱阻的場合，也可以單獨測量記錄熱流及溫度變化的場合。
圖1是本實用新型的總體結構框圖。 圖2是本實用新型的電源控制模塊6電路實施例組成圖。 圖3是本實用新型的溫度測量電路實施例組成圖。 圖4是本實用新型的熱流測量電路實施例組成圖。 圖5是本實用新型的電壓基準模塊電路實施例組成圖。 圖6是本實用新型的外部存儲器電路實施例組成圖。 圖7是本實用新型的電源控制模塊7和無線模塊電路實施例組成圖。 圖8是本實用新型的按鍵電路實施例組成圖。 圖9是本實用新型的液晶顯示模塊電路實施例組成圖。 圖10是本實用新型的USB轉RS232模塊電路實施例組成圖。 圖11是本實用新型的外部晶振電路實施例組成圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體的實施例對本實用新型做進一步描述。 本實用新型設計的牆體熱阻現場測量儀如圖1所示，包括溫度測頭1、熱流傳感器2、轉換電路3、放大器4、電池5、電源控制模塊6和7、電壓基準模塊8、外部存儲器9、無線通訊模塊10、按鍵11、液晶顯示模塊12、USB轉RS232模塊13、微處理器14和外部晶振15 ;其中，溫度測頭1和熱流傳感器2的輸出端與轉換電路3的輸入端相連，轉換電路的輸出端與放大器4的輸入端相連，電源控制模塊6分別與轉換電路3、放大器4、電壓基準模塊8、外部存儲器9相連，電源控制模塊7輸出端連接無線通訊模塊IO輸入端，微處理器14分別與放大器4、電壓基準模塊8、外部存儲器9、無線通訊模塊10、按鍵11、電源控制模塊6、7、液晶顯示模塊12、USB轉RS232模塊13和外部晶振15相連，電池5分別與電源控制模塊6和7，按鍵11及微處理器14相連。 所述微處理器14中含有中央處理單元CPU，以及分別與中央處理單元相連的轉換器ADC(也可以是設在微處理器(14)外的獨立晶片)、接口 1/0、內部隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、電源管理、液晶驅動電路及串行異步通訊SCI(也可以使用軟體UART)。另外，微處理器14中還設有與中央處理器相連的可控制時鐘低速或高速運行的時鐘控制電路。 本實用新型的工作過程 溫度測頭1感受溫度後，熱流傳感器2感受熱流後，經轉換電路3轉換成電壓，再經放大器4對電壓進行幅度放大，然後進入到微處理器14的轉換器ADC中進行AD變換，變換的結果輸入到外部存儲器9中保存。轉換電路3和放大器4是由受微處理器14控制的電源控制模塊6間歇供電。電源控制模塊6同時還為電壓基準模塊供電，使微處理器得到基準電壓參考。外部存儲器9的供電也是由電源控制模塊6提供的。這一過程採用間歇工作方式，可降低儀表功耗。微處理器14、電源控制模塊6和7、按鍵11均是由電池5供電的。這時微處理器14控制電源控制模塊7為無線通訊模塊10供電。供電後，微處理器14可通過內部的接口 1/0控制無線模塊進行無線通訊。當用戶在測量過程中需要實時查看相關測量數據時，可以通過按鍵11告知微處理器14，微處理器14通過液晶顯示模塊12的數據更新告知用戶相關參數信息。當一次間歇測量完成後，除保存數據以外，微處理器14通過內部的液晶驅動定期更新液晶顯示模塊12。在測量過程中，每一次間隔採樣微處理器都會對數據做分析，如果數據是完全不可能出現的情況，則認為採集過程中遇到幹擾，並緊接著進行一次新的採集，以更新採集數據。這一過程需要對各種環境下的溫度及熱流做記錄，並將此數據作為歷史數據供每一次測量參考，以達到智能分析的目的。 在測量完成之後，用戶可使用本儀器的USB轉RS232模塊13與微機USB 口相連，這時微機通過USB接口與微處理器14的硬體SCI通訊，可以將測量數據上傳給計算機。為了降低功耗。在間歇採集和微機通訊時使用高速時鐘，在平常使用低速時鐘，這樣做可以進一步降低功耗。 