智能數(shù)碼熱泵供水系統(tǒng)40本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書41

1、( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！)智能數(shù)碼熱泵供水系統(tǒng)摘要：環(huán)境污染和能源危機(jī)已成為威脅人類生存的頭等大事，在這種背景下，以環(huán)保和節(jié)能為主要特征的綠色建筑及相應(yīng)的系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生， 熱泵系統(tǒng)正是滿足這些要求的新興系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)的智能熱泵供水系統(tǒng)是以環(huán)保、節(jié)能、節(jié)水為出發(fā)點(diǎn)的綠色系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的 eCOG1 單片機(jī)為主要控制核心，控制系統(tǒng)采用分布式的結(jié)構(gòu)，由主控制器和加熱控制器組成，并采用相互配合、相互監(jiān)督的雙CPU 控制模式。使用GPRS 通信，使跨地區(qū)、跨省的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信成為可能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。并且采用IC 卡結(jié)合指紋管理收費(fèi)，方便快捷。關(guān)鍵詞：熱泵IC 卡控制GPR

2、S 通信數(shù)碼控制0目錄：摘要前言第 1 章：熱泵技術(shù)及其工作原理 1.1 熱泵技術(shù)簡介1.2 熱泵系統(tǒng)分析和總體方案設(shè)計(jì)第 2 章：系統(tǒng)構(gòu)成2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及總體控制系統(tǒng)2.2 雙 CPU 電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析2.3 溫度測量部分溫度傳感器 AD590簡介AD590 工作原理及其測溫電路AD590 在熱泵供水系統(tǒng)中的運(yùn)用2.4 流量測量與控制部分基本原理工作原理水流量傳感器在智能數(shù)碼熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用2. 4. 4CWV-H0510 型水流量傳感器的特性2.5 液位控制2.5.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.5.2ispPAC10 的構(gòu)成及原理2.5.3ispPAC10 在智能數(shù)碼熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用2.5.

3、4軟件設(shè)計(jì)2.5.5抗干擾對(duì)策第 3 章： IC 卡及指紋終端描述3.1 IC 卡原理簡介3.2 熱泵 IC 卡系統(tǒng)的工作原理3.3 熱泵 IC 卡管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的幾個(gè)關(guān)鍵部分智能 IC 卡SLE4418選擇型號(hào)及功能介紹3.3.2智能 IC 卡通信協(xié)議3.3.3IC 卡系統(tǒng)安全3.3.4錯(cuò)誤檢測和恢復(fù)3.4.5系統(tǒng)的錯(cuò)誤檢測和恢復(fù)3.4 IC卡管理系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)3.5指紋識(shí)別技術(shù)在熱泵IC 卡管理系統(tǒng)中的應(yīng)用指紋自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的基本原理基于指紋識(shí)別的熱泵IC 卡管理系統(tǒng)的組成基于指紋識(shí)別的熱泵 IC 卡管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)第 4 章： GPRS無線傳輸方案4.1方法比較與方案的確定4.2 GPR

4、S 網(wǎng)絡(luò)工作原理4.3串行通信4.4系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和原理4.5軟件設(shè)計(jì)4.6上位機(jī)命令處理第 5 章：操作過程5.1 操作過程流程圖第 6 章：小結(jié)參考文獻(xiàn)前言當(dāng)今社會(huì)， 環(huán)境污染和能源危機(jī)已成為威脅人類生存的頭等大事，如何解決這一問題，已成為全人類的課題。在這種背景下，以環(huán)保和節(jié)能為主要特征的綠色建筑及相應(yīng)的系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，而熱泵系統(tǒng)正是滿足這些要求的新興系統(tǒng)。熱泵供水系統(tǒng)不僅可以通過低品位可再生能源的應(yīng)用達(dá)到節(jié)能的目的，還具有使用壽命長，加熱速度快，運(yùn)行穩(wěn)定和易于操作等優(yōu)點(diǎn)。特別是其熱效率超過300% 在目前世界能源普遍缺乏的情況下，將是未來熱水系統(tǒng)的主要產(chǎn)品。熱泵供水系統(tǒng)將在電廠建設(shè)、石油化

5、工、冶金、機(jī)械制造、輕紡、食品加工、賓館、學(xué)校、溫泉等場所得到廣泛應(yīng)用，市場前景廣闊。國外熱泵供水系統(tǒng)功能較完備，人機(jī)接口良好，調(diào)試方便，運(yùn)行可靠。缺點(diǎn)就是功能單一而且價(jià)格昂貴。國內(nèi)同類系統(tǒng)暴露出一些不足，例如：穩(wěn)定性、核心硬件和軟件算法落后，裝置功能單一，不利于廣泛推廣。智能熱泵供水系統(tǒng)主要通過將工業(yè)控制現(xiàn)場的溫度模擬量通過傳感器采集，再經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入計(jì)算機(jī)，由溫度控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的過程，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為溫度控制系統(tǒng)。自適應(yīng)溫度控制系統(tǒng)所做的工作就是將溫度傳感器采集到的溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)，根據(jù)自適應(yīng)算法計(jì)算出相應(yīng)的需要的控制

