一種低功耗高精度熱量表的製作方法
2023-10-28 12:16:22 2
專利名稱：一種低功耗高精度熱量表的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於儀器儀表技術領域，涉及一種低功耗高精度熱量表。
背景技術：
21世紀初，國家建設部等八部委提出了新的熱量計量方法，對供暖比較集中的城市使用單戶熱量計費的制度，但是直到今天，熱量表並沒有大面積普及開來，究其原因主要有兩個方面首先熱量計量的測量精確低，第二是熱量表的核心一計算器電路功耗過大。熱量表的使用壽命不長。現在國內熱量表一般都採用美國MSP430CPU作計算器電路，而計算器電路是熱量表的核心，它在靜態時功耗需要10-20 μ A，一般工作狀態時功耗要達到40-50 μ A0且CJ-128-2007標準規定，採用一節一次性鋰電池壽命必須大於6年。很多熱量表廠家的精度只能達到國家2-3級標準，部分廠家即使出廠時能達到2級標準精度，過了幾年後，由於電池本身損耗和計算器功耗過高等原因，電子電路無法在欠壓下正常工作。從·而導致計量精度無法保證準確。
發明內容本實用新型針對現有技術的不足，採用了國際上首次公布最新的、處理功能最強、速度最快、功耗最低的挪威「小壁虎」 MCU-EFM32微處理器晶片，發明了低功耗高精度熱量表的計算器電路。適用於超聲波和預付費熱量表。本實用新型解決技術問題所採取的技術方案為一種低功耗高精度熱量表包括電源模塊、按鍵控制模塊、存儲模塊、閥門控制模塊、讀寫卡模塊、紅外通信模塊、MCU處理控制模塊、韋根信號採集模塊、溫度測量模塊和液晶顯不|旲塊。韋根信號採集模塊採集管道中的流量信息，韋根信號採集模塊的輸出端與MCU處理控制模塊的I/o 口信號連接；溫度測量模塊分別採集進水溫度和回水溫度；按鍵控制模塊的輸出端與MCU處理控制模塊的I/O 口信號連接；液晶顯示模塊的輸入端與MCU處理控制模塊的I/O 口信號連接；溫度測量模塊、存儲模塊、閥門控制模塊、讀寫卡模塊和紅外通信模塊分別與MCU處理控制模塊的I/O 口信號連接；電源模塊為按鍵控制模塊、閥門控制模塊、讀寫卡模塊、MCU處理控制模塊和韋根信號採集模塊提供電源。本實用新型的有益效果溫度檢測處理對兩個ΡΤ1000測溫傳感器不需要參數匹配要求，可以減低時耗和成本，提高效率，提高精度，達到了國家I級表的準確度。採用Cortex_M3內核設計的32位單片機後，比傳統的430單片機處理能力更強，功耗更低，低功耗模式下喚醒時間更短，大大減低了電路的功耗，靜態工作電流小於4 μ A，一般工作電流小於12μΑ.延長了電池的使用壽命，達到節能效果。充值方式改變，本發明在熱量表預付費卡上通過帳費分離方式，使用戶費用更加安全可靠，達到了保護消費者的利益。
圖I為本實用新型結構示意圖；圖2為本實用新型中電源模塊電路圖；圖3為本實用新型中閥門控制模塊電路圖；圖4為本實用新型中韋根信號採集模塊電路圖；圖5為本實用新型中溫度測量模塊電路圖；圖6為本實用新型中按鍵控制模塊電路圖； 圖7為本實用新型中存儲模塊電路圖；圖8為本實用新型中液晶顯不|旲塊電路圖；圖9為本實用新型中MCU處理控制模塊電路圖；圖10為本實用新型中紅外通信模塊電路圖；圖11為本實用新型中讀寫卡模塊模塊電路圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。如圖I所示，本實施例包括電源模塊I、按鍵控制模塊2、存儲模塊3、閥門控制模塊
