【文章內(nèi)容簡介】 ，進入進水階段，關(guān)閉出水閥，打開進水閥，周而復(fù)始。直到收到主控制器停止補水的命令。收到循環(huán)加熱指令，加熱柜進入補水階段，像補水加熱一樣，如果加熱柜水位未達上限，則進入進水階段，然后進過出水階段又回到進水階段。在進水階段，打開大環(huán)閥，內(nèi)環(huán)閥，大水箱的水經(jīng)過大環(huán)閥進入加熱柜。經(jīng)過一定的延時后，加熱柜有了一定的水量，關(guān)閉內(nèi)環(huán)閥，然后打開出水閥，熱泵與主水箱之間形成了一個大循環(huán)回路。為了避免加熱柜內(nèi)的水杯抽干，在水位低于下限時，會打開內(nèi)環(huán)，經(jīng)過一個延時后，又回到剛才的大循環(huán)狀態(tài)。收到停止補水指令后，如果沒有收到循環(huán)加熱指令或收到了停機指令，加熱柜進入停機狀態(tài)，關(guān)閉熱泵，并關(guān)閉所有閥門。在選用合適的循環(huán)泵并由加熱柜控制循環(huán)泵時，完全可以在3分鐘內(nèi)完成加熱柜向大水箱補水，或者是從自來水中補水灌滿加熱柜。因此，應(yīng)該設(shè)置補水延時時間和出水延時間為小于255的數(shù)。比如設(shè)置為240s,當加熱柜從自來水中補水達補滿加熱柜的時間超過240s時，加熱柜就會自動保護。如果加熱柜的補到大水箱的時間超過了240s，也可以認為是出現(xiàn)了故障。這樣可以檢測管路的故障，保障熱泵機組的安全運行。前面說過，大循環(huán)時，要先向加熱柜注入一定的水量。這樣就要設(shè)置循環(huán)延時參數(shù)，該參數(shù)的意義是必須向加熱柜補水（從大水箱）一定的時間，才真正的進入大循環(huán)狀態(tài)，設(shè)置該參數(shù)的意義是減少球閥的切換動作階段，盡量避免加熱柜從進水階段過渡到加熱階段，這樣才能保持高效。第四章 系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計 系統(tǒng)硬件設(shè)計及總體控制系統(tǒng)在硬件設(shè)計中采用ATMEL公司的Atmega16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41所示。主要由兩片ATmega1輸入電路組成和輸出電路組成[19]。圖41 系統(tǒng)硬件組成框圖Fig41 System hardware block diagram 雙CPU電路系統(tǒng)的設(shè)計和分析采用雙CPU交互控制，利用冗余原理提高保護裝置的可靠性。兩個CPU同時工作，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、增強抗干擾性。另外，在硬件設(shè)計中采用ATMEL公司出品的ATmega16L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CPU，其中1個CPU是主CPU，一般處于工作狀態(tài)，另1個是備用CPU。當主CPU正常工作時，備用CPU的端口將自動封鎖起來；當主CPU將控制權(quán)交給備用CPU或主CPU出現(xiàn)故障時，備用CPU將啟動，同時將主CPU的端口封鎖。雙CPU電路的原理圖如圖42所示 ：圖42 雙CPU冗余電路原理圖Fig42 DualCPU redundancy circuit雙CPU控制的工作原理如下：將CPU1和CPU2的定時/計數(shù)器T0設(shè)置為快速PWM工作模式，定時/計數(shù)器T1設(shè)置為計數(shù)模式。當主CPU1正常工作時，CPU1利用T0產(chǎn)生周期小于1ms的時鐘脈沖，發(fā)送到CPU2的T1管腳。同時，備用CPU2利用T0產(chǎn)生周期小于1ms的時鐘脈沖，發(fā)送到CPU1的T1管腳。通過賦值語句TH1=0XFF，TL1=0XFF使T1每檢測到管腳上的1個脈沖就產(chǎn)生1個計數(shù)中斷，在計數(shù)中斷服務(wù)程序中，用變量N存放一共檢測到的脈沖個數(shù)既N=N+1或N++。T0工作在PWM模式，用來產(chǎn)生周期小于1ms的脈沖信號。當T0產(chǎn)生匹配中斷時，在中斷服務(wù)程序中，用變量M存放發(fā)送的脈沖個數(shù)即M=M+1。當主CPU1的T1連續(xù)檢測到來自備用CPU2的脈沖，并且脈沖個數(shù)大于3即N3,主 CPU1認為備用CPU2處于正常工作狀態(tài)，此時可封鎖主CPU1的端口，使備用CPU2控制輸出。當備用CPU2的T1連續(xù)檢測到來自主CPU1的脈沖，并且脈沖個數(shù)大于3即N3, 備用CPU2認為主CPU1處于正常工作狀態(tài)，此時可封鎖備用CPU2的端口，使主CPU1控制輸出。