6、量，然后再由驅(qū)動(dòng)電路輸出，控制現(xiàn)場溫度變化的系統(tǒng)。該裝置采用先進(jìn)的eCOG1 單片機(jī)為主要控制核心，它有 16 位哈佛體系結(jié)構(gòu)的CPU ，同時(shí)具有16 位數(shù)據(jù)地址空間和24 位代碼地址空間，主頻為100MHz, 指令周期短、效率高、功能強(qiáng)大?？刂葡到y(tǒng)采用分布式的結(jié)構(gòu)，由主控制器和加熱控制器組成，可實(shí)現(xiàn)用水、控水無人值守，操作簡單，采用菜單式管理方式，設(shè)置參數(shù)容易，人機(jī)界面直觀友好，便于工作人員操作和監(jiān)控。根據(jù)采集到的參數(shù)，單片機(jī)能結(jié)合傳統(tǒng)的控制方式和現(xiàn)代較流行的模糊控制技術(shù)及自適應(yīng)控制進(jìn)行綜合決策，實(shí)現(xiàn)智能化控制。由于采用遞推等濾波方式，各類參數(shù)顯示平滑準(zhǔn)確。為了提高系統(tǒng)的可靠性、 減小由元器

7、件問題帶來的誤差、增強(qiáng)抗干擾性。 本裝置采用相互配合、相互監(jiān)督的雙 CPU 控制模式。兩個(gè) CPU 同時(shí)工作，互相監(jiān)督。將采集到的數(shù)據(jù)相互比較，如果結(jié)果相近，則直接采用該結(jié)果；如果結(jié)果相差過大，則通過分析，拋棄誤差較大的結(jié)果。使用無線通訊遠(yuǎn)程監(jiān)控供熱系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)（如時(shí)間控制、流量控制、水溫控制、收款控制），管理方便、抗干擾性強(qiáng)。所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，能在PC 機(jī)上加以顯示，工作人員也能對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程在線調(diào)整。而使用 GPRS 通信的好處是可以克服一般的嵌入式TCPIP通信只能局限在局域網(wǎng)內(nèi)的缺點(diǎn)，使跨地區(qū)、跨省的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信成為可能。采用 IC 卡結(jié)合指紋管理收費(fèi)，方便快捷，特別適合學(xué)校、醫(yī)院、賓館

8、等單位使用。第 1 章熱泵技術(shù)及其工作原理1.1熱泵技術(shù)簡介熱能根據(jù)其溫度的高低可分為低品位能源和高品位能源越接近環(huán)境溫度的熱能品位越低而高出環(huán)境溫度幅度越高，則熱能品位越高，我們生活所需供應(yīng)的熱水一般在0 100之間，均為低品位能源。地球環(huán)境內(nèi)的各種介質(zhì)均含有低品位的熱能。這些介質(zhì)包括土壤、地下水、河流、湖泊、海水、污水和空氣。以北京為例：土壤和地下水溫度全年約14左右， 空氣溫度一般為-1540。這些潛在能源品位很低用來發(fā)電幾乎是不可能的通常也不被計(jì)入可再生能源利用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。但是，這種低品位可再生能源完全適用于建筑供暖空調(diào)用能或生活熱水供給的目的。為了實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)目標(biāo)，必須借助熱泵技術(shù)的

9、運(yùn)用。根據(jù)獲取的自然能源的能量來源不同，大致可分為土壤源熱泵，水源熱泵 (地下水，地表水 )，海水源熱泵，污水源熱泵，空氣源熱泵幾大類。使用熱泵系統(tǒng)可同時(shí)滿足建筑物冬季供暖、夏季制冷和全年的生活熱水的要求，不僅可以通過低品位可再生能源的應(yīng)用達(dá)到節(jié)能的目的，還具有使用壽命長，運(yùn)行穩(wěn)定和易于操作等優(yōu)點(diǎn)?？梢哉f，熱泵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模利用自然能源向建筑物供能的必需技術(shù)途徑。熱泵技術(shù)的發(fā)展已歷經(jīng)一個(gè)多世紀(jì)，1824 年法國青年工程師卡諾首先提出熱力學(xué)循環(huán)理論，1852 年開爾文具體提出了熱泵的設(shè)計(jì)思想，但是由于當(dāng)時(shí)條件所限并未立即投入實(shí)際研發(fā)。直到1917 年德國卡賽伊索達(dá)制造廠首次把熱泵應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)

10、，這一技術(shù)才引起較大轟動(dòng)。但是當(dāng)時(shí)熱泵的初期投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他采暖設(shè)備，加上那個(gè)時(shí)代燃料能源價(jià)格低廉，而驅(qū)動(dòng)熱泵工作的電能卻十分昂貴，因此在經(jīng)濟(jì)上并不合算。另外，由于當(dāng)時(shí)壓縮機(jī)、換熱器等核心部件的制造工藝還不成熟，導(dǎo)致該技術(shù)并未得到發(fā)展和推廣。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，進(jìn)入 20 世紀(jì) 70 年代之后，世界范圍內(nèi)能源危機(jī)的爆發(fā)，加速了熱泵技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，而熱泵真正意義的商業(yè)應(yīng)用也只有近十幾年的歷史。冷水進(jìn)熱水出Qc水泵冷凝器膨脹絲電 能壓縮Qb機(jī)蒸發(fā)機(jī)Qa環(huán)境中吸收空氣的能量圖 11空氣源熱泵熱水器原理圖熱泵熱水器的工作原理可以分為兩個(gè)工作循環(huán)，即制冷劑循環(huán)回路和水循環(huán)回路，其工作流程如圖 1 1