本實用新型實際使用時可採用設置在室內和室外的兩臺牆體熱阻現場測量儀設備，室內機測量牆體內側的溫度及熱流信號，室外機只測量牆體外側溫度信號。室內機與室外機之間通過無線傳輸數據。所述的無線傳輸應符合國家相關規定的民用頻段，可以是任何形式的無線傳輸。室內機無線接收的頻率較高，室外機無線發射的頻率較低。這樣可以有效降低功耗的同時保證不丟失室外機發出的數據。對於室內機而言，需要定期與室外機通訊，室外機將自己測量到的室外牆體表面溫度告知室內機。室內機保存這些測量數據，並對測試數據做分析，將不合理的測量值刪除。在測量完畢後，將數據通過USB導入計算機，供專業人員分析使用。 本實用新型的各部件的具體實現電路及功能分別說明如下 本實用新型的電源控制模塊6實現電路如圖2所示，由電晶體Tl和電阻Rl組成，其中電阻R1 —端與微處理器相連，另一端與電晶體T1的基極相連，電晶體T1的發射極與電池正極相連，電晶體T1的集電極與相應其它模塊相連。電源控制模塊是受微處理器控制的，當需要給其他電路模塊供電時，微處理使Tl導通便可以為其他電路模塊供電。其中T2的型號是8550。 本實用新型由溫度測頭1、轉換電路3、放大器4組成溫度測量單元，其實現電路如圖3所示，由放大器A1 、溫敏電阻RT及電阻R5-R11組成，其中RT、 R5-R9組成測量電橋，Rl0和Rll與放大器A1形成負反饋電路，RT為溫度測頭。測量電橋輸出端連接放大器Al輸入端，放大器A1的供電由圖2所示的電源控制模塊提供，放大器的輸出連接微處理器的ADC模塊。經過ADC模塊轉換後，溫度信號轉換成數位訊號，存入內部存儲器。本實施例的放大器A1型號為0PA336， RT採用溫敏電阻，型號為PT1000。溫度測頭在實際安裝時應安裝在牆體表面並保持緊密接觸。 本實用新型熱流傳感器2、轉換電路3、放大器4組成熱流測量單元，其實現電路如圖4所示，由放大器A2、電阻R13-R15和熱流傳感器Ql組成，其中R12-R14—端分別與熱流傳感器相連，R12、 R13的另一端分別與放大器A2的正負輸入端相連，電阻R15與放大器A2組成負反饋電路。放大器A2的供電由圖2所示的電源控制模塊提供。放大器A2的輸出連接微處理器的ADC模塊。經過ADC模塊轉換後，熱流信號轉換成數位訊號，存入內部存儲器。本實施例的放大器型號為0PA336 ;熱流傳感器是由多個熱電偶串聯組成的熱電偶堆。熱流傳感器在實際安裝時應安裝在牆體表面並保持緊密接觸。 本實用新型的電壓基準模塊電路的實現電路如圖5所示，由穩壓二極體W1和電阻R4組成，其中穩壓二極體Wl的一端與電阻R4相連， 一端直接接地。電阻R4的一端由圖2所示電路提供電源。在測量溫度及熱流後，電壓基準模塊為測量數據提供參考電壓。本實施例的穩壓二極體W1的型號為LM4041-1。 本實用新型的外部存儲器的實現電路如圖6所示，由非易失性存儲器EEPR0M、電阻R2和R3組成，其中EEPR0M的通訊端分別由R2和R3上拉到電源，同時通訊端直接連接微處理器的I/O模塊。R2、R3和EEPR0M由圖2所示電路提供電源。在測量溫度及熱流後，將測量數據通過通訊端依次存入EEPR0M中，實現自動記錄功能。本實施例的EEPR0M的型號為AT24C256或者採用FLASH或者其他存儲類晶片替代EEPR0M。 本實用新型的另一個電源控制模塊7和無線模塊的實現電路如圖7所示，電源控制模塊7由電阻R16和電晶體T2組成，其中電阻R16—端與微處理器相連，另一端與電晶體T2的基極相連，電晶體T2的發射極與電池正極相連，電晶體T2的集電極連接無線模塊，無線模塊其他引腳與微處理器的1/0模塊相連(無線傳輸模塊可以是設在微處理14內部的無線模塊)。當無線模塊需要通訊時，微處理器可控制T2導通並為無限模塊供電，同時微控制器的1/0模塊與無線模塊完成無線通訊的功能。本實施例的無線模塊的晶片是CC1100，電晶體T2的型號是8550。 