1、广西大学学士学位论文 基于 GPRS 的热能控制装置 1 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。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
2、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。该系统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 PID 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。 该系统采用先进的 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,
3、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。 基于 GPRS 的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），使得该系统管理方便、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、
4、医院、宾馆等单位使用。 广西大学学士学位论文 基于 GPRS 的热能控制装置 2 第一章 热泵技术及其工作原理 1.1 热泵技术简介 热泵是一种提高热量温度的机械装置，正如水泵能提高水的压力 (或水位 )一样。 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。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。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
5、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
6、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
7、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广西大学学士学位论文 基于 GPRS 的热能控制装置 3 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。 冷 凝 器蒸 发 机压缩机Q a环 境 中 吸 收 空 气 的 能 量Q b能电Q c膨 胀 丝热 水 出冷 水 进水 泵图 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
8、 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
9、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广西大学学士学位论文 基于 GPRS 的热能控制装置 4 警等功能。当热水器的管壁温度持续低于 -10C 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 5C 或化霜时间大于30min。如果停止化霜时，管壁温度未达到 5C，则在停止化霜 30min 后，重
10、新开始化霜。如果经过 3 次连续化霜管壁温度都没达到 5C，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。 温度采集模块
11、4 路 模 拟 量 输 入显 示 模 块按 键 模 块开 关 量 控 制 模 块e C O G I K开 关 量 采 集 模 块串口通信模块e C O G I K图 1 2 热泵热水器控制器系 统组成结构图 广西大学学士学位论文 基于 GPRS 的热能控制装置 5 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 。 控 制
12、 系 统 进水 量液 位热 泵 调 节温 度流 量+设 定 值温 度 温 度图 2-1 控制系统结构图 外 部 硬 件温 度流 量进 、 出 水阀 门声 光 报 警C P Ue C O G l kL E D 显 示P W MI C 卡指 纹G P R S液 位 热 泵 C P Ue C O G l kR S 2 3 2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
13、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、广西大学学士学位论文 基于 GPRS 的热能控制装置 6 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
14、时将主 CPU 的端口封锁。双 CPU 电路的原理图如图 2-3 所示 ： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 7 - M a y- 2 00 7 S he e t o f F i l e : F : 海涛 c pu 1 .D D B D r a w n B y:AGND28X18X27R E S E T4P D 2 ( I N T 0 )11P D 3 ( I N T 1 )12P D 4 ( O C 1 B )13P D 5 ( O C 1 A )14P B 0 ( T
15、0 )40P B 1 ( T 1 )41P B 2 ( A I N 0 )42P B 3 ( A I N 1 )43P B 4 ( S S )44P B 5 ( M O S I )1P B 6 ( M I S O )2P B 7 ( S C K )3( A D C 0 ) P A 037( A D C 1 ) P A 136( A D C 2 ) P A 235( A D C 3 ) P A 334( A D C 4 ) P A 433( A D C 5 ) P A 532( A D C 6 ) P A 631( A D C 7 ) P A 730P C 019P C 120P C 221P
16、C 322P C 423P C 524( T O S C 1) P C 625( T O S C 2) P C 726P D 7 ( T O S C 2 )16P D 6 ( I C P )15A V C C27A R E F29P D 1 ( T X D )10P D 0 ( R X D )9GND39VCC38GND6GND18VCC5VCC17C P U 1M A S T E RV C CAGND28X18X27R E S E T4P D 2 ( I N T 0 )11P D 3 ( I N T 1 )12P D 4 ( O C 1 B )13P D 5 ( O C 1 A )14P B
17、 0 ( T 0 )40P B 1 ( T 1 )41P B 2 ( A I N 0 )42P B 3 ( A I N 1 )43P B 4 ( S S )44P B 5 ( M O S I )1P B 6 ( M I S O )2P B 7 ( S C K )3( A D C 0 ) P A 037( A D C 1 ) P A 136( A D C 2 ) P A 235( A D C 3 ) P A 334( A D C 4 ) P A 433( A D C 5 ) P A 532( A D C 6 ) P A 631( A D C 7 ) P A 730P C 019P C 120P
18、C 221P C 322P C 423P C 524( T O S C 1) P C 625( T O S C 2) P C 726P D 7 ( T O S C 2 )16P D 6 ( I C P )15A V C C27A R E F29P D 1 ( T X D )10P D 0 ( R X D )9GND39VCC38GND6GND18VCC5VCC17C P U 2S L A V EV C CPA1PA0PA2X3X2X1X0PA3B0A0Y0Y1Y2Y3CLK/I01I12I23I34I45I56I67I78I89GND10OE/I911I/O012I/O113I/O214I/O
19、315I/O416I/O517I/O618I/O719VCC20U5P A L 1 6 V 8V C CX3X2X1X0 Y0 Y1 Y2 Y3B0A0图 2-3 双 CPU 冗余电路原理图 其端口控制的逻辑关系式为 广西大学学士学位论文 基于 GPRS 的热能控制装置 7 0 0 0 0* ( * ) * ( * )P A n X n A B Y n A B （ 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
20、、 Xn 为 CPU1 的输出 , Yn 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 00AB ,输出 AnP Xn ; 如果 CPU1(F), CPU2(0)变成 CPU2(1),同时 00*1AB ,此时 AnP Yn ; 如果 CPU1(0), CPU2(0),同时 00AB ,输出 AnP Xn ; 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 00*1AB 。 2.3
21、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 lA 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： lA K 2.3.2 AD590
22、 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，另一路与设广西大学学士学位论文 基于 GPRS 的热能控制装置 8 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
23、0 100C 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 -55150C 时，其电流灵敏度为 1A C。例如传感器测室内温度为 25C 时，其输出电流为 298A，因 1C 温度对应的电流输出为 lA，则 25C 时传感器输出为 298A。该 0 100C 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 298A，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
24、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 25C)。本电路的校准步骤如下：首先将传感器放入冰中 (0C)，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 (100C)中，调整 VR2广西大学学士学位论文 基于 GPRS 的热能控制装置 9 使万用表读数为 100mV，校准即可结束。只要有温度变
25、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。 2.33 AD 590 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
26、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
27、 为零时的情况 图 2-5 磁感应强度 B为零时的情况 广西大学学士学位论文 基于 GPRS 的热能控制装置 10 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HE 可用下式表示： HHE K IB （ 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 5 V 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： 8 . 1 3fq （ 2-3） 则水流量为： 38 .1fq （ 2-4） 式中 f -脉冲信号频率， Hz； q - 水流量， L min 图 2 7 转换电路 T 1T 0Ut图 2-8 方波周期 进入 CPU 外中断
