智能数码热泵供水系统说明书.docx
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智能数码热泵供水系统说明书
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GPRS通信数码控制
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
2.3.1温度传感器AD590简介
2.3.2AD590工作原理及其测温电路
2.3.3AD590在热泵供水系统中的运用
2.4流量测量与控制部分
2.4.1基本原理
2.4.2工作原理
2.4.3CWV-H0510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
2.5.4软件设计
2.5.5抗干扰对策
第3章：
IC卡及指纹终端描述
3.1IC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
3.3.1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
3.4IC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
3.5.1指纹自动识别技术的基本原理
3.5.2基于指纹识别的热泵IC卡管理系统的组成
3.5.3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
4.2GPRS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A/D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TCP/IP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-15℃～40℃。
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，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。
图1－1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[2]。
图1－2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。
图2-1系统硬件组成框图
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：
其端口控制的逻辑关系式为
其中n＝1～4，可将以上布尔代数写入GAL16V8，如图2－3所示。
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CPU
CPU（0）为辅助CPU
CPU（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CPU1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
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。
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lµA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：
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：
lµA／K
2.3.2AD590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1µA／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298µA（绝对温度=273+25=298K，因1K的电流输出为lµA，则298K时传感器输出为298µA）。
该0～100˚C温度监测器电路原理如图2-5所示：
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298µA，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。
2.3.3AD590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。
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
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
，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[4]。
其脉冲信号频率的经验公式见式2-1:
式2-1
则水流量为：
式2-2
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
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。
2.2.2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2-5）。
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。
2.2.3CWV-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
2.2.4CWV-H0510型水流量传感器的特性
使用条件
a.额定工作电压：
DC5V
b.额定电压范围：
DC5～18V
c.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%（垂直方向安装）
=流量（L/min）
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。
2.3.1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：
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。
如图2-11所示：
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。
2.3.3ispPAC10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[8]。
2.3.4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：
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
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