11、所示。 在制冷劑的循環(huán)回路中，壓縮機(jī)吸入溫度較高的低壓制冷劑蒸汽，將其壓縮成為高溫高壓的氣體，再將這些高溫高壓氣體送入冷凝器中去進(jìn)行熱量交換。水循環(huán)回路中，冷水在水泵的作用下，進(jìn)入到冷凝器，在冷凝器中與高溫高壓氣體進(jìn)行熱交換，制成熱水。同時(shí)，冷凝器中的高溫高壓氣體變成了低溫低壓的氣體或液體，送入儲(chǔ)液罐。制冷劑從儲(chǔ)液罐中輸出后，經(jīng)過濾器、膨脹閥，進(jìn)入蒸發(fā)器從空氣中吸熱而蒸發(fā)。然后，制冷劑蒸汽再次被壓縮機(jī)吸入，開始下一個(gè)循環(huán)。通過這樣反復(fù)的循環(huán)工作，從而達(dá)到對(duì)水箱中的水加熱的目的。它本身消耗一部分電能，即壓縮機(jī)耗電Qb ；同時(shí)通過工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)在水冷板式換熱器(即冷凝器 )中進(jìn)行放熱 Qc，根據(jù)能量

12、守恒定律有：Qc=Qa+Qb ，即熱泵輸出的能量為壓縮機(jī)做的功Qb 和熱泵從環(huán)境中吸收的熱量Qa 之和；通常 Qa 為 Qb 的 3 倍以上，即能源利用效率達(dá)300以上，而通常的電熱水器能源利用效率僅為95左右 1。1.2控制系統(tǒng)分析和總體方案設(shè)計(jì)熱泵熱水器的主要控制點(diǎn)有：水泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、除霜電磁閥等。由于這些控制點(diǎn)都是開關(guān)量控制，因此可以采用繼電器控制。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)岜脽崴鞯墓ぷ鳡顟B(tài)，需要對(duì)熱水進(jìn)口溫度、熱水出口溫度、管壁溫度、壓縮機(jī)溫度等參數(shù)進(jìn)行檢測?？紤]到熱水器對(duì)溫度檢測精度的要求和產(chǎn)品的成本，該控制器采用熱敏電阻來檢測熱泵熱水器的水溫?？刂破鞑捎脝⑼嚎s機(jī)的方式控制熱水水溫，其具

13、體過程為：啟動(dòng)熱水器開始加熱：一旦熱水溫度高于設(shè)定溫度 1時(shí)關(guān)閉壓縮機(jī)：一旦熱水溫度低于設(shè)定溫度 1時(shí)啟動(dòng)壓縮機(jī)。如此反復(fù)循環(huán)，控制器能夠把熱水出口溫度控制在設(shè)定溫度± 1的范圍內(nèi)波動(dòng)， 既能較好地控制熱水溫度，又可避免過度頻繁地啟動(dòng)停止壓縮機(jī)。作為一款先進(jìn)的智能型熱泵熱水器控制器，它具有自動(dòng)化霜和故障報(bào)警等功能。當(dāng)熱水器的管壁溫度持續(xù)低于 -10?C 的時(shí)間達(dá)到30min 時(shí)，控制器自動(dòng)打開化霜電磁閥，停止壓縮機(jī)運(yùn)行，開始化霜，同時(shí)在 LED 顯示面板上顯示化霜標(biāo)記。停止化霜的條件為管壁溫度大于5?C 或化霜時(shí)間大于30min 。如果停止化霜時(shí)，管壁溫度未達(dá)到5?C，則在停止化霜3

14、0min 后，重新開始化霜。如果經(jīng)過3 次連續(xù)化霜管壁溫度都沒達(dá)到5?C，則停止化霜。同時(shí)，在顯示面板上顯示化霜不成功標(biāo)記，以提示用戶打開輔助電加熱。該控制器對(duì)熱水器主要故障，例如壓縮機(jī)高低壓故障和壓縮機(jī)溫度過高等，采取了保護(hù)性措施。當(dāng)控制器檢測到壓縮機(jī)出現(xiàn)高低壓異常時(shí)，立即停止熱水器運(yùn)行。同時(shí)在顯示面板上顯示故障類型，并把運(yùn)行指示燈改成閃爍狀態(tài)，以提示用戶。根據(jù)熱泵熱水器的控制要求和實(shí)際情況，控制器采用了雙單片機(jī)系統(tǒng)，一片(主系統(tǒng) )用于數(shù)據(jù)的采集和熱泵熱水器的控制，另一片(從系統(tǒng) )用于人機(jī)界面接口的實(shí)現(xiàn)，即按鍵和LED 的顯示，主、從CPU 之間的協(xié)調(diào)與通信采用串口通訊來實(shí)現(xiàn) 2。開關(guān)量

15、控制模塊顯示模塊溫串度口4路模擬量輸入采eCOGIKeCOGIK通集信模模塊塊按鍵模塊開關(guān)量采集模塊圖 12熱泵熱水器控制器系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖第 2 章系統(tǒng)構(gòu)成2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及總體控制系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)中采用賽恩公司最新出品的eCOG1K 微處理器為中控芯片，配合多功能數(shù)據(jù)采集芯片，也將大幅提高裝置的抗干擾性能，并降低功耗和成本。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖 2-1 所示。主要由兩片 eCOG1k 、輸入電路組成和輸出電路組成。溫度LED 顯示流量外部硬件液位CPUCPUIC 卡eCOGlkeCOGlk熱泵RS232PWM進(jìn)、出水指紋閥門聲光報(bào)警GPRS圖 2-1系統(tǒng)硬件組成框圖設(shè)定值控制系統(tǒng)進(jìn)溫度+熱

