【技术大神】电子式温压补偿燃气表 —温压传感器部件的选型及设计

目前国家对环境保护的要求日趋严格，多省（目前以河北为主）启动了“煤改气”的巨大工程。因为“煤改气”是改建工程，绝大部分燃气表都是安装在户外，需要对燃气的体积进行温度、压力补偿。

众所周知，气体的体积对温度、压力的变化非常敏感，根据P、V、T方程，可以知道，在以标准状况（20℃、101.325kPa）为基准的条件下，温度每变化1℃，体积变化0.34%；压力每变化1kPa，体积变化0.99%。这样，在实际燃气体积计量中由环境温度、压力变化带来的燃气供销差就很“可观”。

在这种大的背景下，市场对温压补偿燃气表的大量需求迫在眉睫。目前正在执行的膜式燃气表国家标准GBT 6968-2011中只是规定了“机械温度补偿燃气表”的要求，因此目前市场上的温压补偿燃气表主要是机械式的，但是机械式温压补偿燃气表有后期误差大，机构卡死等缺点。电子式温压补偿燃气表具有精度高，使用期限内误差变化不大等优点，因此电子式温压补偿燃气表有很大的市场需求。

根据市场需求，新版膜式燃气表国家标准GBT 6968-201X（报批稿）中规定了燃气表内置气体体积转换装置（包括机械式和电子式）的技术要求和试验方法。因此电子式温压补偿燃气表的设计和研发已经迫在眉睫。

2  结构图及功能流程

图一 温压补偿燃气表控制器结构图

控制器由一般由微功耗单片机、电压管理模块、存储模块、声音报警模块、阀门控制模块、显示模块、采样计数模块、温度压力采集模块、和远传模块部分组成。具有精确计数、阀门自动处理、数据可靠存储、欠压、掉电处理、数据显示与声音提示、远程数据传输等功能。

温压补偿主要工作流程如下：

燃气表通气运行时，采样、计数模块采集基表的基础计量数据，发送给单片机，单片机启动温度、压力采集模块，采集到此时的温度和压力数据，带入气体状态方程公式，将工况计量的体积转换成标况状态，实际扣减计费。

3  温压传感器部件的选型

温压传感器部件是电子式温压补偿燃气表的核心部件，是温度、压力补偿准确性的关键。标准对电子式温压补偿燃气表温度最大允许误差和体积示值误差要求如下：

l  温度最大允许误差：电子式温压补偿燃气表温度最大允许误差为±0.5度。

l  体积示值误差：在燃气表初始误差的基础上放宽±0.5%。

根据上述要求，本着经济适用的原则，温压传感器部件选型如下：温度传感器选择SILICON LABS公司的Si7053，压力传感器选择TE公司的“MS5805-02BA01”。

温度传感器Si7053的主要指标如下：

l  High Accuracy Temperature Sensors

           Si7051: ±0.1 °C (max)

           Si7053: ±0.3 °C (max)

           Si7054: ±0.4 °C (max)

           Si7055: ±0.5 °C (max)

           Si7050: ±1.0 °C (max)

l  Wide operating voltage (1.9 to 3.6 V)

l  –40 to +125 °C operating range

l  Accuracy maintained over the

l   entire operating temperature and

l   voltage range

l   Low Power Consumption

l   195 nA average current @ 1 Hz sample rate

l  14-bit resolution

l  Factory calibrated

l  I²C interface

l   3x3 mm DFN package

Si7053体积小、功耗低、误差小，±0.3 °C的误差可以保证温度最大允许误差为<±0.5度。造成的体积示值误差<±0.1%。并且Si705X系列引脚功能兼容，如果后期想要更新产品，软件和硬件不需要做任何修改。

