【文章內(nèi)容簡介】 。 CWVH0510水流量傳感器在智能數(shù)碼熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用 湛江中信電磁閥有限公司口徑為 3cm 的 CWVH0510 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。 CWVH0510 型水流量傳感器如圖 210 所示： 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： 額定工作電壓： DC 5V ； 額定電壓范圍： DC 5～ 18V ； 允許耐壓： 以下； 使用溫度范圍： 20～ +80176。 C(無結(jié)冰狀態(tài) ) ； 使用溫度范圍： 35%～ 90%RH(無結(jié)霜狀態(tài) ) 流量－脈沖特性： f（ Hz）＝（ ） ? 10%(垂直方向安裝 ) （ f=脈沖頻率 q = 流量） 密封型測試： 封閉各孔，加 水壓試驗(yàn) 1 分鐘無泄漏和變形現(xiàn)象 。 廣西大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 GPRS 的熱能控制裝置 13 液位測量及控制部分 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。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 ： (27) 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。 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)，電容 Cx 發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率 f 產(chǎn)生相應(yīng)的變化。如下圖 211 所示 ： 0 r AAC dd?????廣西大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 GPRS 的熱能控制裝置 14 調(diào)頻振蕩器限幅器鑒頻器放大器fF1f T T L 電 平 去 計(jì) 算 機(jī) 電 壓 輸 出 L oC x 圖 211 調(diào)頻電路 CLf 02 1?? (28) 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。 ispPAC10 的構(gòu)成 及 原理 ispPAC10 是 Lattice 公司在系統(tǒng)可編程模擬器件家族中的成員之一，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 212 所示，由 4 個(gè)可編程模擬宏單元 (PAC 塊 )組成，每個(gè)相當(dāng)于 1 個(gè)運(yùn)算放大器、電阻及電容的 組合。 配 置 存 儲(chǔ) 區(qū)模 擬 布 線 區(qū)P A C 塊 P A C 塊參 考 電 壓 自 校 正 P A C 塊 P A C 塊 圖 212 ispPAC10 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 其基本單元電路（ PACblock）由一個(gè)差分輸出的求和放大器 (OA)和兩個(gè)具有差分輸入的、增益為 177。1 至 177。10 以整數(shù)步長可調(diào)的儀用放大器組成。輸廣西大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 GPRS 的熱能控制裝置 15 出求和放大器的反饋回路由一個(gè)電阻和一個(gè)電容并聯(lián)組成。其中，電阻回路有一個(gè)可編程的開關(guān)控制其開斷；電容回路中提供了 120 多個(gè)可編程電容值以便根據(jù)需要構(gòu)成不同參數(shù)的有源濾波器電路。 ispPAC10 在 智能數(shù)碼熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用 ispPAC10 構(gòu)件中，輸入 與輸出完全不同。和單端 I/O 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 I/O 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 2 V。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，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 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 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 ～ 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 。 輸出電壓量經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后接到 CPU 中，通過 PID 算法對(duì)液位上限、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) 。 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 213 所示 ： 廣西大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 GPRS 的熱能控制裝置 16 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 門鍵 處 理YN 圖 213 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)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 ： )]1()([)()()( 0 ????? ?? kekeKieKkeKku dkiip (29) 式中： ( ) ( ) ( ) kke k k y k y??? 為 第 k 時(shí) 刻 所 得 偏 差 信 號(hào) ， r 是 給 定 值 ， 是 實(shí) 際 輸 出 值 ； 廣西大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 GPRS 的熱能控制裝置 17 Kp 為比例增益 ,Ki 為積分系數(shù) ,Kd 為微分系 數(shù) 則增量控制算法為)]2()1(2)([)()]1()([)( ?????????? kekekeKkeKkekeKku dip (210) 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 214 所示。 子 程 序 入 口計(jì) 算 K i [ e ( k ) e ( k 1 )計(jì) 算 K p * e ( k )計(jì) 算 K d [ e ( k ) 2 ( k 1 ) + e ( k 2 ) ] 求 取 u ( k )子 程 序 返 回計(jì) 算 e ( k ) = r ( k ) y ( k ) 圖 214 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。 抗干擾對(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，廣西大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 GPRS 的熱能控制裝置 18 因?yàn)?PC 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。 廣西大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 GPRS 的熱能控制裝置 19 第 3章 IC卡及指紋終端介紹 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，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碾娮颖茫瑢㈦娙輧?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)。 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