智能数码热泵供水系统40本科毕业设计说明书41

1、( 此文档为 word 格式，下载后您可任意编辑修改！)智能数码热泵供水系统摘要：环境污染和能源危机已成为威胁人类生存的头等大事，在这种背景下，以环保和节能为主要特征的绿色建筑及相应的系统应运而生， 热泵系统正是满足这些要求的新兴系统。本次设计的智能热泵供水系统是以环保、节能、节水为出发点的绿色系统。该系统采用先进的 eCOG1 单片机为主要控制核心，控制系统采用分布式的结构，由主控制器和加热控制器组成，并采用相互配合、相互监督的双CPU 控制模式。使用GPRS 通信，使跨地区、跨省的点对点通信成为可能，可实现远程监控。并且采用IC 卡结合指纹管理收费，方便快捷。关键词：热泵IC 卡控制GPR

2、S 通信数码控制0目录：摘要前言第 1 章：热泵技术及其工作原理 1.1 热泵技术简介1.2 热泵系统分析和总体方案设计第 2 章：系统构成2.1 系统硬件设计及总体控制系统2.2 双 CPU 电路系统的设计和分析2.3 温度测量部分温度传感器 AD590简介AD590 工作原理及其测温电路AD590 在热泵供水系统中的运用2.4 流量测量与控制部分基本原理工作原理水流量传感器在智能数码热泵系统中的应用2. 4. 4CWV-H0510 型水流量传感器的特性2.5 液位控制2.5.1系统硬件设计2.5.2ispPAC10 的构成及原理2.5.3ispPAC10 在智能数码热泵系统中的应用2.5.

3、4软件设计2.5.5抗干扰对策第 3 章： IC 卡及指纹终端描述3.1 IC 卡原理简介3.2 热泵 IC 卡系统的工作原理3.3 热泵 IC 卡管理系统实现中的几个关键部分智能 IC 卡SLE4418选择型号及功能介绍3.3.2智能 IC 卡通信协议3.3.3IC 卡系统安全3.3.4错误检测和恢复3.4.5系统的错误检测和恢复3.4 IC卡管理系统软件的实现3.5指纹识别技术在热泵IC 卡管理系统中的应用指纹自动识别技术的基本原理基于指纹识别的热泵IC 卡管理系统的组成基于指纹识别的热泵 IC 卡管理系统的软件设计第 4 章： GPRS无线传输方案4.1方法比较与方案的确定4.2 GPR

4、S 网络工作原理4.3串行通信4.4系统总体结构和原理4.5软件设计4.6上位机命令处理第 5 章：操作过程5.1 操作过程流程图第 6 章：小结参考文献前言当今社会， 环境污染和能源危机已成为威胁人类生存的头等大事，如何解决这一问题，已成为全人类的课题。在这种背景下，以环保和节能为主要特征的绿色建筑及相应的系统应运而生，而热泵系统正是满足这些要求的新兴系统。热泵供水系统不仅可以通过低品位可再生能源的应用达到节能的目的，还具有使用寿命长，加热速度快，运行稳定和易于操作等优点。特别是其热效率超过300% 在目前世界能源普遍缺乏的情况下，将是未来热水系统的主要产品。热泵供水系统将在电厂建设、石油化

5、工、冶金、机械制造、轻纺、食品加工、宾馆、学校、温泉等场所得到广泛应用，市场前景广阔。国外热泵供水系统功能较完备，人机接口良好，调试方便，运行可靠。缺点就是功能单一而且价格昂贵。国内同类系统暴露出一些不足，例如：稳定性、核心硬件和软件算法落后，装置功能单一，不利于广泛推广。智能热泵供水系统主要通过将工业控制现场的温度模拟量通过传感器采集，再经AD 转换成数字量输入计算机，由温度控制系统软件实现存储、处理、显示或打印的过程，相应的系统称为温度控制系统。自适应温度控制系统所做的工作就是将温度传感器采集到的温度模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据自适应算法计算出相应的需要的控制