16、泵調(diào)節(jié)水量液位溫度流量圖 2-2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2雙 CPU 電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析采用雙 CPU 交互控制， 利用冗余原理提高保護(hù)裝置的可靠性。兩個(gè) CPU 同時(shí)工作， 互相監(jiān)督，將采集到的數(shù)據(jù)相互比較，如果結(jié)果相近，則直接采用該結(jié)果；如果結(jié)果相差過大，則通過分析，拋棄誤差較大的結(jié)果。通過該種相互配合、相互監(jiān)督的雙CPU 控制模式，可以大幅度提高系統(tǒng)的可靠性、減小由器件問題帶來的誤差、增強(qiáng)抗干擾性。另外，在硬件設(shè)計(jì)中采用賽恩公司最新出品的 eCOG1K 微處理器為中控芯片，配合多功能數(shù)據(jù)采集芯片，也將大幅提高裝置的抗干擾性能，并降低功耗和成本雙 CPU 電路系統(tǒng)是一種冗余結(jié)構(gòu)，包含2 個(gè)

17、CPU ，其中 1 個(gè) CPU 是主 CPU ，一般處于工作狀態(tài)，另1 個(gè)是備用CPU 。當(dāng)主CPU 正常工作時(shí)，備用CPU 的端口將自動(dòng)封鎖起來；當(dāng)主CPU將控制權(quán)交給備用CPU 或主 CPU 出現(xiàn)故障時(shí)，備用CPU 將啟動(dòng)，同時(shí)將主CPU 的端口封鎖。雙234CPU 電路的原理圖如圖2-3 所示：其端口控制的邏輯關(guān)系式為PAnXn *( A0 * B0 )Yn*( A0 * B0 )其中 n 1 4，可將以上布爾代數(shù)寫入GAL16V8 ，如圖 2 3 所示。0I/KLC0123VCCAAA0APPPPB09876543212111111111765432109CIC/OOOOOOOO/EV

18、IIIIIIIIOD12345678NIIIIIIIIG0123456789101230123XXXXYYYYU5PAL1 6 V8A04 04 14 24 34 412391 01 11 21 31 41 51 6487VCC78513CPU1PB0CC C(ADC0 ) PA037X04 0(T0 )C CC36X14 1PB1VVV(ADC1 ) PA1(T1 )35X24 2PB2(AIN0 )(ADC2 ) PA234X34 3PB3(AIN1 )(ADC3 ) PA3334 4PB4(SS)(ADC4 ) PA4321PB5(MOSI)(ADC5 ) PA5312PB6(MISO)

19、(ADC6 ) PA6303PB7(SCK)(ADC7 ) PA7PD0(RXD)PC0199201 0PD1(TXD)PC1211 1PD2(INT0 )PC2221 2PD3(INT1 )PC3231 3PD4(OC1 B)PC4241 4PD5(OC1 A)PC5251 5PD6(ICP)(TOSC1) PC6261 6PD7(TOSC2 )(TOSC2) PC7RESETAREF29428AGND278X1AVCCD D DN N N7X2G G GMASTER89631VCC78513CPU2PB0CC C(ADC0) PA03 7Y0(T0 )C CC3 6Y1PB1VVV(ADC

20、1) PA1(T1 )3 5Y2PB2(AIN0 )(ADC2) PA23 4Y3PB3(AIN1 )(ADC3) PA33 3PB4(SS)(ADC4 ) PA43 2PB5(MOSI)(ADC5 ) PA53 1PB6(MISO)(ADC6 ) PA63 0PB7(SCK)(ADC7 ) PA7PD0(RXD)PC01 9A02 0B0PD1(TXD)PC12 1PD2(INT0 )PC22 2PD3(INT1 )PC32 3PD4(OC1 B)PC42 4PD5(OC1 A)PC52 5PD6(ICP)(TOSC1) PC62 6PD7(TOSC2 )(TOSC2) PC7RESETAR

21、EF2 92 8AGND2 7X1AVCCD D DX2N N NG G GSLAVE68913圖 2-3 雙 CPU冗余電路原理圖對(duì)雙 CPU 電路進(jìn)行分析：定義：CPU(1) 為主 CPU234CPU(0) 為輔助 CPUCPU(F) 為 CPU 的失控狀態(tài)為 CPU1 的輸出 ,為 CPU1 的輸出分析三種工作狀態(tài) :一般情況下為 CPU1(1) CPU2(0), 此時(shí) =,輸出 =如果 CPU1(F), CPU2(0)變成 CPU2(1), 同時(shí) =1,此時(shí) =如果 CPU1(0), CPU2(0),同時(shí) =,輸出 =由以上分析可知無論在什么情況下,都能正常工作。CPU2 不斷檢測 C

22、PU1 是否有中斷發(fā)生， 以此判斷 CPU1 是否正常工作， 如果沒有 CPU2(0) 變成 CPU2(1), 同時(shí) =1。2.3 溫度測量部分溫度傳感器 AD590 簡介AD590 是 AD 公司利用 PN 結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。它不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪聲等的干擾。這種器件在被測溫度一定時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動(dòng)的特性。即使電源在 5 15V 之間變化，其電流只是在 l A 以下作微小變化，同時(shí)也適用于本文所要求的模塊化、分體式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。AD590 的主特性參數(shù)如下：工作電壓： 4 30V工作

