陈敏杰1，李建英1，谭章生1，梅玲玲2，匡伟1，彭家美1
1湖南文理学院，湖南常德
2湖南文理学院芙蓉学院，湖南常德
收稿日期：2022年4月29日；录用日期：2022年6月30日；发布日期：2022年7月7日
摘要
本文采用TI专用液体测量芯片MSP430FR6047为核心，设计了基于ToF(TimeofFlight)测量原理的一款超声波水表，完成了液体测量系统中水表部分的硬件和软件的设计，制作了实物，并完成了测试。在水流工况下，通过检测超声波声束在水中上下行时速度变化引起的ToF差值，对其进行分析处理，得到水流速度，进而计算水流量，这些信息被存储在内部FRAM中并显示在定制液晶屏上。它具有优异的小流量检测能力，解决了许多传统机械水表存在的问题，适用于水资源的节约和合理利用。与机械式水表相比，有精度更高，可靠性更好，使用寿命更长，无任何活动部件等特点。
关键词
超声波水表，MSP430FR6047，时差法
AnUltrasonicWatermeterBasedonMSP430FR6047
MinjieChen1,JianyingLi1,ZhangshengTan1,LinglingMei2,WeiKuang1,JiameiPeng1
1HunanUniversityofArtsandSciences,ChangdeHunan
2FurongCollege,HunanUniversityofArtsandSciences,ChangdeHunan
Received:Apr.29th,2022;accepted:Jun.30th,2022;published:Jul.7th,2022
ABSTRACT
ThispaperusesTIspecialliquidmeasurementchipMSP430FR6047asthecore,designsanultrasonicwatermeterbasedontheprincipleoftimedifferencemethod(ToF)measurement,completesthedesignofthehardwareandsoftwareofthewatermeterpartoftheliquidmeasurementsystem,makestherealobject,andcompletesthetest.Inwaterflowcondition,ToFdifferencecausedbyvelocitychangeofultrasonicbeammovingupanddowninwaterisanalyzedandprocessedtoobtainwaterflowvelocityandthencalculatewaterflow.ThisinformationisstoredininternalFRAManddisplayedonacustomizedLCDscreen.Ithasexcellentsmall-flowdetectionability,solvesmanyproblemsexistingintraditionalmechanicalwatermeters,andissuitableforsavingandrationalutilizationofwaterresources.Comparedwithmechanicalwatermeter,ithasthecharacteristicsofhigheraccuracy,betterreliability,longerservicelifeandnomovingpartsandsoon.
Keywords:UltrasonicWaterMeter,MSP430FR6047,ToF
ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY4.0).
1.引言
本文采用TI专用液体测量芯片MSP430FR6047，基于时差法(ToF)测量原理，采用低功耗设计技术，研制了一款超声波水表，解决了传统机械水表存在的问题，适用于水资源的节约和合理利用。
2.系统总体设计方案
Figure1.Systemoveralldesignschemediagram
该系统利用TI液体专用流量计芯片MSP430FR6047，通过时差法计量原理发收超声波获取水体流速进而将信息显示在定制的液晶上供用户读取。该控制器采用集成式低功耗加速器，内部集成了模拟前端能够直接与标准超声波传感器连接，需要的外部组件少，可实现基于高速ADC的信号采集以及后续优化数字信号处理，可在多种流速条件下提供高精度，为电池供电型计量应用提供了一款理想的超低功耗、高精度计量解决方案。
Figure2.Systemrunningstatemodeldiagram
3.超声波流量计测量原理
Figure3.Schematicdiagramofultrasonicmeasurementmethod
故水流速度可表示为：
水流量可表示为：
4.系统硬件设计
4.1.液晶显示布局
Figure4.LCDlayoutdiagram
4.2.电源模块设计
Figure5.CircuitdiagramofthePOWERmodule
5.系统软件设计
Figure6.Systemsoftwareflowchart
6.系统测试
Figure7.Thecapturedultrasonicwaveform
Figure8.Upstreamanddownstreamflighttimedynamicdiagram(3000dm3/h)
Figure9.Dynamicdiagramofthedifferenceintimeofflight(3000dm3/h)
Figure10.Velocitydynamicdiagram(3000dm3/h)
6.2.系统测试数据
Figure11.Testsystemdiagram
Figure12.Uppercomputerdiagramofsystemtest
Figure13.Testprototypedrawingdiagram
Table1.Testresultsforflowdata
7.结论
论文针对传统机械水表的缺点，基于时差法(ToF)测量原理，应用了TI专用水体流量计芯片MSP430FR6047设计并制作了一款超低功耗的超声波水表，实现了更加精确的水体流速及流量测量，具有测量稳定性好，运行功耗低，掉电不丢失数据等优点，测试结果表明：Q1~Q2的低区测量误差低于±5.0%；Q2~Q4的高区测量误差低于±2.0%，符合CJ/T434-2013《超声波水表》的要求，测试精度满足准确度等级2级及以上。
基金项目
湖南省自然科学基金资助项目(2020JJ6061)；2020年度湖南省大学生创新创业训练计划项目资助(3263)；2021年度湖南省大学生创新创业训练计划项目资助(4622)；2021年湖南文理学院大学生创新创业训练项目资助(XDC2021076)。