6、量，然后再由驱动电路输出，控制现场温度变化的系统。该装置采用先进的eCOG1 单片机为主要控制核心，它有 16 位哈佛体系结构的CPU ，同时具有16 位数据地址空间和24 位代码地址空间，主频为100MHz, 指令周期短、效率高、功能强大。控制系统采用分布式的结构，由主控制器和加热控制器组成，可实现用水、控水无人值守，操作简单，采用菜单式管理方式，设置参数容易，人机界面直观友好，便于工作人员操作和监控。根据采集到的参数，单片机能结合传统的控制方式和现代较流行的模糊控制技术及自适应控制进行综合决策，实现智能化控制。由于采用递推等滤波方式，各类参数显示平滑准确。为了提高系统的可靠性、 减小由元器

7、件问题带来的误差、增强抗干扰性。 本装置采用相互配合、相互监督的双 CPU 控制模式。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。使用无线通讯远程监控供热系统的运转（如时间控制、流量控制、水温控制、收款控制），管理方便、抗干扰性强。所传输的数据，能在PC 机上加以显示，工作人员也能对系统的参数进行远程在线调整。而使用 GPRS 通信的好处是可以克服一般的嵌入式TCPIP通信只能局限在局域网内的缺点，使跨地区、跨省的点对点通信成为可能。采用 IC 卡结合指纹管理收费，方便快捷，特别适合学校、医院、宾馆

8、等单位使用。第 1 章热泵技术及其工作原理1.1热泵技术简介热能根据其温度的高低可分为低品位能源和高品位能源越接近环境温度的热能品位越低而高出环境温度幅度越高，则热能品位越高，我们生活所需供应的热水一般在0 100之间，均为低品位能源。地球环境内的各种介质均含有低品位的热能。这些介质包括土壤、地下水、河流、湖泊、海水、污水和空气。以北京为例：土壤和地下水温度全年约14左右， 空气温度一般为-1540。这些潜在能源品位很低用来发电几乎是不可能的通常也不被计入可再生能源利用的统计数据。但是，这种低品位可再生能源完全适用于建筑供暖空调用能或生活热水供给的目的。为了实现这一技术目标，必须借助热泵技术的

9、运用。根据获取的自然能源的能量来源不同，大致可分为土壤源热泵，水源热泵 (地下水，地表水 )，海水源热泵，污水源热泵，空气源热泵几大类。使用热泵系统可同时满足建筑物冬季供暖、夏季制冷和全年的生活热水的要求，不仅可以通过低品位可再生能源的应用达到节能的目的，还具有使用寿命长，运行稳定和易于操作等优点。可以说，热泵技术是实现大规模利用自然能源向建筑物供能的必需技术途径。热泵技术的发展已历经一个多世纪，1824 年法国青年工程师卡诺首先提出热力学循环理论，1852 年开尔文具体提出了热泵的设计思想，但是由于当时条件所限并未立即投入实际研发。直到1917 年德国卡赛伊索达制造厂首次把热泵应用于工业生产

10、，这一技术才引起较大轰动。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。冷水进热水出Qc水泵冷凝器膨胀丝电 能压缩Qb机蒸发机Qa环境中吸收空气的能量图 11空气源热泵热水器原理图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

11、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。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

12、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。1.2控制系统分析和总体方案设计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

13、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3

14、0min 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 2。开关量

15、控制模块显示模块温串度口4路模拟量输入采eCOGIKeCOGIK通集信模模块块按键模块开关量采集模块图 12热泵热水器控制器系统组成结构图第 2 章系统构成2.1 系统硬件设计及总体控制系统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。系统硬件组成框图如图 2-1 所示。主要由两片 eCOG1k 、输入电路组成和输出电路组成。温度LED 显示流量外部硬件液位CPUCPUIC 卡eCOGlkeCOGlk热泵RS232PWM进、出水指纹阀门声光报警GPRS图 2-1系统硬件组成框图设定值控制系统进温度+热

