基于GPRS的热能控制装置Word格式.docx
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但是当时热泵的初期投资远远高于其他采暖设备,加上那个时代燃料能源价格低廉,而驱动热泵工作的电能却十分昂贵,因此在经济上并不合算。
另外,由于当时压缩机、换热器等核心部件的制造工艺还不成熟,导致该技术并未得到发展和推广。
随着工业生产的发展,进入20世纪70年代之后,世界范围内能源危机的爆发,加速了热泵技术的发展与应用,而热泵真正意义的商业应用也只有近十几年的历史。
1.2热泵热水器的工作原理
热泵热水器的工作原理可以分为两个工作循环,即制冷剂循环回路和水循环回路,其工作流程如图1-1所示。
在制冷剂的循环回路中,压缩机吸入温度较高的低压制冷剂蒸汽,将其压缩成为高温高压的气体,再将这些高温高压气体送入冷凝器中去进行热量交换。
水循环回路中,冷水在水泵的作用下,进入到冷凝器,在冷凝器中与高温高压气体进行热交换,制成热水。
同时,冷凝器中的高温高压气体变成了低温低压的气体或液体,送入储液罐。
制冷剂从储液罐中输出后,经过滤器、膨胀阀,进入蒸发器从空气中吸热而蒸发。
然后,制冷剂蒸汽再次被压缩机吸入,开始下一个循环。
通过这样反复的循环工作,从而达到对水箱中的水加热的目的。
图1-1空气源热泵热水器原理图
它本身消耗一部分电能,即压缩机耗电Qb;
同时通过工质循环系统在水冷板式换热器(即冷凝器)中进行放热Qc,根据能量守恒定律有:
Qc=Qa+Qb,即热泵输出的能量为压缩机做的功Qb和热泵从环境中吸收的热量Qa之和;
通常Qa为Qb的3倍以上,即能源利用效率达300%以上,而通常的电热水器能源利用效率仅为95%左右。
1.3热泵系统的设计与分析
热泵热水器的主要控制点有:
水泵、压缩机、风机、除霜电磁阀等。
由于这些控制点都是开关量控制,因此可以采用继电器控制。
为了实时监控热泵热水器的工作状态,需要对热水进口温度、热水出口温度、管壁温度、压缩机温度等参数进行检测。
考虑到热水器对温度检测精度的要求和产品的成本,该控制器采用热敏电阻来检测热泵热水器的水温。
控制器采用启停压缩机的方式控制热水水温,其具体过程为:
启动热水器开始加热:
一旦热水温度高于设定温度1℃时关闭压缩机:
一旦热水温度低于设定温度1℃时启动压缩机。
如此反复循环,控制器能够把热水出口温度控制在设定温度±
1℃的范围内波动,既能较好地控制热水温度,又可避免过度频繁地启动停止压缩机。
作为一款先进的智能型热泵热水器控制器,它具有自动化霜和故障报警等功能。
当热水器的管壁温度持续低于-10˚C的时间达到30min时,控制器自动打开化霜电磁阀,停止压缩机运行,开始化霜,同时在LED显示面板上显示化霜标记。
停止化霜的条件为管壁温度大于5˚C或化霜时间大于30min。
如果停止化霜时,管壁温度未达到5˚C,则在停止化霜30min后,重新开始化霜。
如果经过3次连续化霜管壁温度都没达到5˚C,则停止化霜。
同时,在显示面板上显示化霜不成功标记,以提示用户打开辅助电加热。
该控制器对热水器主要故障,例如压缩机高低压故障和压缩机温度过高等,采取了保护性措施。
当控制器检测到压缩机出现高低压异常时,立即停止热水器运行。
同时在显示面板上显示故障类型,并把运行指示灯改成闪烁状态,以提示用户。
根据热泵热水器的控制要求和实际情况,控制器采用了双单片机系统,一片(主系统)用于数据的采集和热泵热水器的控制,另一片(从系统)用于人机界面接口的实现,即按键和LED的显示,主、从CPU之间的协调与通信采用串口通讯来实现。
图1-2热泵热水器控制器系统组成结构图
第二章系统构成
2.1系统硬件设计
在硬件设计中采用赛恩公司最新出品的eCOG1K微处理器为中控芯片,配合多功能数据采集芯片,也将大幅提高装置的抗干扰性能,并降低功耗和成本。
控制系统结构图如图2-1所示;
系统硬件组成框图如图2-2所示,主要由两片eCOG1k、输入电路组成和输出电路组成。
图2-1控制系统结构图
图2-2系统硬件组成框图
2.2双CPU电路系统的设计和分析