其端口控制的邏輯關(guān)系式為 （41）其中n＝1～4，可將以上布爾代數(shù)寫入GAL16V8下面對雙CPU電路系統(tǒng)的3種工作狀態(tài)進行分析：CPU(1)為主CPUCPU(0)為輔助CPUCPU(F)為CPU的失控狀態(tài)為CPU1的輸出，為CPU2的輸出分析三種工作狀態(tài)：一般情況下為CPU1(1) CPU2(0)，此時,輸出。如果CPU1(F)，CPU2(0)變成CPU2(1)，同時，此時輸出。如果CPU1(0)，CPU2(0),同時,輸出。由以上分析可知無論在什么情況下,系統(tǒng)都能正常工作。CPU2不斷檢測CPU1是否有中斷發(fā)生，以此判斷CPU1是否正常工作，如果檢測出CPU1出現(xiàn)故障,則CPU2(0)變成CPU2(1)，同時。 溫度測量部分 溫度傳感器AD590簡介[20]溫度測量部分采用AD公司的溫度傳感器AD590。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，相當于一個恒流源。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的特性。即使電源在5～15V之間變化，其電流只是在l181。A以下作微小變化，同時也適用于本文所要求的模塊化、分體式結(jié)構(gòu)的特點[2 0]。AD590的主特性參數(shù)如下：工作電壓：4~30V工作溫度：55~+150?C 保存溫度：65~+175?C 正向電壓：+44V反向電壓：20V焊接溫度(10秒)：300％ 靈敏度：l181。A/K AD590工作原理及其測溫電路AD590產(chǎn)生的電流與絕對溫度成正比，它有非常好的線性輸出性能，溫度每增加1℃，其電流增加1μA。AD590溫度與電流的關(guān)系如下表所示：表41 AD590溫度與電流的關(guān)系Tab41 The relationship between temperature and current of AD590攝氏溫度AD590電流經(jīng)10kΩ電壓0℃ μA V10℃ μA V20℃ μA V30℃ μA V40℃ μA V50℃ μA V60℃ μA V100℃ μA VAD590工作原理為：以AD590為一橋臂的測溫電橋采取到的溫度信號，經(jīng)差動放大并進行緩沖隔離后一路送至數(shù)顯表進行數(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無需與計算機相連的獨立的測控溫設(shè)備；另一路由開關(guān)量構(gòu)成，控制固態(tài)繼電器（控溫執(zhí)行元件），即從調(diào)節(jié)控制器出來的信號通過控溫執(zhí)行元件實現(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。此時傳感器AD590的輸出電流與絕對溫度成正比，在溫度55~150?C時，其電流靈敏度為1181。A/絕對溫度1度。例如傳感器測室內(nèi)溫度為25?C時，其輸出電流為298181。A(絕對溫度=273+25=298K，因1K對應(yīng)的電流輸出為l181。A，則298K時傳感器輸出為298181。A)。該0～100?C溫度監(jiān)測器電路原理如圖43所示圖43 溫度監(jiān)測器電路原理圖Fig43 Temperature monitoring circuitIC1與IC3是電壓跟隨器，起緩沖作用，防止負載對信源的影響，如傳感器輸出電流為298181。A，適當調(diào)整傳感器的電位器VR1，使IC1第⑤腳輸入電壓為298mV，則IC1第⑥腳輸出也為298mV，適當調(diào)整VR2可使IC3的第③腳輸入為273mV，因而IC3的第⑥腳輸出也為273mV。IC2及其外圍電路組成減法器，其第⑥腳輸出電壓為ICl輸出電壓與IC3輸出電壓之差，即，將Vt電壓信號送入顯示電路，就會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就立刻得到兩個電壓的差值，溫度就會連續(xù)不斷的顯示出來。 最后溫度測控裝置的調(diào)節(jié)控制器中的一路采用調(diào)功方式來確定控制量的大小。溫度測控裝置主要采用的是輸出反饋型控制，從這一原理出發(fā)就可以實現(xiàn)水箱的設(shè)定值和實際值之差為最小。 