本實用新型的按鍵實現電路如圖8所示，由按鍵K1和電阻R17組成，其中按鍵K1的一端與電池正極連接，另一端連接電阻R17 —端，電阻R17另一端接地。按鍵Kl和R17的公共端連接微處理器1/0模塊。微處理定時掃描電平變化以達到感知按鍵是否按下的目的。本實施例的按鍵採用常規產品。 本實用新型的液晶顯示模塊實現電路如圖9所示，此液晶模塊只有液晶本身，液晶直接與微處理器內部的液晶驅動電路相連，微處理器內部的液晶驅動電路直接控制液晶顯示，當儀表處於不同模式下時，液晶顯示信息相應得到更新。本實施例的液晶的型號是TS1872-3。本實用新型的USB轉RS232模塊實現電路如圖10所示，由USB插座和USB轉RS232電路組成，其中USB插座與USB轉RS232電路相連，USB轉RS232電路直接與微控制器內部的硬體串行異步通訊SCI相連。本實施例的USB轉RS232電路其核心晶片為CP2102。[0040] 本實用新型的外部晶振實現電路如圖11所示，外部晶振X1兩個引腳直接與微控制器相連。為微處理器內部的高速時鐘和低速時鐘提供參考，微處理器內部的低速時鐘只
作為計時使用，高速時鐘通過微處理器MCU內部的高速時鐘倍頻得來。在處理量較大時，微
控制器的時鐘控制電路控制高速時鐘提高處理速度完成相應的數據處理。 本實施例的微處理器的型號為MSP430F413，其內部含有中央處理單元CPU、轉換
器ADC、接口 I/O、內部隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、電源管理、液晶驅動電路及串
行異步通訊SCI及時鐘控制電路。 所述微處理器中的CPU通過控制時鐘控制電路可控制時鐘低速或高速運行。所述熱流傳感器及溫度測頭感受熱流及溫度後，轉換成電壓信號並進行幅度放大，進入到微處理器內的ADC中進行AD變換，將變換的結果保存到外部存儲器中並對保存的數據的合理性做分析，不合理的數據被刪除。微處理器控制的電源控制模塊對轉換電路、放大器、外部存儲器及無線通訊模塊間歇供電，這樣做可有效降低系統功耗。USB轉RS232模塊與微處理器的硬體串行異步通訊SCI相接，當計算機通過USB接口連接儀表時，計算機可通過USB 口與微處理器進行數據傳輸。 微處理內部是有高速和低速兩個時鐘，它可在處理數據和與微機通訊時使用高速時鐘，使通訊速率提高。而在大多數情況下使用低速時鐘，甚至使各時鐘停止振蕩，使整個系統的功耗最低。這樣就很好地解決了處理速度與功耗之間的矛盾。另外，與微機通訊時使用硬體串行異步通訊SCI，這樣可以減輕程序的運行負擔並進一步降低功耗。再有，本實用新型的牆體熱阻現場測量儀輸出數據時，本測量儀可以通過USB接口從微機取電，不但節省了電池的能耗，同時可以保證通訊可靠進行。微處理器內部的液晶驅動為液晶提供偏置電壓驅動。 微處理器內的接口 1/0可以通過程序控制電平高低並完成相應模塊的控制。也可
以根據模塊提供的電平來告知微處理器外部模塊的相應狀態。微處理器的內部隨機存取存
儲器RAM是暫存數據時使用。微處理器內的只讀存儲器ROM用來存儲運行程序。 本實施例的微處理器由電池直接供電的。當需要測量時，微處理器打開電晶體T1，
這時圖3、圖4、圖5和圖6的電路全部得電，微處理器對溫度、熱流、基準電壓信號進行測量
並處理，微處理器處理後，再存入外部存儲器。當需要無線通訊時可以控制電晶體T2導通，