16、泵调节水量液位温度流量图 2-2 控制系统结构图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

17、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234CPU 电路的原理图如图2-3 所示：其端口控制的逻辑关系式为PAnXn *( A0 * B0 )Yn*( A0 * B0 )其中 n 1 4，可将以上布尔代数写入GAL16V8 ，如图 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图 2-3 双 CPU冗余电路原理图对双 CPU 电路进行分析：定义：CPU(1) 为主 CPU234CPU(0) 为辅助 CPUCPU(F) 为 CPU 的失控状态为 CPU1 的输出 ,为 CPU1 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 =1,此时 =如果 CPU1(0), CPU2(0),同时 =,输出 =由以上分析可知无论在什么情况下,都能正常工作。CPU2 不断检测 C

22、PU1 是否有中断发生， 以此判断 CPU1 是否正常工作， 如果没有 CPU2(0) 变成 CPU2(1), 同时 =1。2.3 温度测量部分温度传感器 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。它不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声等的干扰。这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。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 l 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

23、温度：一55 +150保存温度：一65 +175正向电压： +44V反向电压：一20V焊接温度 (10 秒 )： 300灵敏度： l AKAD590 工作原理及其测温电路其工作原理为： 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 AD 、DA 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

24、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1A 绝对温度1 度。例如传感器测室内温度为25?C 时，其输出电流为298A( 绝对温度 =273+25=298K ，因 1K 的电流输出为 l A，则 298K 时传感器输出为298A) 。该 0 100?C 温度监测器电路原理如图2-5 所示：+12VIC4277AD590R51K-IC16Vs26外壳741IC2CPU3Vr741至4R634VtR21K1KR9R110082027

25、1KR8 1KIC3R7VR1374164704-12VR3 4.7KVR2 1KR4ZD14703V图 2-5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 298 A，适当调整传感器的电位器 VR1 ，使 ICl 第脚输入电压为 298mV ，则 IC1 第脚输出也为 298mV ，适当调整 VR2 可使 IC3 的第脚输入为 273mV ，因而 IC3 的第脚输出也为 273mV 。 IC2 及其外围电路组成减法器， 其第脚输出电压为ICl 输出电压与IC3 输出电压之差， 即 Vt=298 273=25mV ，将Vt 电

26、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 就立刻得到两个电压的差值，温度就会连续不断的显示出来3。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

27、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。AD590 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 RS232 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

28、。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 流量测量与控制部分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，这种现象称为霍尔效应。磁感应强度B 为零时的情况：图 2-6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：图 2-7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5 V 的直流电压并使电流方

29、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4脉冲信号频率的经验公式见式2-1:f8.1 q 3式 2-1则水流量为：式 2-2式中 - 脉冲信号频率，Hz- 水流量， Lmin进入CPU外中断图2-7转换电路T0T1T图2-8方波周期式 2-3式 2-4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2-4 计算可得，这个频率可以直接被CPU 读取。由水流

30、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 02 MPa 以下 ) 启动。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 2-5)。它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。水流量传感器在智能数码热泵系

31、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2-10 CWV-H0510型水流量传感器型水流量传感器的特性使用条件a.额定工作电压：DC 5Vb.额定电压范围：DC 5 18Vc.使用温度范围：-20 +80。 C( 无结冰状态 )d.使用温度范围：35% 90%RH( 无结霜状态 )e.允许耐压：1.2MPa 以下流量脉冲特性脉冲频率（ Hz ）（ 8.1Q-3 ） 10%( 垂直方向

32、安装)=流量（ Lmin ）密封型封闭各孔，加1.2MPa 水压试验1 分钟无泄漏和变形现象。2.3 液位控制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。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

33、。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：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

34、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，变化，就使振荡器的频率f 产生相应的变化。如图2-11 所示：电容发生图 2-11 调频电路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。在智能数码热泵系统中的应用ispPAC10 构件

