【正文】 泵供水系統(tǒng)主要通過(guò)將工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的溫度模擬量通過(guò)傳感器采集，再經(jīng) A/D 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(guò)程， 相應(yīng)的系統(tǒng)稱為溫度控制系統(tǒng)。熱泵供水系統(tǒng)將在電廠建設(shè)、石油化工、冶金、機(jī)械制造、輕紡、食品加工、賓館、學(xué)校、溫泉等場(chǎng)所得到廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)前景廣闊。 關(guān)鍵詞： 熱泵 IC 卡控制 GPRS 通信 數(shù)碼控制 1 目 錄 ： 摘要 前言 第 1 章：熱泵技術(shù)及其工作原理 熱泵技術(shù)簡(jiǎn)介 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 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 及總體控制系統(tǒng) 雙 CPU 電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析 溫度測(cè)量部分 溫度傳感器 AD590簡(jiǎn)介 AD590 工作原理及其測(cè)溫電路 AD590 在熱泵供水系統(tǒng)中的運(yùn)用 流量 測(cè)量與控制部分 基本原理 工作原理 CWVH0510水流量傳感器在智能數(shù)碼熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用 CWVH0510 型水流量傳感器的特性 液位控制 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ispPAC10 的構(gòu)成 及 原理 ispPAC10 在 智能數(shù)碼熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用 軟件設(shè)計(jì) 抗干擾對(duì)策 第 3 章 ： IC 卡及指紋終端 描述 IC 卡原理簡(jiǎn)介 熱泵 IC 卡系統(tǒng)的工作原理 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 智能 IC卡 通信協(xié)議 IC卡 系統(tǒng)安全 錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù) 系統(tǒng)的錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù) IC 卡管理系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn) 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(wú)線傳輸方案 方法比較與方案的確定 2 GPRS 網(wǎng)絡(luò)工作原理 串行通信 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和原理 軟件設(shè)計(jì) 上位機(jī)命令處理 第 5 章 ： 操作過(guò)程 操作過(guò)程流程圖 第 6 章： 小結(jié) 參考文獻(xiàn) 3 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(wèn)題，已成為全人類的課題。 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。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)。國(guó)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。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)的需要的控制量，然后再由驅(qū)動(dòng)電路輸出，控制現(xiàn)場(chǎng)溫度變化的系統(tǒng)。由于采用遞推等濾波方式，各類參數(shù)顯示平滑準(zhǔn)確 。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(guò)大，則通過(guò)分析，拋棄誤差較大的結(jié)果。 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、賓館等單位使用 。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 15℃～40℃。根據(jù)獲取的自然能源的能量來(lái)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。直到 1917 年德國(guó)卡賽伊索達(dá)制造廠首次把熱泵應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，這一技術(shù)才引起較大轟動(dòng)。 冷 凝 器蒸 發(fā) 機(jī)壓縮機(jī)Q a環(huán) 境 中 吸 收 空 氣 的 能 量Q b能電Q c膨 脹 絲熱 水 出冷 水 進(jìn)水 泵 圖 1－ 1 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 所示。制冷劑從儲(chǔ)液罐中輸出后，經(jīng)過(guò)濾器、膨脹閥，進(jìn)入蒸發(fā)器從空氣中吸熱而蒸發(fā)。 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?？刂破鞑捎脝⑼嚎s機(jī)的方式控制熱 5 水水溫，其具體過(guò)程為：?jiǎn)?dòng)熱水器開(kāi)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)。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(kāi)化霜電磁閥，停止壓縮機(jī)運(yùn)行，開(kāi)始化霜，同時(shí)在 LED 顯示面板上顯示化霜標(biāo)記。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(kāi)輔助電加熱。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(lái)實(shí)現(xiàn) [2]。 6 外 部 硬 件溫 度流 量進(jìn) 、 出 水閥 門(mén)聲 光 報(bào) 警C P Ue C O G l kL E D 顯 示P W MI C 卡指 紋G P R S液 位 熱 泵 C P Ue C O G l kR S 2 3 2 圖 21 系統(tǒng)硬件組成框圖 控 制 系 統(tǒng) 進(jìn)水 量液 位熱 泵 調(diào) 節(jié)溫 度流 量+設(shè) 定 值溫 度 — 圖 22 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 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。當(dāng)主 CPU 正常工作時(shí)，備用 CPU 的端口將自動(dòng)封鎖起來(lái)；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。 溫度測(cè)量部分 溫度傳感器 AD590 簡(jiǎn)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。即使電源在 5～ 15V之間變化，其電流只是在 l181。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(wú)需與計(jì)算機(jī)相連的獨(dú)立的測(cè)控溫設(shè)備；另一路由 PID 調(diào)節(jié)器 (由 A／ D、 D／ A 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(lái)的信號(hào)通過(guò)控溫執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)溫度控制。例 如傳感器測(cè)室內(nèi)溫度為 25?C 時(shí)，其輸出電流為 298181。