压力传感器MS5805-02BA01的主要指标如下：

l   High resolution module, 20 cm

l   Fast conversion down to 0.5 ms

l   Low power, 0.6 μA (standby < 0.15 μA at 25°C)

l   Integrated digital pressure sensor (24 bit ΔΣ ADC)

l    Supply voltage 1.8 to 3.6 V

l    Operating range: 300 to 1200 mbar, -40 to +85 °C

l    Extended pressure range: 10 to 2000 mbar

l   I²C interface

l    No external components (Internal oscillator)

l    Excellent long term stability

l    Sealing designed for 2.5 x 1mm O-ring

图二 Si7053参数表

MS5805-02BA01体积小、功耗低、压力已经温度修正、误差小，±4 mbar的误差可以因保证压力造成的体积示值误差<±0.4%。加上上述温度传感器造成的<±0.1%的误差，可以保证总体体积示值误差在燃气表初始误差的基础上增加值<±0.5%，符合标准要求。

4  温压传感器部件的设计

小编是某燃气表厂研发人员，从事燃气表开发设计多年，将电子式温压补偿燃气表温压传感器部件的设计及代码提供给大家，共参考。

温度传感器Si7053和压力传感器MS5805-02BA01都是I2C，可以复用设计，原理图如下：

图三 原理图

温度传感器Si7053参考代码如下（基于hal库）：

Tmpe1=BSP_Si7055_ReadData(0xE3);  //读取温度值

/******************************************************************************

函数名称: uint32_t BSP_Si7055_ReadData(uint16_t Addr)；

函数功能: 对Si7055读一个值

入口参数：uint16_t Addr                读取地址  

出口参数：

备    注：

*******************************************************************************/

float BSP_Si7055_ReadData(uint16_t Addr)

{

                   uint8_t value[2];

           uint32_t T,Hb;

           float Temp;

                   GPIO_InitStruct.Pin = Si7055_PWR_Pin;

    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;

    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;

    HAL_GPIO_Init(Si7055_PWR_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);    

                   HAL_GPIO_WritePin(Si7055_PWR_GPIO_Port, Si7055_PWR_Pin, GPIO_PIN_SET);

                   HAL_Delay(10);

           HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;   

//                 HAL_GPIO_WritePin(Si7055_PWR_GPIO_Port, Si7055_PWR_Pin, GPIO_PIN_SET);                                    //Si7055_PWR置1

                   HAL_Delay(10);

                   HAL_I2C_Init(&hi2c2);

                   HAL_I2CEx_ConfigAnalogFilter(&hi2c2, I2C_ANALOGFILTER_ENABLE);

                   HAL_Delay(10);

                   status = HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c2, Si7055READ, Addr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, value, 2, I2cxTimeout_Si7055);

                   HAL_Delay(10);

//                 HAL_GPIO_WritePin(Si7055_PWR_GPIO_Port, Si7055_PWR_Pin, GPIO_PIN_RESET);                                  //Si7055_PWR置0 

                   if(status != HAL_OK)                                                                                      //检测I2C通信状态

                   {      

                            I2C_Si7055_Error();                                                                                     // 调用I2C通信错误处理函数

                            HAL_GPIO_WritePin(Si7055_PWR_GPIO_Port, Si7055_PWR_Pin, GPIO_PIN_RESET);

                            return BSP_ERROR;

                   }

                   GPIO_InitStruct.Pin = Si7055_PWR_Pin;

    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;

    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;

    HAL_GPIO_Init(Si7055_PWR_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);              

                   Hb=(uint32_t)value[0]; 

                   T=(Hb<<8)+value[1];

                   Temp=175.72*T/65536-46.85;

} 

/******************************************************************************

函数名称: static void I2C_Si7055_Error (void);

函数功能: I2C通信错误处理函数

入口参数：

出口参数：

备    注：

*******************************************************************************/

BSP_Status_TypeDef I2C_Si7055_Error (void)

{  

    APP_Si7055_Error_Handle();

                   HAL_I2C_DeInit(&hi2c2);                                  // 反初始化I2C通讯总线   

                     //MX_I2C2_Init();                                        //重新初始化I2C通讯总线

                   hi2c2.Instance=I2C2;                      //重新初始化I2C通讯总线

                   hi2c2.Init.Timing = 0x2000090E;

                   hi2c2.Init.OwnAddress1 = 0;

                   hi2c2.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;

                   hi2c2.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;

                   hi2c2.Init.OwnAddress2 = 0;

                   hi2c2.Init.OwnAddress2Masks = I2C_OA2_NOMASK;

                   hi2c2.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;

                   hi2c2.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;

                   if (HAL_I2C_Init(&hi2c2) != HAL_OK)