4、讀寫卡模塊5、紅外通信模塊6、MCU處理控制模塊7、韋根信號採集模塊8、溫度測量模塊9和液晶顯不模塊10。韋根信號採集模塊採集管道中的流量信息，韋根信號採集模塊的輸出端與MCU處理控制模塊的I/o 口信號連接；溫度測量模塊分別採集進水溫度和回水溫度；按鍵控制模塊的輸出端與MCU處理控制模塊的I/O 口信號連接；液晶顯示模塊的輸入端與MCU處理控制模塊的I/O 口信號連接；溫度測量模塊、存儲模塊、閥門控制模塊、讀寫卡模塊和紅外通信模塊分別與MCU處理控制模塊的I/O 口信號連接；電源模塊為按鍵控制模塊、閥門控制模塊、讀寫卡模塊、MCU處理控制模塊和韋根信號採集模塊提供電源。如圖2所示，電源模塊包括穩壓模塊和掉電檢測模塊，外部輸入的電壓經穩壓模塊後輸出3. OV電壓，當外部輸入的電壓低於2. OV時,掉電檢測模塊發送信號給MCU處理控制豐吳塊。所述的穩壓模塊包括第一接插件J1、第一二極體D1、法拉電容E1、第一電解電容E2、第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4、第五電容C5、第六電容C6、穩壓晶片U2。第一接插件Jl的I腳接地、第一二極體Dl的陽極通過第一接插件Jl的2腳接外部輸入電壓；第一二極體Dl的陰極分別與法拉電容El的正極、穩壓晶片U2的3腳連接，穩壓晶片U2的2腳接第一電解電容E2的正極，該腳輸出3. OV電壓；法拉電容El的負極、穩壓晶片U2的I腳、第一電解電容E2的負極均接地。第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4、第五電容C5和第六電容C6並聯在第二穩壓晶片U2的2腳和地之間；所述的穩壓晶片U2型號為BL8064-3. O。所述的掉電檢測模塊包括掉電檢測晶片U3，掉電檢測晶片U3的2腳接外部輸入的電壓，掉電檢測晶片U3的3腳接地，掉電檢測晶片U3的I腳接MCU晶片Ul的13腳；所述的掉電檢測晶片U3的型號為BL8506-2. O。如圖3所示，閥門控制模塊包括第二接插件J2、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第一 MOS管Q1、第二 MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4、第五MOS管Q5、第七電容C7和第八電容C8。第一電阻Rl的一端與MCU晶片Ul的19腳連接,第一電阻Rl的另一端分別與第
一MOS管Ql的柵極、第三MOS管Q3的柵極連接。第二電阻R2的一端與MCU晶片Ul的32腳連接，第二電阻R2的另一端分別與第
二MOS管Q2的柵極、第四MOS管Q4的柵極連接。第三MOS管Q3的源極、第四MOS管Q4的源極接地，第三MOS管Q3的漏極與第一MOS管Ql的漏極連接，第四MOS管Q4的漏極與第二 MOS管Q2的漏極連接；第一 MOS管Ql的源極分別與第二 MOS管Q2的源極、第五MOS管Q5的源極、第五電阻R5的一端、第六電阻R6的一端連接，第五電阻R5的另一端通過第二接插件J2的3腳與MCU晶片Ul的28腳連接，第六電阻R6的另一端通過第二接插件J2的2腳與MCU晶片Ul的29腳連接。第五MOS管Q5的柵極與第四電阻R4的一端連接，第五MOS管Q5的漏極、第三電阻R3的一端均接3. OV電壓，第四電阻R4的另一端、第三電阻R3的另一端、第七電容C7的一端均與MCU晶片Ul的18腳連接，第七電容C7的另一端接地。