采用双CPU交互控制,利用冗余原理提高保护装置的可靠性。
两个CPU同时工作,互相监督,将采集到的数据相互比较,如果结果相近,则直接采用该结果;
如果结果相差过大,则通过分析,抛弃误差较大的结果。
通过该种相互配合、相互监督的双CPU控制模式,可以大幅度提高系统的可靠性、减小由器件问题带来的误差、增强抗干扰性。
另外,在硬件设计中采用赛恩公司最新出品的eCOG1K微处理器为中控芯片,配合多功能数据采集芯片,也将大幅提高装置的抗干扰性能,并降低功耗和成本
双CPU电路系统是一种冗余结构,包含2个CPU,其中1个CPU是主CPU,一般处于工作状态,另1个是备用CPU。
当主CPU正常工作时,备用CPU的端口将自动封锁起来;
当主CPU将控制权交给备用CPU或主CPU出现故障时,备用CPU将启动,同时将主CPU的端口封锁。
双CPU电路的原理图如图2-3所示:
图2-3双CPU冗余电路原理图
其端口控制的逻辑关系式为
(2-1)
其中n=1~4,可将以上布尔代数写入PAL16V8,如图2-3所示。
对双CPU电路进行分析:
定义:
1、CPU
(1)为主CPU
2、CPU(0)为辅助CPU
3、CPU(F)为CPU的失控状态
4、
为CPU1的输出,
为CPU2的输出
分析三种工作状态:
一般情况下为CPU1
(1)CPU2(0),此时
输出
;
如果CPU1(F),CPU2(0)变成CPU2
(1),同时
此时
如果CPU1(0),CPU2(0),同时
由以上分析可知无论在什么情况下,系统都能正常工作。
CPU2不断检测CPU1是否有中断发生,以此判断CPU1是否正常工作,如果检测出CPU1出现故障,则CPU2(0)变成CPU2
(1),同时
。
2.3温度测量部分
2.3.1温度传感器AD590简介
AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。
该器件具有良好的线性和互换性,测量精度高,并具有消除电源波动的特性。
即使电源在5~15V之间变化,其电流只是在lµ
A以下作微小变化,同时也适用于本文所要求的模块化、分体式结构的特点。
AD590的主特性参数如下:
工作电压:
4~30V;
工作温度:
-55~+150℃;
保存温度:
-65~+175℃;
正向电压:
+44V;
反向电压:
-20V;
焊接温度(10秒):
300%;
灵敏度:
lµ
A/K
2.3.2AD590工作原理
其工作原理为:
以AD590为一桥臂的测温电桥采取到的温度信号,经差动放大并进行缓冲隔离后一路送至数显表进行数字化温度显示,另一路与设定值相比较,比较出来的差值由开关K控制可选择送入两路调节控制器。
其中一路由比较放大器和继电器组成,以此为调节控制器可使该装置形成一个无需与计算机相连的独立的测控温设备;
另一路由PID调节器(由A/D、D/A与装有PID调节软件的计算机构成)和可控硅组成,从调节控制器出来的信号通过控温执行元件实现温度控制。
用半导体温度传感器AD590(IC4)配上相关电路,可构成0~100˚C温度检测器。
此时传感器AD590的输出电流与绝对温度成正比,在温度-55~150˚C时,其电流灵敏度为1µ
A/˚C。
例如传感器测室内温度为25˚C时,其输出电流为298µ
A,因1˚C温度对应的电流输出为lµ
A,则25˚C时传感器输出为298µ
A。
该0~100˚C温度监测器电路原理如图2-4所示:
图2-4温度监测器电路原理图
IC1与IC3是电压跟随器,起缓冲作用,防止负载对信源的影响,如传感器输出电流为298µ
A,适当调整传感器的电位器VR1,使ICl第⑤脚输入电压为298mV,则IC1第⑥脚输出也为298mV,适当调整VR2可使IC3的第③脚输入为273mV,因而IC3的第⑥脚输出也为273mV。
IC2及其外围电路组成减法器,其第⑥脚输出电压为ICl输出电压与IC3输出电压之差,即Vt=298—273=25mV,将Vt电压信号送入显示电路,就会在液晶显示屏或万用表上显示摄氏温度的数值(本例中输出25mV,在显示电路上将显示25˚C)。
本电路的校准步骤如下:
首先将传感器放入冰中(0˚C),并调整VR2,使电路输出为0mV(用万用表测试)。
然后将传感器浸入沸水(100˚C)中,调整VR2使万用表读数为100mV,校准即可结束。
只要有温度变化,传感器输出电压就发生改变,IC2就得到两个电压的差值,温度就会连续不断的显示出来。
最后温度测控装置的调节控制器中的一路采用了PID调节器(比例积分微分调节器),它能根据温度设定值与实际值之差的比例值、积分值、微分值来确定控制量的大小。
温度测控装置主要采用的是输出反馈型控制,从这一原理出发就可以实现恒温箱的设定值和实际值之差为最小。
2.33AD590在热泵供水系统中的运用
在供热过程中,流量采集仪表测量出热水的流量、温度、压力,并将测得的物理量通过AD590转换成数字信号,经由RS-232标准串口传输给IC卡计费监控装置,监控装置计算当前用户热能费率,进行实时累加,并从IC卡中扣除费用。
通过温度传感器我们可以任意控制水的加热温度,以满足使用者的不同需求,同时也为节能提供了根据。
在使用者的终端界面,使用者可以根据需要选定温度,然后终端控制系统将选定的温度数据通过无线传输发送到加热控制系统,将自来水快速的加热到所需温度,以满足使用者的需要。
我们可以将温度传感器安装在距离电机较远的地方,以减少电磁干扰,从而使温度传感器的准确度更高。
2.4流量测量部分
2.4.1基本原理
半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中,磁场方向垂直于薄片,当有电流I流过薄片时,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH,这种现象称为霍尔效应。
磁感应强度B为零时的情况
图2-5磁感应强度B为零时的情况
磁感应强度B较大时的情况:
作用在半导体薄片上的磁场强度B越强,霍尔电势也就越高。
霍尔电势
可用下式表示:
(2-2)
图2-6磁感应强度B较大时的情况
水流量传感器是利用霍尔元件的霍尔效应来测量磁性物理量。
在霍尔元件的正极串入负载电阻,同时通上5V的直流电压并使电流方向与磁场方向正交。
当水通过涡轮开关壳推动磁性转子转动时,产生不同磁极的旋转磁场,切割磁感应线,产生高低脉冲电平。
由于霍尔元件的输出脉冲信号频率与磁性转子的转速成正比,转子的转速又与水流量成正比,根据水流量的大小启动热泵系统。
其脉冲信号频率的经验公式见式2-3:
(2-3)
则水流量为:
(2-4)
式中
--脉冲信号频率,Hz;
--水流量,L/min
图2-7转换电路
图2-8方波周期
(2-5)
(2-6)
流量输出的脉冲频率为锯齿波,经过如图2-7转换电路后转化为方波可以被CPU直接读取,同时开始计数。
如图2-8所示,在下降沿脉冲触发开始计数至下一个下降沿脉冲触发为一个周期,则频率如式2-6计算可得,这个频率可以直接被CPU读取。
由水流量传感器的反馈信号通过控制器判断水流量的值。
根据热泵系统机型的不同,选择最佳的启动流量,可实现超低压(0.02MPa以下)启动。
2.4.2工作原理
水流量传感器主要由铜阀体、水流转子组件、稳流组件和霍尔元件组成(见图2-9)。
图2-9水流量传感器的结构
其中水流转子组件主要由涡轮开关壳、磁性转子、制动环组成。
使用水流开关方式时,其性能优于机械式压差盘结构,且尺寸明显缩小。
当水流通过涡轮开关壳,推动磁性转子旋转,不同磁极靠近霍尔元件时霍尔元件导通,离开时霍尔元件断开。
由此,可测量出转子转速。
根据实测的水流量、转子转速和输出信号(电压)的曲线,便可确定出热水器的启动水压,以及启动水压相对应的启动水流量与转子的启动转速。
由控制电路,便可实现当转子转速大于启动转速时热泵启动工作;
在转速小于启动转速时,热泵系统停止工作。
这样热泵启动水压一般设定在0.01MPa,启动水流量为3~5L/min(需满足热泵标准对最高温升的限制)。
另外,由于水在永磁材料磁场切割下,变成磁化水,水中的含氧量增加,使人洗浴后感觉清爽。
制动环的作用是停水时,制止高速旋转的磁性转子转动,终止脉冲信号输出。