23、溫度：一55 +150保存溫度：一65 +175正向電壓： +44V反向電壓：一20V焊接溫度 (10 秒 )： 300靈敏度： l AKAD590 工作原理及其測溫電路其工作原理為： 以 AD590 為一橋臂的測溫電橋采取到的溫度信號(hào)，經(jīng)差動(dòng)放大并進(jìn)行緩沖隔離后一路送至數(shù)顯表進(jìn)行數(shù)字化溫度顯示，另一路與設(shè)定值相比較，比較出來的差值由開關(guān)K 控制可選擇送入兩路調(diào)節(jié)控制器。其中一路由比較放大器和繼電器組成，以此為調(diào)節(jié)控制器可使該裝置形成一個(gè)無需與計(jì)算機(jī)相連的獨(dú)立的測控溫設(shè)備；另一路由PID 調(diào)節(jié)器 (由 AD 、DA 與裝有 PID 調(diào)節(jié)軟件的計(jì)算機(jī)構(gòu)成)和可控硅組成，從調(diào)節(jié)控制器出來的信號(hào)通過

24、控溫執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)溫度控制。用半導(dǎo)體溫度傳感器AD590(IC4) 配上相關(guān)電路，可構(gòu)成0 100?C 溫度檢測器。此時(shí)傳感器AD590 的輸出電流與絕對(duì)溫度成正比，在溫度-55 150?C 時(shí)，其電流靈敏度為1A 絕對(duì)溫度1 度。例如傳感器測室內(nèi)溫度為25?C 時(shí)，其輸出電流為298A( 絕對(duì)溫度 =273+25=298K ，因 1K 的電流輸出為 l A，則 298K 時(shí)傳感器輸出為298A) 。該 0 100?C 溫度監(jiān)測器電路原理如圖2-5 所示：+12VIC4277AD590R51K-IC16Vs26外殼741IC2CPU3Vr741至4R634VtR21K1KR9R110082027

25、1KR8 1KIC3R7VR1374164704-12VR3 4.7KVR2 1KR4ZD14703V圖 2-5溫度監(jiān)測器電路原理圖IC1 與 IC3 是電壓跟隨器， 起緩沖作用， 防止負(fù)載對(duì)信源的影響， 如傳感器輸出電流為 298 A，適當(dāng)調(diào)整傳感器的電位器 VR1 ，使 ICl 第腳輸入電壓為 298mV ，則 IC1 第腳輸出也為 298mV ，適當(dāng)調(diào)整 VR2 可使 IC3 的第腳輸入為 273mV ，因而 IC3 的第腳輸出也為 273mV 。 IC2 及其外圍電路組成減法器， 其第腳輸出電壓為ICl 輸出電壓與IC3 輸出電壓之差， 即 Vt=298 273=25mV ，將Vt 電

26、壓信號(hào)送入顯示電路，就會(huì)在液晶顯示屏或萬用表上顯示攝氏溫度的數(shù)值( 本例中輸出25mV ，在顯示電路上將顯示25?C) 。本電路的校準(zhǔn)步驟如下：首先將傳感器放入冰中(0?C) ，并調(diào)整VR2 ，使電路輸出為0mV( 用萬用表測試)。然后將傳感器浸入沸水(100?C)中，調(diào)整VR2 使萬用表讀數(shù)為 100mV ，校準(zhǔn)即可結(jié)束。只要有溫度變化，傳感器輸出電壓就發(fā)生改變，IC2 就立刻得到兩個(gè)電壓的差值，溫度就會(huì)連續(xù)不斷的顯示出來3。最后溫度測控裝置的調(diào)節(jié)控制器中的一路采用了PID 調(diào)節(jié)器 (比例積分微分調(diào)節(jié)器)，它能根據(jù)溫度設(shè)定值與實(shí)際值之差的比例值、積分值、微分值來確定控制量的大小。溫度測控裝置

27、主要采用的是輸出反饋型控制，從這一原理出發(fā)就可以實(shí)現(xiàn)恒溫箱的設(shè)定值和實(shí)際值之差為最小。AD590 在熱泵供水系統(tǒng)中的運(yùn)用在供熱過程中，流量采集儀表測量出熱水的流量、溫度、壓力，并將測得的物理量通過AD590轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)由 RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口傳輸給 IC 卡計(jì)費(fèi)監(jiān)控裝置，監(jiān)控裝置計(jì)算當(dāng)前用戶熱能費(fèi)率，進(jìn)行實(shí)時(shí)累加，并從 IC 卡中扣除費(fèi)用。通過溫度傳感器我們可以任意控制水的加熱溫度，以滿足使用者的不同需求，同時(shí)也為節(jié)能提供了根據(jù)。在使用者的終端界面，使用者可以根據(jù)需要選定溫度，然后終端控制系統(tǒng)將選定的溫度數(shù)據(jù)通過無線傳輸發(fā)送到加熱控制系統(tǒng)，將自來水快速的加熱到所需溫度，以滿足使用者的需要

28、。我們可以將溫度傳感器安裝在距離電機(jī)較遠(yuǎn)的地方，以減少電磁干擾，從而使溫度傳感器的準(zhǔn)確度更高。2.4 流量測量與控制部分基本原理半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I 流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。磁感應(yīng)強(qiáng)度B 為零時(shí)的情況：圖 2-6磁感應(yīng)強(qiáng)度 B為零時(shí)的情況磁感應(yīng)強(qiáng)度B 較大時(shí)的情況：作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度B 越強(qiáng)，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱菘捎孟率奖硎荆簣D 2-7磁感應(yīng)強(qiáng)度 B較大時(shí)的情況水流量傳感器是利用霍爾元件的霍爾效應(yīng)來測量磁性物理量。在霍爾元件的正極串入負(fù)載電阻，同時(shí)通上5 V 的直流電壓并使電流方