35、中，输入与输出完全不同。和单端IO 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+=3 V ， V-=1 V ，则差压为 +2 V 。由于可以在不同的IO 引脚上存在不同的极性电压，因此也可以V+=1 V ，V-=3V ，则差压为2V 。计算2 个引脚末端的电压差，为|+2（2） |=4 V ，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

36、，调整增益，以达到需要输出的电平值。ispPAC10 工作时， 由单一的 +5 V 供电，包括内部产生的2.5 V 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2.5 V ，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AD转换后接到CPU中，通过PID算法对液位上限、

37、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 5 V 电源信号调节 8 。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2-14 所示：STARTCPU 初始化参数设定Y有按键否？键处理N显示实时液位值采样子程序数据处理子程序控制流量阀门图 2-14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

38、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：kukk p e ( k )kie ( i )k d e ( k )e ( k1 )i0式中： e(k)(k)y(k)为第 k时刻所得偏差信号， rk是给定值， yk是实际输出值；kp为比例增益， k2为积分系数， kd为微分系数。则增量控制算法为：u(k)K p e(k)e(k1)k2e(k)kd e(k)2e( k1)e( k2)根据以上推导，得到增量式PID 控制算法的程序流程图如图2-15 所示。子程序入口计算 e(k)0=r(k)-y(k)计算 Kp ×e(K)计算 Kie(K)-e(K-1)计算 kie(k0

39、-2e(k-2)+e(k-2)求取 u(k)子程序返回图 2-15 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。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

40、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3.1 IC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，

41、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，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2V 时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接受读写器的数据。3.2热泵 IC 卡系统的工作原理系统分为软件和硬件两部分。软件包括IC 卡热泵供热管理系统软件、智能接触式IC 卡计费监控装置中PIC 程序。硬件则包括装有供热管理系统软件的PC 机、液晶显示屏、智能接触式IC 卡片、 IC 卡读写器、 IC 卡计费监控装置、控制阀和现场流量采集仪表。这其中，流量采集仪表即是热泵热

42、水出口流量的检测仪表。用智能 IC 卡对热泵进行计费和管理控制的基本思想是对供应热水的用户建立与之相对应的IC卡计费监控装置和IC 卡账号，以预付款的方式进行供热水。用户先在供应热水的管理部门往IC 卡中存入一定量的金额，管理部门通过IC 卡读写器将相应数额充入IC 卡中，用户持充值后的IC 卡插到智能热泵计费监控装置中，如果用户卡上的信息正确且通过合法性检查，则供热控制阀开启，开始供应热水。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 RS232 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

43、从 IC 卡中扣除费用。3.3热泵 IC 卡管理系统实现中的几个关键部分IC 卡管理系统的组成有硬件也有软件，如何把硬件和软件较好地组织在一起实现供热水管理，是问题的关键。下面就其中几个关键部分给予说明。智能 IC 卡 SLE4418选择型号及功能介绍I C 卡是用来使用和管理热泵系统的媒介，本系统选择西门子公司的接触式IC 卡 SLE4418 。SLE4418IC 卡共有1024× 8 位 EEPROM ，可逐字节地进行写操作与删除操作，每个字节都有具有程序写保护位。除了以上功能外，SLE4418 还带有程序密码校验逻辑(PSC) ，此卡的基本特点如下：具有 1024 ×8 位的 EEPROM存储器；以字节为编址单位；具有 1024 ×1 位保护存储器，保护存储器设置后不可撤消；三线串行总线；可进行 10 万次擦写操作；数据保存10 年；卡内具有2 个字节的PSC 程序加密位， 数据仅在密码检验正确后，方可进行写操作。在本系统运行过程中，由CPU 将处理后的指纹图像信息写入到IC 卡中存储。本热泵系统以IC 卡作为管理媒介，使装置能按用户预付费购得的热量开阀供热水，当预购热水量用尽时，需要自动关闭供