                   {

                            BSP_Error_Handler();

                   }

                   if (HAL_I2CEx_ConfigAnalogFilter(&hi2c2, I2C_ANALOGFILTER_ENABLE) != HAL_OK)

                   {

                            BSP_Error_Handler();

                   }

                   return BSP_OK;

}      

温度传感器MS5805-02BA01参考代码如下（基于hal库）：

#define ADDR_W        0xEC  // Module address write mode

#define ADDR_R        0xED  // Module address read mode

#define CMD_RESET     0x1E  // ADC reset command

#define CMD_ADC_READ  0x00  // ADC read command

#define CMD_ADC_CONV  0x40  // ADC conversion command

#define CMD_ADC_D1    0x00  // ADC D1 conversion

#define CMD_ADC_D2    0x10  // ADC D2 conversion

#define CMD_ADC_256   0x00  // ADC OSR=256

#define CMD_ADC_512   0x02  // ADC OSR=512

#define CMD_ADC_1024  0x04  // ADC OSR=1024

#define CMD_ADC_2048  0x06  // ADC OSR=2048

#define CMD_ADC_4096  0x08  // ADC OSR=4096

#define CMD_ADC_8192  0x0a  //ADC OSR=8192

#define CMD_PROM_RD   0xA0  // Prom read command

#define I2cxTimeout   3000

uint8_t MS5805_Init(void)

{

    uint8_t i,n_crc,ci;

    uint16_t crx;

    cmd_reset(); // reset IC

    for (i=0; i<7; i++) {

        C[i]=cmd_prom(i);   // read coefficients

    }

    crx=C[0] & 0xf000;                   //MSB 4bit

    ci=crx>>12;

    n_crc=crc4(C);

    if(n_crc==ci)

        return 0;

    else

        return 1;

}

uint16_t cmd_prom(uint8_t coef_num)

{

    uint_8  temp_date[2]= {0};

    unsigned int rC=0;

                   uint_8 Buffer[2]={0};

           Buffer[0]=CMD_PROM_RD+coef_num*2;

    ms5805_transmit(Buffer,1); // send PROM READ command

    ms5805_receive(temp_date,2);

    rC=256*temp_date[0]+temp_date[1];

    return rC;

}

void cmd_reset(void)

{

           uint_8 Buffer[2]={0};

           Buffer[0]=CMD_RESET;

    ms5805_transmit(Buffer,1);

}

uint8_t crc4(uint16_t n_prom[]) // n_prom defined as 8x unsigned int (n_prom[8])

{

    int cnt; // simple counter

    uint16_t  n_rem=0; // crc reminder

    uint16_t  crc_read;

    uint8_t  n_bit;

    crc_read=n_prom[0];

    n_prom[0]=((n_prom[0]) & 0x0FFF); // CRC byte is replaced by 0

    n_prom[7]=0; // Subsidiary value, set to 0

    for (cnt = 0; cnt < 16; cnt++)    // operation is performed on bytes

    {   // choose LSB or MSB

        if (cnt%2==1) n_rem ^= (unsigned short) ((n_prom[cnt>>1]) & 0x00FF);

        else n_rem ^= (unsigned short) (n_prom[cnt>>1]>>8);

        for (n_bit = 8; n_bit > 0; n_bit--)

        {

            if (n_rem & (0x8000)) n_rem = (n_rem << 1) ^ 0x3000;

            else n_rem = (n_rem << 1);

        }

    }

    n_prom[0]=crc_read;

    n_rem= ((n_rem >> 12) & 0x000F); // final 4-bit reminder is CRC code

    return (n_rem ^ 0x00);

}

unsigned long cmd_adc(char cmd)

{

    uint_8  temp_date[3]= {0};

    unsigned long temp=0;

                   uint_8 Buffer[2]={0};

           Buffer[0]=CMD_ADC_CONV+cmd;

    ms5805_transmit(Buffer,1); // send conversion command

    switch (cmd & 0x0f) // wait necessary conversion time

    {

    case CMD_ADC_256 :

        HAL_Delay(1);

        break;

    case CMD_ADC_512 :