第八電容C8的一端與第三MOS管Q3的漏極、第一 MOS管Ql的漏極連接,第八電容C8的另一端與第四MOS管Q4的漏極、第二 MOS管Q2的漏極連接；第三MOS管Q3的漏極、第一 MOS管Ql的漏極通過第二接插件J2的5腳還與直流電機的一個輸入端連接，第四MOS管Q4的漏極、第二 MOS管Q2的漏極通過第二接插件J2的4腳還與直流電機的另一個輸入端連接，第二接插件J2的I腳接地，所述的直流電機用於驅動閥門的開關，其型號為RF-300。如圖4所示，韋根信號採集模塊包括第三接插件J3、第九電容C9、第十電容C10、第i^一電容C11、第十二電容C12、第七電阻R7、第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻R10、第
i電阻RlI、第一三極體Q6和第二三極體Q7。第三接插件J3的I腳接地，第九電容C9的一端、第八電阻R8的一端、第i^一電容Cll的一端通過第三接插件J3的2腳與韋根傳感器的一個輸出端連接。第八電阻R8的另一端接地，第九電容C9的另一端分別與第七電阻R7的一端，第一三極體Q6的基極連接，第七電阻R7的另一端、第一三極體Q6的發射極接3. OV電壓；第一三極體Q6的集電極分別與第九電阻R9的一端、第十電容ClO的一端、MCU晶片Ul的38腳連接，第九電阻R9的另一端、第十電容ClO的另一端接地。第十一電容Cll的另一端分別與第二三極體Q7的基極、第十一電阻Rll的一端連接，第二三極體Q7的發射極、第十一電阻Rll的另一端均接地，第二三極體Q7的集電極、第十電阻RlO的一端、第十二電容C12的一端與MCU晶片Ul的37腳連接，第十電阻RlO的另一端接3. OV電壓，第十二電容C12的另一端接地。如圖5所示，溫度測量模塊包括第四接插件J4、第五接插件J5、第十二電阻R12、第十三電阻R13和第二電解電容E3。第四接插件J4的I腳和2腳分別與進水口處的鉬電阻PT1000的輸出端連接，第五接插件J5的I腳和2腳分別與回水口處的鉬電阻PT1000的輸出端連接；第四接插件J4的2腳還與MCU晶片Ul的46腳連接，第五接插件J5的I腳還與MCU晶片Ul的47腳連接，第四接插件J4的I腳還分別與第五接插件J5的2腳、第十二電阻R12的一端、第十三電阻R13的一端、第二電解電容E3的正極連接，第十二電阻R12的另一端接MCU晶片Ul的22腳，第十三電阻R13的另一端接MCU晶片Ul的36腳，第二電解電容E3的負極接地。在鉬電阻PT1000使用前，需要對其進行溫度修正，修正成恆溫槽相同的溫度，分別修正傳感器低溫和高溫，做出每個傳感器的溫度和阻值的對應關係，得出高精度的測量溫度，這樣能使該表達到I級表水準。熱表測量使用時，單片機定時測量PT1000的值，然後將測量值帶入修正好的溫度一阻值函數關係裡，計算出溫度，得出進水和回水的真實溫度差值，供計算熱量使用。兩個鉬電阻PT1000在硬體電路上設計成使用相同的充放電電解電容E3，使用相同的放電比對電阻，保證兩個PT1000有相同的放電電路。MCU晶片Ul自帶高精度度恆流源，矯正溫度時，將兩個PT1000放置在相同的恆溫槽中，分別對兩個鉬電阻PT1000充電。充電電容E3充電達到設定的充電電壓值時，比較器正端獲得中斷信號，MCU晶片Ul控制停止·充電，並記錄充電時間,此時MCU晶片Ul控制放電電阻開始放電，當放電電容E3電壓低於設定的放電電壓值時，比較器正端獲得中斷信號，MCU晶片Ul控制停止放電，並記錄充電時間。放電電阻選用高精度電阻，通過比對充電放電時間，計算出放電電阻，選用高精度固定阻值電阻，通過比對充電放電時間和固定電阻的比例，計算出PT1000的阻值，其主要過程是先充電一次，用電阻R13放電一次，對比出PT1000的值，然後再充電一次，用電阻R12放一次，對比出PT1000的值，最後兩個值再求平均值，作為真實值，計算出PT1000的值後，再根據阻值得出溫度值。