29、向與磁場方向正交。當(dāng)水通過渦輪開關(guān)殼推動(dòng)磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生不同磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，切割磁感應(yīng)線，產(chǎn)生高低脈沖電平。由于霍爾元件的輸出脈沖信號(hào)頻率4脈沖信號(hào)頻率的經(jīng)驗(yàn)公式見式2-1:f8.1 q 3式 2-1則水流量為：式 2-2式中 - 脈沖信號(hào)頻率，Hz- 水流量， Lmin進(jìn)入CPU外中斷圖2-7轉(zhuǎn)換電路T0T1T圖2-8方波周期式 2-3式 2-4流量輸出的脈沖頻率為鋸齒波，經(jīng)過如圖2 7 轉(zhuǎn)換電路后轉(zhuǎn)化為方波可以被CPU 直接讀取，同時(shí)開始計(jì)數(shù)。如圖 2-8 所示，在下降沿脈沖觸發(fā)開始計(jì)數(shù)至下一個(gè)下降沿脈沖觸發(fā)為一個(gè)周期，則頻率如式2-4 計(jì)算可得，這個(gè)頻率可以直接被CPU 讀取。由水流

30、量傳感器的反饋信號(hào)通過控制器判斷水流量的值。根據(jù)熱泵系統(tǒng)機(jī)型的不同，選擇最佳的啟動(dòng)流量，可實(shí)現(xiàn)超低壓(0 02 MPa 以下 ) 啟動(dòng)。工作原理水流量傳感器主要由銅閥體、水流轉(zhuǎn)子組件、穩(wěn)流組件和霍爾元件組成(見圖 2-5)。它裝在熱水器的出水端用于測量出水流量。當(dāng)水流過轉(zhuǎn)子組件時(shí)，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，并且轉(zhuǎn)速隨著流量成線性變化。霍爾元件輸出相應(yīng)的脈沖信號(hào)反饋給控制器，由控制器判斷水流量的大小，調(diào)節(jié)控制比例閥的電流，從而通過比例閥控制熱水量，避免熱泵系統(tǒng)在使用過程中出現(xiàn)夏暖冬涼的現(xiàn)象。水流量傳感器從根本上解決了壓差式水氣聯(lián)動(dòng)閥啟動(dòng)水壓高以及翻板式水閥易誤動(dòng)作出現(xiàn)干燒等缺點(diǎn)。水流量傳感器在智能數(shù)碼熱泵系

31、統(tǒng)中的應(yīng)用湛江中信電磁閥有限公司口徑為 3cm 的 CWV-H0510 型水流量傳感器，它價(jià)格較低，體積小、重量較輕便于攜帶，而實(shí)際生活應(yīng)用中可以根據(jù)自己的需要，定制口徑和接線端連接方式和線路長短。CWV-H0510 型水流量傳感器如圖2-10 所示：圖2-10 CWV-H0510型水流量傳感器型水流量傳感器的特性使用條件a.額定工作電壓：DC 5Vb.額定電壓范圍：DC 5 18Vc.使用溫度范圍：-20 +80。 C( 無結(jié)冰狀態(tài) )d.使用溫度范圍：35% 90%RH( 無結(jié)霜狀態(tài) )e.允許耐壓：1.2MPa 以下流量脈沖特性脈沖頻率（ Hz ）（ 8.1Q-3 ） 10%( 垂直方向

32、安裝)=流量（ Lmin ）密封型封閉各孔，加1.2MPa 水壓試驗(yàn)1 分鐘無泄漏和變形現(xiàn)象。2.3 液位控制液位是許多工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)之一，在化工、冶金、醫(yī)藥、航空等領(lǐng)域里，對(duì)液位的測量和控制效果直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。以小電容感應(yīng)元式多層液位傳感器為核心研制的液位控制系統(tǒng)能對(duì)液位進(jìn)行巡回檢測、顯示和報(bào)警，同時(shí)采用增量式PID 控制算法對(duì)液位進(jìn)行智能控制。由于單片微型計(jì)算機(jī)具有體積小，耗電少，控制精度高，運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)小電容感應(yīng)元式液位傳感器由按照特定方式排列的一組平板小電容組成。電容的最佳排列方式依據(jù)具體的測量要求確定。一般地，可以將傳感器做成板狀

33、。每個(gè)電容的兩個(gè)極板，做成長方形，并排排列，所有電容縱向排成一列，保持等間距。實(shí)驗(yàn)證明，可以做成所有小電容有一公共極板的結(jié)構(gòu)。為保證電容在液體中不被腐蝕，使用聚四氟乙烯薄膜覆蓋整個(gè)傳感器。由傳感器的結(jié)構(gòu)可以看到，每一個(gè)小電容由兩塊極板、表面的聚四氟乙烯薄膜和兩塊極板間的測量介質(zhì)組成。平板電容器結(jié)構(gòu)的電容值C 由下式?jīng)Q定：其中：極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；A平行極板有效面積；d極板間距離。位于同一介質(zhì)中的小電容將具有相近的電容值。用掃描方式獲取每一個(gè)小電容的電容值，會(huì)獲得與分層液位相應(yīng)的幾組電容值。在液位的分界面會(huì)出現(xiàn)大的電容值的躍變。由于在傳感器的安裝中，每個(gè)小電容的位置與具體液位相對(duì)應(yīng)，通過判斷電