控制器接收不到脉冲信号,立即控制比例阀关阀,切断热源,防止干烧。
水流量传感器装在热水器的出水端用于测量出水流量。
当水流过转子组件时,磁性转子转动,并且转速随着流量成线性变化。
霍尔元件输出相应的脉冲信号反馈给控制器,由控制器判断水流量的大小,调节控制比例阀的电流,从而通过比例阀控制热水量,避免热泵系统在使用过程中出现夏暖冬凉的现象。
水流量传感器从根本上解决了压差式水气联动阀启动水压高以及翻板式水阀易误动作出现干烧等缺点。
2.4.3CWV-H0510水流量传感器在智能数码热泵系统中的应用
湛江中信电磁阀有限公司口径为3cm的CWV-H0510型水流量传感器,它价格较低,体积小、重量较轻便于携带,而实际生活应用中可以根据自己的需要,定制口径和接线端连接方式和线路长短。
CWV-H0510型水流量传感器如图2-10所示:
图2-10CWV-H0510型水流量传感器
2.4.4CWV-H0510型水流量传感器的特性
使用条件:
额定工作电压:
DC5V;
额定电压范围:
DC5~18V;
允许耐压:
1.2MPa以下;
使用温度范围:
-20~+80°
C(无结冰状态);
使用温度范围:
35%~90%RH(无结霜状态)
流量-脉冲特性:
f(Hz)=(8.1q-3)
10%(垂直方向安装)(f=脉冲频率q=流量)
密封型测试:
封闭各孔,加1.2MPa水压试验1分钟无泄漏和变形现象。
2.5液位测量及控制部分
液位是许多工业生产中的重要参数之一,在化工、冶金、医药、航空等领域里,对液位的测量和控制效果直接影响到产品的质量。
以小电容感应元式多层液位传感器为核心研制的液位控制系统能对液位进行巡回检测、显示和报警,同时采用增量式PID控制算法对液位进行智能控制。
由于单片微型计算机具有体积小,耗电少,控制精度高,运行可靠等特点,所以广泛应用于生产实际中。
2.5.1系统硬件设计
小电容感应元式液位传感器由按照特定方式排列的一组平板小电容组成。
电容的最佳排列方式依据具体的测量要求确定。
一般地,可以将传感器做成板状。
每个电容的两个极板,做成长方形,并排排列,所有电容纵向排成一列,保持等间距。
实验证明,可以做成所有小电容有一公共极板的结构。
为保证电容在液体中不被腐蚀,使用聚四氟乙烯薄膜覆盖整个传感器。
由传感器的结构可以看到,每一个小电容由两块极板、表面的聚四氟乙烯薄膜和两块极板间的测量介质组成。
平板电容器结构的电容值C由下式决定:
(2-7)
其中:
—极板间介质的介电常数;
A—平行极板有效面积;
d—极板间距离。
位于同一介质中的小电容将具有相近的电容值。
用扫描方式获取每一个小电容的电容值,会获得与分层液位相应的几组电容值。
在液位的分界面会出现大的电容值的跃变。
由于在传感器的安装中,每个小电容的位置与具体液位相对应,通过判断电容值发生较大跃变的位置,从而获得分层液面的位置。
调频电路将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分,当电容传感器工作时,电容
发生变化,就使振荡器的频率f产生相应的变化。
如下图2-11所示:
图2-11调频电路
(2-8)
通过严格时序控制的多路开关的开合,扫描整个小电容阵列,可获得各个电容的对应电压值V,据此判断液位的分界面。
如果为理想状态,每个处于同一介质中的小电容单元必然有相同的对应电压V的输出。
扫描与位置对应的小电容阵列,必然得到与位置分布规律相同的V,则很容易获得介质的分界面。
小电容感应元式液位传感器的主要芯片是ispPAC10。
2.5.2ispPAC10的构成及原理
ispPAC10是Lattice公司在系统可编程模拟器件家族中的成员之一,其内部结构框图如图2-12所示,由4个可编程模拟宏单元(PAC块)组成,每个相当于1个运算放大器、电阻及电容的组合。
图2-12ispPAC10内部结构图
其基本单元电路(PACblock)由一个差分输出的求和放大器(OA)和两个具有差分输入的、增益为±
1至±
10以整数步长可调的仪用放大器组成。
输出求和放大器的反馈回路由一个电阻和一个电容并联组成。