        HAL_Delay(3);

        break;

    case CMD_ADC_1024:

        HAL_Delay(4);

        break;

    case CMD_ADC_2048:

        HAL_Delay(6);

        break;

    case CMD_ADC_4096:

        HAL_Delay(10);

        break;

    case CMD_ADC_8192:

        HAL_Delay(20);

        break;

    }

                   Buffer[0]=CMD_ADC_READ;

    ms5805_transmit(Buffer,1);

    ms5805_receive(temp_date,3);

    temp=65536*temp_date[0]+256*temp_date[1]+temp_date[2];

    return temp;

}

HAL_StatusTypeDef ms5805_transmit( uint_8 *pBuffer, uint_16 Length)

{

           GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

    HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;

           GPIO_InitStruct.Pin = RTC_PULL_UP_Pin;

    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;

    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;

    HAL_GPIO_Init(RTC_PULL_UP_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

    HAL_GPIO_WritePin(RTC_PULL_UP_GPIO_Port, RTC_PULL_UP_Pin, GPIO_PIN_SET);

    HAL_Delay(5);

    status = HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c2, (uint_16)ADDR_W,  pBuffer, Length, 100);

    HAL_Delay(5);

           GPIO_InitStruct.Pin = RTC_PULL_UP_Pin;

    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;

    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;

    HAL_GPIO_Init(RTC_PULL_UP_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

//    HAL_GPIO_WritePin(RTC_PULL_UP_GPIO_Port, RTC_PULL_UP_Pin, GPIO_PIN_RESET);

    /* 检测I2C通信状态 */

    if(status != HAL_OK)

    {

        /* 调用I2C通信错误处理函数 */

        I2C_EEPROM_Error();

    }

    return status;

}

HAL_StatusTypeDef ms5805_receive(uint_8 *pBuffer, uint_16 Length)

{

           GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

    HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;

           GPIO_InitStruct.Pin = RTC_PULL_UP_Pin;

    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;

    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;

    HAL_GPIO_Init(RTC_PULL_UP_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

    HAL_GPIO_WritePin(RTC_PULL_UP_GPIO_Port, RTC_PULL_UP_Pin, GPIO_PIN_SET);

    HAL_Delay(2);

    status = HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c2, (uint_16)ADDR_R,  pBuffer, Length, 100);

           GPIO_InitStruct.Pin = RTC_PULL_UP_Pin;

    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;

    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;

    HAL_GPIO_Init(RTC_PULL_UP_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

//    HAL_GPIO_WritePin(RTC_PULL_UP_GPIO_Port, RTC_PULL_UP_Pin, GPIO_PIN_RESET);

    /* 检测I2C通信状态 */

    if(status != HAL_OK)

    {

        /* 调用I2C通信错误处理函数 */

        I2C_EEPROM_Error();

    }

    return status;

}

void MS5805_Read_T(void)

{

    D2=cmd_adc(CMD_ADC_D2+CMD_ADC_256); // read D2

}

void MS5805_Read_P(void)

{

    D1=cmd_adc(CMD_ADC_D1+CMD_ADC_256); // read D1

}

void MS5805_Cal_T_P(void)

{

    // calculate 1st order pressure and temperature (MS5607 1st order algorithm)

    dT=D2-C[5]*pow(2,8);

    OFF=C[2]*pow(2,17)+dT*C[4]/pow(2,6);

    SENS=C[1]*pow(2,16)+dT*C[3]/pow(2,7);

    TMP_Data.temperature_sensor=(2000+(dT*C[6])/pow(2,23))/100;

    P=(((D1*SENS)/pow(2,21)-OFF)/pow(2,15))/100;

    //T=T*10;

    P=P*100;

}

MS5805_Init();

MS5805_Read_T();

MS5805_Read_P();

MS5805_Cal_T_P();

5  展望

目前市场上的压力传感器都自带有温度传感器，但是根据上述标准要求，温度传感器误差不符合要求，电子温压补偿燃气表需要温度传感器和压力传感器各一颗。相信在未来的时间里，厂家可以提高在压力传感器中提高温度传感器误差等级，误差小于±0.3 °C。应用一颗复用的传感器就可以满足使用要求。

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