34、容值發(fā)生較大躍變的位置，從而獲得分層液面的位置。調(diào)頻電路將電容式傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，變化，就使振蕩器的頻率f 產(chǎn)生相應(yīng)的變化。如圖2-11 所示：電容發(fā)生圖 2-11 調(diào)頻電路通過嚴(yán)格時(shí)序控制的多路開關(guān)的開合， 掃描整個(gè)小電容陣列， 可獲得各個(gè)電容的對(duì)應(yīng)電壓值 V ，據(jù)此判斷液位的分界面。如果為理想狀態(tài)，每個(gè)處于同一介質(zhì)中的小電容單元必然有相同的對(duì)應(yīng)電壓 V 的輸出。掃描與位置對(duì)應(yīng)的小電容陣列，必然得到與位置分布規(guī)律相同的 V ，則很容易獲得介質(zhì)的分界面。小電容感應(yīng)元式液位傳感器的主要芯片是ispPAC10。在智能數(shù)碼熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用ispPAC10 構(gòu)件

35、中，輸入與輸出完全不同。和單端IO 比起來，他有有效的雙動(dòng)態(tài)范圍。根據(jù)說明還可以產(chǎn)生和改善功能，如普通輸入模式拒絕總音調(diào)失真。不同的峰-峰值電壓由不同的輸入、輸出引腳末端的信號(hào)決定，例如：若V+=3 V ， V-=1 V ，則差壓為 +2 V 。由于可以在不同的IO 引腳上存在不同的極性電壓，因此也可以V+=1 V ，V-=3V ，則差壓為2V 。計(jì)算2 個(gè)引腳末端的電壓差，為|+2（2） |=4 V ，可以看出絕對(duì)差壓信號(hào)產(chǎn)生了有效的動(dòng)態(tài)范圍。雖然輸入與運(yùn)放相聯(lián)，但沒有改變內(nèi)部線路，所以輸入極性可編程且不影響輸入的阻抗和動(dòng)態(tài)性能。單端運(yùn)放可以使用一個(gè)輸入和 (或 ) 輸出引腳來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)需要

36、，調(diào)整增益，以達(dá)到需要輸出的電平值。ispPAC10 工作時(shí)， 由單一的 +5 V 供電，包括內(nèi)部產(chǎn)生的2.5 V 參考基準(zhǔn)電壓。參考電壓可通過電壓參考模式或VREFOUT引腳有效輸出到外部熱泵系統(tǒng)中，普通模式輸出經(jīng)常為2.5 V ，而與輸入模式電平無關(guān)需要時(shí)，可用一外部電壓替代VREFOUT ，但可選的普通模式輸出電壓VCM必須由用戶通過CMVIN輸入引腳提供，惟一的限制是參考電壓必須介于1.25 3.25V 之間，當(dāng)用外部電壓代替，并且PAC10 必須被編程時(shí)，在每一個(gè)PAC 模塊的基礎(chǔ)上，用外部參考源替代內(nèi)部的 2.5V 。輸出電壓量經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后接到CPU中，通過PID算法對(duì)液位上限、

37、下限的設(shè)置。根據(jù)不同的電壓值對(duì)應(yīng)著不同的液位來實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)、出水閥們的控制。但設(shè)置時(shí) ispPAC10 不能超過 5 V 電源信號(hào)調(diào)節(jié) 8 。軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件主要由主程序、采樣程序和PID 算法程序和一些子程序組成。主程序的流程圖如圖2-14 所示：STARTCPU 初始化參數(shù)設(shè)定Y有按鍵否？鍵處理N顯示實(shí)時(shí)液位值采樣子程序數(shù)據(jù)處理子程序控制流量閥門圖 2-14主程序流程圖主程序的主要功能是完成CPU 的初始化，設(shè)置液位的上限和下限，顯示實(shí)時(shí)液位值，鍵掃描等工作。采樣和數(shù)據(jù)處理模塊：本系統(tǒng)利用定時(shí)循環(huán)輪流對(duì)8 個(gè)液位進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并采用PID 控制方案。由于本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

38、是步進(jìn)電機(jī)，所以我們采用了增量式PID 控制。根據(jù)遞增原理可得：kukk p e ( k )kie ( i )k d e ( k )e ( k1 )i0式中： e(k)(k)y(k)為第 k時(shí)刻所得偏差信號(hào)， rk是給定值， yk是實(shí)際輸出值；kp為比例增益， k2為積分系數(shù)， kd為微分系數(shù)。則增量控制算法為：u(k)K p e(k)e(k1)k2e(k)kd e(k)2e( k1)e( k2)根據(jù)以上推導(dǎo)，得到增量式PID 控制算法的程序流程圖如圖2-15 所示。子程序入口計(jì)算 e(k)0=r(k)-y(k)計(jì)算 Kp ×e(K)計(jì)算 Kie(K)-e(K-1)計(jì)算 kie(k0