如圖6所示，按鍵控制模塊包括按鍵Kl和第十四電阻R14，按鍵Kl的一端、第十四電阻R14的一端與MCU晶片Ul的21腳連接，按鍵Kl的另一端接地，第十四電阻R14的另一端接3. OV電壓。如圖7和圖8所示，存儲模塊包括存儲晶片U4、第十五電阻R15、第十六電阻R16和第十三電容C13。存儲晶片U4的I腳、2腳、3腳和4腳接地，存儲晶片U4的5腳、第十六電阻R16的一端與MCU晶片Ul的34腳連接，存儲晶片U4的6腳、第十五電阻R15的一端與MCU晶片Ul的35腳連接，存儲晶片U4的7腳、第十三電容C13的一端接地，存儲晶片U4的8腳、第十三電容C13的另一端、第十五電阻R15的另一端、第十六電阻R16的另一端均與MCU晶片Ul的31腳連接；所述的存儲晶片U4的型號為24C16。所述的液晶顯示模塊選用4X23共92段的IXD。如圖9所示，MCU處理控制模塊包括MCU晶片U1、第十四電容C14、第十五電容C15、第十六電容C16、晶振Yl和JTAG接口 J7。第十五電容C15的一端、晶振Yl的一端與MCU晶片Ul的15腳連接，第十六電容C16的一端、晶振Yl的另一端與MCU晶片Ul的16腳連接，第十五電容C15的另一端、第十六電容C16的另一端接地，第十四電容C14的一端與MCU晶片Ul的40腳連接，第十四電容C14的另一端接地，JTAG接口 J7的I腳接3. OV電壓，4腳接MCU晶片Ul的48腳，6腳接MCU晶片Ul的20腳，7腳接MCU晶片Ul的49腳，9腳接MCU晶片Ul的50腳，8腳和10腳接地，其它腳懸空；MCU晶片Ul的型號為EFM32TG840F32，參見圖8。[0050]如圖10所示，紅外通信模塊包括紅外接收頭U5、第十七電阻R17、第十八電阻R18、第十九電阻R19、第二十電阻R20、第二 i^一電阻R21、第二十二電阻R22、第十七電容C16、第三三極體Q8、第四三極體Q9和紅外發送管D2，紅外接收頭U5的I腳接第二十二電阻R22的一端，紅外接收頭U5的3腳、第二十二電阻R22的另一端和第十七電容C16的一端均與MCU晶片Ul的33腳連接，第十七電容C16的另一端接地，紅外接收頭U5的2腳接地；所述的紅外接收頭U5的型號為HS-0038。第十七電阻R17的一端、第十八電阻R18的一端均與MCU晶片Ul的24腳連接，第十七電阻R17的另一端、第三三極體Q8的發射極均與MCU晶片Ul的33腳連接，第十八電阻R18的另一端與第三三極體Q8的基極連接。第十九電阻R19的一端、第二十電阻R20的一端均與MCU晶片Ul的30腳連接，第十九電阻R19的另一端與第四三極體Q9的基極連接，第二十電阻R20的另一端與MCU晶片Ul的33腳連接，第四三極體Q9的發射極連接與第三三極體Q8的集電極連接，第四三極體Q9的集電極與第二i^一電阻R21的一端連接，第二i^一電阻R21的另一端與紅外發送管D2 的陽極連接，紅外發送管D2的陰極接地。如圖11所示，讀寫卡模塊包括刷卡電源檢測模塊、分頻模塊、刷卡感應模塊和信號放大模塊，刷卡電源檢測模塊為其它模塊供電，分頻模塊提供基準頻率信號給刷卡感應模塊，刷卡感應模塊接信號放大模塊。所述的刷卡電源檢測模塊包括第三十三電阻R33、第三十四電阻R34、第二十四電容C24和第六MOS管Ql3，第三十三電阻R33的一端、第三十四電阻R34的一端、第二十四電容C24的一端均與MCU晶片Ul的17腳連接，第二十四電容C24的另一端接地，第三十三電阻R33的另一端和第六MOS管Q13的源極與3. OV電壓連接。