流量測量部分 CWVH0510型水流量傳感器的特性水流量傳感器采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，它價格較低，體積小、重量較輕便于攜帶，而實際生活應(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主要參數(shù)特性： ：DC 5V ：DC 5~18V ：20~+80?C (無結(jié)冰狀態(tài)) ：35%~90%RH(無結(jié)霜狀態(tài))： 流量－脈沖特性： 脈沖頻率(垂直方向安裝) 水流量傳感器工作原理半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為B 的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I 流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 圖44 磁感應(yīng)強度B為零時的情況Fig44 Magnetic induction B is zero：作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱菘捎孟率奖硎荆? （42） 圖45 磁感應(yīng)強度B較大時的情況Fig45 Magnetic induction B is big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載電阻，同時通上5 V的直流電壓并使電流方向與磁場方向正交。當水通過渦輪開關(guān)殼推動磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，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頻率與磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速又與水流量成正比，根據(jù)水流量的大小啟動熱泵系統(tǒng)。其脈沖信號頻率的經(jīng)驗公式為： （43）則水流量為： （44）式中： 脈沖信號頻率（） 水流量（）流量輸出的信號為鋸齒波，經(jīng)過如圖46轉(zhuǎn)換電路后轉(zhuǎn)化為方波可以被CPU直接讀取，同時開始計數(shù)。如圖所示，在下降沿脈沖觸發(fā)開始計數(shù)至下一個下降沿脈沖觸發(fā)為一個周期，則頻率可由下式計算，這個頻率可以直接被CPU讀取。 圖46 轉(zhuǎn)換電路和方波周期Fig46 conversion circuit and square wave cycle （45） （46）由水流量傳感器的反饋信號通過控制器判斷水流量的值。根據(jù)熱泵系統(tǒng)機型的不同，選擇最佳的啟動流量，可實現(xiàn)超低壓(0 .02 MPa以下)啟動。在這里采用的是16位的事件捕獲定時器(CAP)，它可監(jiān)控多達6路芯片輸入的上升、下降或2種邊沿。硬件監(jiān)控定義的邊沿并將捕獲的定時器值送入6個寄存器之一。 頻率的測算 電網(wǎng)信號經(jīng)過波形轉(zhuǎn)化變成方波進入到單片機的中斷I/O口，由定時器在每次信號的上升沿時計數(shù)，在下一個上升沿來時，記錄下定時器的值，然后算出兩者的差值，再將定時器清零，繼續(xù)下一個周期的頻率測算。其中每一個上升沿來時所獲取的定時器的值就是此信號的周期，由此可以計算出頻率f=f/T。 圖47 檢測周期示意圖Fig48 detection period由于干擾的存在，獲得方波邊沿有抖動，有可能獲取的定時器的值偏差較大，這不是想要的結(jié)果，因此采用了限幅濾波的方式，在一個允許值的范圍內(nèi)接收定時器的值，當值超出范圍時剔除。這樣，可有效地解決頻率抖動、不穩(wěn)定的問題。頻率的求算公式為： （47） 抗干擾措施 頻率的算法采用的是數(shù)字濾波和限幅濾波2種方法，取5次周期值求平均，待下次周期來時，檢測是否和此平均值的差值絕對值在一個數(shù)字的范圍內(nèi)，這個數(shù)字可以看情況設(shè)定， Hz。在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)如果輸入信號很低的話，會導(dǎo)致單片機在過零上升沿的中斷上產(chǎn)生誤差，一般頻率抖動得比較大。使用較高電壓信號做輸入信號的時候，頻率抖動就小的多， Hz左右，滿足所需要的精度要求。定時器為16位計數(shù)器，在采集精度和速度上 都能滿足頻率測算的需求，信號使用光電隔離措施，實現(xiàn)效果理想。軟件編程上采用了看門狗、軟件陷阱和容錯措施，防止軟件飛車進入死循環(huán)，保證軟件可以正常工作。 液位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)能對液位進行巡回檢測、顯示和報警，同時采用增量式PID控制算法對液位進行智能控制。由于單片微型計算機具有體積小，耗電少，控制精度高，運行可靠等特點，所以廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實際中[21