39、-2e(k-2)+e(k-2)求取 u(k)子程序返回圖 2-15 增量式 PID 控制算法的流程圖用戶可以通過鍵盤設(shè)定液位的上限值和下限值，以及在任意時(shí)候顯示液位的上下限值。當(dāng)液位的高度超出或低于設(shè)定值時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警，以提醒操作人員進(jìn)行及時(shí)的處理?？垢蓴_對(duì)策硬件抗干擾設(shè)計(jì)：系統(tǒng)電源是一個(gè)重要部件，又是與外部電網(wǎng)直接聯(lián)系的部分，為了防止從電源系統(tǒng)引入干擾信號(hào)，在電源輸入端設(shè)置低通濾波器，濾去高次諧波成份。另外還采用了eCOG1k中的看門狗定時(shí)器，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)硬件抗干擾的能力。軟件抗干擾設(shè)計(jì)：在程序設(shè)計(jì)時(shí)，將各程序模塊分區(qū)存放，彼此之間空出一些存儲(chǔ)單元，在這些單元中填充FF （ RST 指

40、令）。同時(shí)對(duì)程序中重要的跳轉(zhuǎn)和調(diào)用子程序指令前均加入三個(gè)NOP 指令，以保證程序流向的正確性，因?yàn)镻C 只要錯(cuò)一個(gè)數(shù)碼，那么整段程序就會(huì)面目全非，從而造成檢測系統(tǒng)的混亂。利用滑動(dòng)平均濾波法求取平均值。將最近6 次采樣得到的液位值，去除最大值和最小值，剩下的 4 個(gè)數(shù)據(jù)求算術(shù)平均值。該液位智能控制系統(tǒng)采用了單片機(jī)作為主控制器，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，抗干擾性強(qiáng)，由于應(yīng)用了 PID 控制方案，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，具有一定的實(shí)用價(jià)值。第3章IC卡及指紋終端介紹3.1 IC卡原理簡介IC 卡工作的基本原理是：射頻讀寫器向IC 卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個(gè)IC 串聯(lián)諧振電路，

41、其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，這樣在電磁波激勵(lì)下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷；在這個(gè)電荷的另一端，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲(chǔ)，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2V 時(shí)，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接受讀寫器的數(shù)據(jù)。3.2熱泵 IC 卡系統(tǒng)的工作原理系統(tǒng)分為軟件和硬件兩部分。軟件包括IC 卡熱泵供熱管理系統(tǒng)軟件、智能接觸式IC 卡計(jì)費(fèi)監(jiān)控裝置中PIC 程序。硬件則包括裝有供熱管理系統(tǒng)軟件的PC 機(jī)、液晶顯示屏、智能接觸式IC 卡片、 IC 卡讀寫器、 IC 卡計(jì)費(fèi)監(jiān)控裝置、控制閥和現(xiàn)場流量采集儀表。這其中，流量采集儀表即是熱泵熱

42、水出口流量的檢測儀表。用智能 IC 卡對(duì)熱泵進(jìn)行計(jì)費(fèi)和管理控制的基本思想是對(duì)供應(yīng)熱水的用戶建立與之相對(duì)應(yīng)的IC卡計(jì)費(fèi)監(jiān)控裝置和IC 卡賬號(hào)，以預(yù)付款的方式進(jìn)行供熱水。用戶先在供應(yīng)熱水的管理部門往IC 卡中存入一定量的金額，管理部門通過IC 卡讀寫器將相應(yīng)數(shù)額充入IC 卡中，用戶持充值后的IC 卡插到智能熱泵計(jì)費(fèi)監(jiān)控裝置中，如果用戶卡上的信息正確且通過合法性檢查，則供熱控制閥開啟，開始供應(yīng)熱水。在供熱過程中，流量采集儀表測量出熱水的流量、溫度、壓力，并將測得的物理量通過AD590轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)由 RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口傳輸給 IC 卡計(jì)費(fèi)監(jiān)控裝置，監(jiān)控裝置計(jì)算當(dāng)前用戶熱能費(fèi)率，進(jìn)行實(shí)時(shí)累加，并

43、從 IC 卡中扣除費(fèi)用。3.3熱泵 IC 卡管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的幾個(gè)關(guān)鍵部分IC 卡管理系統(tǒng)的組成有硬件也有軟件，如何把硬件和軟件較好地組織在一起實(shí)現(xiàn)供熱水管理，是問題的關(guān)鍵。下面就其中幾個(gè)關(guān)鍵部分給予說明。智能 IC 卡 SLE4418選擇型號(hào)及功能介紹I C 卡是用來使用和管理熱泵系統(tǒng)的媒介，本系統(tǒng)選擇西門子公司的接觸式IC 卡 SLE4418 。SLE4418IC 卡共有1024× 8 位 EEPROM ，可逐字節(jié)地進(jìn)行寫操作與刪除操作，每個(gè)字節(jié)都有具有程序?qū)懕Ｗo(hù)位。除了以上功能外，SLE4418 還帶有程序密碼校驗(yàn)邏輯(PSC) ，此卡的基本特點(diǎn)如下：具有 1024 ×8 位的 EEPROM存儲(chǔ)器；以字節(jié)為編址單位；具有 1024 ×1 位保護(hù)存儲(chǔ)器，保護(hù)存儲(chǔ)器設(shè)置后不可撤消；三線串行總線；可進(jìn)行 10 萬次擦寫操作；數(shù)據(jù)保存10 年；卡內(nèi)具有2 個(gè)字節(jié)的PSC 程序加密位， 數(shù)據(jù)僅在密碼檢驗(yàn)正確后，方可進(jìn)行寫操作。在本系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由CPU 將處理后的指紋圖像信息寫入到IC 卡中存儲(chǔ)。本熱泵系統(tǒng)以IC 卡作為管理媒介，使裝置能按用戶預(yù)付費(fèi)購得的熱量開閥供熱水，當(dāng)預(yù)購熱水量用盡時(shí)，需要自動(dòng)關(guān)閉供