所述的分頻模塊包括分頻晶片U6、第五三極體Q10、第二十三電阻R23、第二十四電阻R24、第二十五電阻R25、第十八電容C18、第十九電容C19和晶振Y2。分頻晶片U6的4腳與分頻晶片U6的12腳連接，分頻晶片U6的5腳分別與第五三極體QlO的發射極、第二十四電阻R24的一端連接，第五三極體QlO的基極與第二十三電阻R23的一端連接，第二十三電阻R23的另一端與MCU晶片Ul的14腳連接，第五三極體QlO的集電極接地；分頻晶片U6的10腳分別與晶振Y2的一端、第二十五電阻R25的一端、第十八電容C18的一端連接，分頻晶片U6的11腳分別與晶振Y2的另一端、第二十五電阻R25的一端、第十九電容C19的一端連接,第十八電容C18的另一端、第十九電容C19的另一端接地，分頻晶片U6的16腳與刷卡電源檢測模塊中的第六MOS管Q13的漏極連接，分頻晶片U6的其它腳懸空，所述的分頻晶片U6的型號為74HC4060。所述的刷卡感應模塊包括第六三極體Q11、第七三極體Q12、電感LI、第二十電容C20、第二^^一電容C21、第二十二電容C22、第二十七電容C27、第二十六電阻R26和第二二極體D3 ;第六三極體Qll的基極、第七三極體Q12的基極均與分頻模塊中的第二十四電阻R24的另一端連接，第六三極體Qll的集電極與刷卡電源檢測模塊中的第六MOS管Q13的漏極連接，第六三極體Qll的發射極、第七三極體Q12的發射極與電感LI的一端連接，第七三極體Q12的集電極、第二^ 電容C21的一端、第二十六電阻R26的一端、第二十七電容C27的一端接地，電感LI的另一端分別與第二十電容C20的一端、第二二極體D3的陽極連接，第二十電容C20的另一端與第二十一電容C21的另一端連接；第二二極體D3的陰極分別與第二十六電阻R26的另一端、第二十七電容C27的另一端、第二十二電容C22的一端連接。所述的信號放大模塊包括信號放大晶片U7、第二十七電阻R27、第二十八電阻R28、第二十九電阻R29、第三十電阻R30、第三i^一電阻R31、第三十二電阻R32和第二十三電容C23，信號放大晶片U7的I腳與第二十三電容C23的一端連接，信號放大晶片U7的2腳分別與第二十七電阻R27的一端、第二十八電阻R28的一端、第二十九電阻R29的一端連接，第二十七電阻R27的另一端、信號放大晶片U7的3腳與刷卡感應模塊中的第二十二電容C22的另一端連接，信號放大晶片U7的4腳、第二十九電阻R29的另一端接地；信號放大晶片U7的5腳分別與第二十三電容C23的另一端、第三十電阻R30的一端連接，信號放大晶片U7的6腳分別與第三十電阻R30的另一端、第三i^一電阻R31的一端、第三十二電阻R32的一端連接，第三十二電阻R32的另一端接地；信號放大模塊的7腳與2腳連接並作為信號放大模塊的輸出端，第二十八電阻R28的另一端、信號放大模塊的8腳和第三十一電阻R31的另一端均與刷卡電源檢測模塊中的第六MOS管Q13的漏極連接，所述的信號放大晶片U7的型號為LM358。本實用新型的工作過程為系統上電後先通過穩壓模塊後輸出3. OV電壓，當外部 輸入的電壓低於2. OV時,掉電檢測模塊發送信號給MCU處理控制模塊，MCU處理控制模塊通過液晶顯示模塊發出低電壓警告。在電壓正常情況下，系統進行初始化，讀取表內預付費信息，存儲模塊中的表具信息並進行顯示。完成上述工作後，該表進入計量狀態，通過韋根信號採集模塊、溫度測量模塊分別讀取流量信號和兩個溫度信號，根據上述三個信號計量熱量如下
fFtI