其中,电阻回路有一个可编程的开关控制其开断;
电容回路中提供了120多个可编程电容值以便根据需要构成不同参数的有源滤波器电路。
2.5.2ispPAC10在智能数码热泵系统中的应用
ispPAC10构件中,输入与输出完全不同。
和单端I/O比起来,他有有效的双动态范围。
根据说明还可以产生和改善功能,如普通输入模式拒绝总音调失真。
不同的峰-峰值电压由不同的输入、输出引脚末端的信号决定,例如:
若V+=3V,V-=1V,则差压为+2V。
由于可以在不同的I/O引脚上存在不同的极性电压,因此也可以V+=1V,V-=3V,则差压为-2V。
计算2个引脚末端的电压差,为|+2-(-2)|=4V,可以看出绝对差压信号产生了有效的动态范围。
虽然输入与运放相联,但没有改变内部线路,所以输入极性可编程且不影响输入的阻抗和动态性能。
单端运放可以使用一个输入和(或)输出引脚来实现,根据需要,调整增益,以达到需要输出的电平值。
ispPAC10工作时,由单一的+5V供电,包括内部产生的2.5V参考基准电压。
参考电压可通过电压参考模式或VREFOUT引脚有效输出到外部热泵系统中,普通模式输出经常为2.5V,而与输入模式电平无关需要时,可用一外部电压替代VREFOUT,但可选的普通模式输出电压VCM必须由用户通过CMVIN输入引脚提供,惟一的限制是参考电压必须介于1.25~3.25V之间,当用外部电压代替,并且PAC10必须被编程时,在每一个PAC模块的基础上,用外部参考源替代内部的2.5V。
输出电压量经过A/D转换后接到CPU中,通过PID算法对液位上限、下限的设置。
根据不同的电压值对应着不同的液位来实现对进、出水阀们的控制。
但设置时ispPAC10不能超过5V电源信号调节。
2.5.3软件设计
系统软件主要由主程序、采样程序和PID算法程序和一些子程序组成。
主程序的流程图如图2-13所示:
图2-13主程序流程图
主程序的主要功能是完成CPU的初始化,设置液位的上限和下限,显示实时液位值,键扫描等工作。
采样和数据处理模块:
本系统利用定时循环轮流对8个液位进行实时采样,对实时数据进行数据处理,并采用PID控制方案。
由于本系统的执行机构是步进电机,所以我们采用了增量式PID控制。
根据递增原理可得:
(2-9)
式中:
Kp为比例增益,Ki为积分系数,Kd为微分系数
则增量控制算法为
(2-10)
根据以上推导,得到增量式PID控制算法的程序流程图如图2-14所示。
图2-14增量式PID控制算法的流程图
用户可以通过键盘设定液位的上限值和下限值,以及在任意时候显示液位的上下限值。
当液位的高度超出或低于设定值时,进行声光报警,以提醒操作人员进行及时的处理。
2.5.4抗干扰对策
硬件抗干扰设计:
系统电源是一个重要部件,又是与外部电网直接联系的部分,为了防止从电源系统引入干扰信号,在电源输入端设置低通滤波器,滤去高次谐波成份。
另外还采用了eCOG1k中的看门狗定时器,以进一步提高系统硬件抗干扰的能力。
软件抗干扰设计:
在程序设计时,将各程序模块分区存放,彼此之间空出一些存储单元,在这些单元中填充FF(RST指令)。
同时对程序中重要的跳转和调用子程序指令前均加入三个NOP指令,以保证程序流向的正确性,因为PC只要错一个数码,那么整段程序就会面目全非,从而造成检测系统的混乱。
利用滑动平均滤波法求取平均值。
将最近6次采样得到的液位值,去除最大值和最小值,剩下的4个数据求算术平均值。
该液位智能控制系统采用了单片机作为主控制器,结构简单,可靠性高,抗干扰性强,由于应用了PID控制方案,系统的响应速度快,超调量小,系统稳定性好,具有一定的实用价值。
第3章IC卡及指纹终端介绍
3.1IC卡原理简介
IC卡工作的基本原理是:
射频读写器向IC卡发一组固定频率的电磁波,卡片内有一个IC串联谐振电路,其频率与读写器发射的频率相同,这样在电磁波激励下,LC谐振电路产生共振,从而使电容内有了电荷;
在这个电荷的另一端,接有一个单向导通的电子泵
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