該 0～ 100?C 溫度監(jiān)測(cè)器電路原理如 圖 25 所示： 9 Z D 13VI C 17 41V R 14 70V R 2 1KI C 37 41+ 12 VR8 1KR61KR7 1KR18 20R44 70R5 1KR21KR3 4 .7 K 12 V+I C 4A D 5 90外殼VsVr2346723 46723467I C 27 41R91 00至 C P UVt 圖 25 溫度監(jiān)測(cè)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 298181。然后將傳感器浸入沸水 (100?C)中，調(diào)整 VR2 使萬(wàn)用表讀數(shù)為 100mV，校準(zhǔn)即可結(jié)束。 AD590 在熱泵供水系統(tǒng)中的運(yùn)用 在供熱過(guò)程中，流量采集儀表測(cè)量出熱水的流量、溫度、壓力，并將測(cè)得的物理量通過(guò) 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。 流量 測(cè)量與控制部分 基本原理 10 半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流 I 流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) HE ，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。當(dāng)水通過(guò)渦輪開(kāi)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(chǎng)，切割磁感應(yīng)線，產(chǎn)生高低脈沖電平。 由水流量傳感器的反饋信號(hào)通過(guò)控制器判斷水流量的值。當(dāng)水流過(guò)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。 CWVH0510 型水流量傳感器如圖 210 所示： 12 圖 210 CWVH0510型水流量傳感器 CWVH0510型水流量傳感器的特性 使用條件 ： DC 5V ： DC 5～ 18V ： 20～ +80。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。每個(gè)電容的兩個(gè)極板，做成長(zhǎng)方形，并排排列，所有電容縱向排成一列，保持等間距。平板電容器結(jié)構(gòu)的電容值 C 由下式?jīng)Q定 ： 0 r AAC dd????? 13 其中： r? — 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。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(guò)判斷電容值發(fā)生較大躍變的位置，從而獲得分層液面的位置。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。根據(jù)說(shuō)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。雖然輸入與運(yùn)放相聯(lián)，但沒(méi)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。 輸出電壓量經(jīng)過(guò) A\D 轉(zhuǎn)換后接到 CPU 中，通過(guò) PID 算法對(duì)液位上限、下限的設(shè)置。 主程序的流程圖如圖 214 所示 ： S T A R TC P U 初 始 化采 樣 子 程 序顯 示 實(shí) 時(shí) 液 位 值參 數(shù) 設(shè) 定有 按 鍵 否 ？數(shù) 據(jù) 處 理 子 程 序控 制 流 量 閥 門(mén)鍵 處 理YN 圖 214 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。 則增量控制算法為： 2( ) [ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2 ) ]pdu k K e k e k k e k k e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 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 215 所示。另外還采用了 eCOG1k中的看門(mén)狗定時(shí)器，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)硬件抗干擾的能力。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。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。用戶先在供應(yīng)熱水的管理部門(mén)往 IC 卡中存入一定量的金額，管理部門(mén)通過(guò) IC 卡讀寫(xiě)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(guò)合法性檢查，則供熱控制閥開(kāi)啟，開(kāi)始供應(yīng)熱水。 智 能 IC卡 SLE4418選擇型號(hào)及功能介 紹 IC 卡是用來(lái)使用和管理熱泵系統(tǒng)的媒介，本系統(tǒng)選擇西門(mén)子公司的接觸式 IC 卡 SLE4418。 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(gòu)得的熱量開(kāi)閥供熱水，當(dāng)預(yù)購(gòu)熱水量用盡時(shí)，需要自動(dòng)關(guān)閉供熱閥，中斷熱供應(yīng)。協(xié)議制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式，決定了每個(gè) IC 卡終端需要的設(shè)備地址，在通信過(guò)程中按識(shí)別地址發(fā)送消息，微機(jī)和 IC 卡終端按協(xié)議決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。 2）微機(jī)和 IC 卡終端可作為主從設(shè)備，主從設(shè)備中建立了主設(shè)備查詢和從設(shè)備回應(yīng)消息的格式；在通信接收過(guò)程中如果發(fā)生錯(cuò)誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立一錯(cuò)誤命令并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)傳輸速率為 、 、 、 、 。數(shù)據(jù)庫(kù)可以通過(guò)計(jì)算校驗(yàn)和檢測(cè)到數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)被非法改動(dòng)后，開(kāi)始執(zhí)行錯(cuò)誤處理，將一些分析數(shù)據(jù) (如改動(dòng)記錄數(shù)、明細(xì)、改動(dòng)時(shí)間等 )提交給系統(tǒng)管理員，由其采取下一步措施 (如恢復(fù)到改動(dòng)前數(shù)據(jù)庫(kù)的狀況、將變動(dòng)數(shù)據(jù)標(biāo)記等 )。下面就其中 IC 卡系統(tǒng)軟件部分的功能模塊做個(gè)說(shuō)明 , 系統(tǒng)軟件功能模塊圖如圖 31 所示。 ②收費(fèi)管理模塊 用戶憑 IC 卡購(gòu)買(mǎi)熱量，操作員從 IC 卡讀出用戶信息，再把用戶所買(mǎi)熱量記錄到 IC 卡 ，同時(shí)打印票據(jù)。 ⑤系統(tǒng)功能模塊 實(shí)現(xiàn)操作員對(duì)登陸密碼的修改操作，設(shè)置新的操作員和權(quán)限分配，并且可以進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。 指紋自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的基本原理 指紋識(shí)別的過(guò)程是比較復(fù)雜的。這樣便保證了只有真正的卡主人才能使用這張卡。發(fā)卡則是指在將卡片發(fā)行給用戶之前，需要由發(fā)卡機(jī)構(gòu)將卡片的應(yīng)用序列號(hào)、密碼、允許使用天數(shù)等基本信息寫(xiě)入用戶 IC 卡內(nèi)的這一過(guò)程。 4．指紋儀： 是指紋特征的采集設(shè)備，通過(guò)指紋儀獲取指紋圖像質(zhì)量的好壞將直接影響到圖像處理軟件算法的難度和識(shí)別率的高低，基于光學(xué)原理的指紋儀傳感器能有效地克服傳統(tǒng)電容指紋傳感器容易受靜電干擾及手指磨損難于讀取指紋等缺點(diǎn)。隨著電信技術(shù)的迅猛發(fā)展，可用于 控制和 監(jiān)控管理的