Q = qmx Ahxdt = /Pxgv x Ahx τ其中0表示系統釋放或吸收的熱量，單位為J -,Qm表示流經熱能表的水的質量流量，單位為kg/h ；gr表示流經熱能表的水的體積流量,單位為m3/h ；β表示流經熱能表的水的密度，單位為kg/m3 ； Α 表示在熱交換系統進口和出口溫度下水的焓值差,單位為J/kg ； τ表示時間，單位為h。根據累積得到的熱量，自動扣除帳戶上的費用，當帳戶上的費用為零時，通過閥門控制模塊驅動直流電機關閉管道。該表還設置按鍵控制模塊，用來實現表功能的切換，主要有啟動讀寫卡程序、紅外通信程序，分別由讀寫卡模塊和紅外通信模塊來實現。在平時這兩個模塊分別處於休眠狀態，經權威機構檢測，靜態功耗達到3-4微安，一般工作狀態下功耗10-12微安，比美國430晶片不論在靜態或工作狀態下功耗都低3/4。這樣一節2. 5Ah 一次性鋰電池正常工作壽命可大於十年以上，有效地保證了表具的低功耗。當按鍵控制模塊檢測到有按鍵信號時，啟動相應的讀寫卡模塊和紅外通信模塊，讀寫卡模塊感知外界的預付費卡，然後將預付費卡的信息讀入，經MCU處理控制模塊處理後，再將卡內信息的狀態要寫回卡裡面，用戶的預付費卡只存儲用戶的信息，不存儲用戶的交易金額，當用戶需要充值時由熱能公司通過Mbus方式直接充值，通過這種帳費分離方式，避免了當用戶卡丟失時，熱量表的餘額不會丟失，只需要補辦一張卡即可，達到了保護消費者的利益。而紅外通信模塊主要是實現表具的遙控功能。上述具體實施方式
用來解釋本實用新型，而不是對實用新型進行限制，在本實用新型的精神和權利要求的保護範圍內，對本實用新型作出的任何修改和改變 ，都落入本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種低功耗高精度熱量表，包括電源模塊、按鍵控制模塊、存儲模塊、閥門控制模塊、讀寫卡模塊、紅外通信模塊、MCU處理控制模塊、韋根信號採集模塊、溫度測量模塊和液晶顯示模塊，其特徵在於韋根信號採集模塊採集管道中的流量信息，韋根信號採集模塊的輸出端與MCU處理控制模塊的I/O 口信號連接；溫度測量模塊分別採集進水溫度和回水溫度；按鍵控制模塊的輸出端與MCU處理控制模塊的I/O 口信號連接；液晶顯示模塊的輸入端與MCU處理控制模塊的I/O 口信號連接；溫度測量模塊、存儲模塊、閥門控制模塊、讀寫卡模塊和紅外通信模塊分別與MCU處理控制模塊的I/O 口信號連接；電源模塊為按鍵控制模塊、閥門控制模塊、讀寫卡模塊、MCU處理控制模塊和韋根信號採集模塊提供電源。·
專利摘要本實用新型涉及一種低功耗高精度熱量表。現有的熱量表精度一般為國家2-3級標準，且存在耗能高問題。本實用新型中的韋根信號採集模塊採集管道中的流量信息，輸出端與MCU處理控制模塊的I/O口信號連接；溫度測量模塊分別採集進水溫度和回水溫度，輸出端與MCU處理控制模塊的I/O口信號連接；按鍵控制模塊的輸出端、液晶顯示模塊的輸入端與MCU處理控制模塊的I/O口信號連接。存儲模塊、閥門控制模塊、讀寫卡模塊和紅外通信模塊分別與MCU處理控制模塊的I/O口信號連接。本實用新型對兩個PT1000測溫傳感器不需要參數匹配要求，可以提高效率，提高精度。採用Cortex-M3內核設計的32位單片機後，功耗更低。
文檔編號G01K17/10GK202710218SQ20122036410
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月25日 優先權日2012年7月25日
發明者鄭聖良, 王浩, 黃迎勝, 陳陽權, 鄭耀, 孫強強, 吉建平 申請人:杭州富陽儀表總廠, 杭州中導科技開發有限公司