這時無線模塊啟動工作。 對於按鍵來說，當鍵未被按下時，電池供電切斷，這樣也直接降低了待機功耗。液晶顯示LCD是由微處理器內部的液晶驅動直接驅動。液晶驅動可以省去許多重複性的處理指令，大大降低了系統待機功耗。當用戶將儀表連接計算機時，圖io所示電路開始工作實現數據通訊。 從工作時間上來計算，如果按1秒鐘計時一次，五分鐘測量一次的工作模式，可以得到如下的一些功耗指標。每一秒鐘計算的瞬間，只佔l毫秒左右。剩下的時間系統待機休眠達到超低功耗。而每五分鐘測量一次的時間也只有5毫秒左右。這樣計算，計時所用功耗和完全連續工作比較，省電百分之99%。測量所用功耗和完全連續工作比較省電99. 99%。[0048] 在實際測量時應將兩臺牆體熱阻現場測量儀分別放置在室內和室外，室內機的溫度及熱流測頭緊密貼合於室內牆體表面，室外機的溫度側頭緊密貼合於室外牆體表面。應保證室內機和室外機測量同一牆體的內外表面。 由於實際環境中的熱流及溫度在不斷的變化，這對於測量牆體熱阻參數來說是是不利的，只有通過一段時間周期性的測量，才能將牆體熱阻這一參數從變化數據中提取出 來。根據實際測量結果自動將不符合條件的數據剔除，並將有效數據做進一步的計算分析， 最終得到牆體熱阻這一參數。 上述本實用新型的具體實施例只是作為舉例說明本實用新型的技術方案，其中各 模塊的實現電路以及各主要器件的型號均不能用以限定本實用新型的保護範圍；例如，將 微處理器14中的轉換器ADC改為是設在微處理器14外的獨立晶片；將與微機串行的通訊 口直接使用RS232接口 ；外部存儲器使用FLASH或其它型號；使用單片機內部放大器；溫度 側頭使用熱敏電阻等；諸如一類的技術方案的等同替換都屬於本實用新型的保護範圍。
權利要求一種牆體熱阻現場測量儀，其特徵在於，該測量儀包括溫度測頭、熱流傳感器、轉換電路、放大器、電池、第一和第二電源控制模塊、電壓基準模塊、外部存儲器、無線通訊模塊、按鍵、液晶顯示模塊、USB轉RS232模塊、微處理器和外部晶振；其中，溫度測頭和熱流傳感器的輸出端與轉換電路的輸入端相連，轉換電路的輸出端與放大器的輸入端相連；第一電源控制模塊分別與轉換電路、放大器、電壓基準模塊、外部存儲器相連；第二電源控制模塊輸出端連接無線通訊模塊輸入端；微處理器分別與放大器、電壓基準模塊、外部存儲器、無線通訊模塊、按鍵、第一和第二電源控制模塊、液晶顯示模塊、USB轉RS232模塊和外部晶振相連；電池分別與第一和第二電源控制模塊、按鍵、及微處理器相連。
2. 如權利要求l所述的測量儀，其特徵在於，所述微處理器中含有中央處理單元CPU，以及分別與中央處理單元相連的轉換器ADC、接口 I/O、內部隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、電源管理、液晶驅動電路及串行異步通訊SCI以及可控制時鐘低速或高速運行的時鐘控制電路。
3. 如權利要求2所述的測量儀，其特徵在於，所述轉換器ADC採用設在微處理器外的獨立晶片替代。
4. 如權利要求1所述的測量儀，其特徵在於，所述的無線通訊模塊採用設在微處理內部替代。
5. 如權利要求1所述的測量儀，其特徵在於，所述外部存儲器採用EEPR0M、 FLASH。
6. 如權利要求1所述的測量儀，其特徵在於，所述測溫頭採用溫敏電阻。
7. 如權利要求1所述的測量儀，其特徵在於，所述熱流傳感器採用由多個熱電偶串聯組成的熱電偶堆。
專利摘要本實用新型涉及牆體熱阻現場測量儀，屬於物理量測量技術領域，該測量儀包括溫度測頭和熱流傳感器的輸出端與轉換電路的輸入端相連，轉換電路的輸出端與放大器的輸入端相連；第一電源控制模塊分別與轉換電路、放大器、電壓基準模塊、外部存儲器相連；第二電源控制模塊輸出端連接無線通訊模塊輸入端；微處理器分別與放大器、電壓基準模塊、外部存儲器、無線通訊模塊、按鍵、第一和第二電源控制模塊、液晶顯示模塊、USB轉RS232模塊13和外部晶振15相連；電池分別與第一和第二電源控制模塊、按鍵及微處理器相連。本實用新型具有通訊速率高、可靠性好，電能消耗低，安裝及測量成本低、無需人工讀取數據，測量誤差和人為測量誤差低等優點。
文檔編號G01N25/18GK201540267SQ20092024633
公開日2010年8月4日 申請日期2009年9月30日 優先權日2009年9月30日
發明者張宏濤, 戴自祝, 梁強威, 江億 申請人:北京天建華儀科技發展有限公司