臺灣博碩士論文加值系統

大部分的加熱器使用燃料、瓦斯或電力來產生熱能。然而，這些方式不僅昂貴，同時會產生大量的二氧化碳。為了保護環境及節省能源，許多研究應用到太陽能，但是太陽能加熱器在冬天並不能夠提供和夏天ㄧ樣的性能。此外太陽能加熱器在下雨天等於失去功效，同時也必須面對轉換效率不佳的問題。
藉由熱泵從自然環境中獲得熱能，透過冷媒的壓縮、膨脹、熱交換來產生熱水，與傳統的太陽能式與其他的加熱器相比，熱泵可以更有效率的達到節能與環保的目標。傳統上，熱泵是由可程式邏輯控制器(PLC)所控制的，但PLC的缺點是價格昂貴、體積龐大。在此，我們使用單晶片MCS-51來取代PLC作為控制器，並對各級感測器的正常與否進行偵測，以保護熱泵壓縮機、避免誤動作。當任何一個感測器出現故障時，系統可自行偵測錯誤，並提供故障元件代號，這種做法大大改進了傳統熱泵機台的維修模式，使得熱泵的維護變得相當簡易。
本論文並以實際溫度的量測與控制進行控制器的有效性評估，由實驗結果可知，本論文所設計控制器將可完全取代傳統控制器，提供更佳的熱泵控制器選擇。另外，本論文利用單晶片結合模糊控制，以溫度感測器PT100電路與SCR相位調整模組設計具自我調整式(Self-tuning)模糊控制器，依環境的變化自動微調修正操控量，來控制加熱器的輸出功率，以改進傳統上只能做"開"和"關"指令的缺點，因此，可以達到更好的溫度控制效果。

Most of heaters use fuel, gas or electricity to produce heat. However, these methods are expensive and generate amount of CO2. In order to protect the environment and save the energy, the solar energy heaters are applied. But solar energy heater can not provide the same performance in both winter and summer. Especially in a rainy day, the solar heater is equal to out of order. At the same time, its transform efficiency is still bad. But we can get heat energy from nature by heat pump through compression, expansion and heat exchange to generate hot water. Comparing with conventional solar energy type of equipments and the other heaters, the heat pump conserves energy and protects environment efficiently.
Traditionally, the heat pump is controlled by Programmable logic controller (PLC). But, PLC has disadvantages of expensive price and huge size. Here, we use MCS-51 to control heat pump instead of PLC. This controller can detect each sensor which is normal or not in order to protect the compressor and prevent fault action. When any sensor is break down, system will detect each fault number and provide the information to user or repairer. This method improves the maintenance of traditional heat pump.
Experimental results through several temperature control measurements show that this work provides a cheap and effective way to control heat pumps. At the same time, we combine single chip and fuzzy control, and we use PT100 circuit and SCR phase adjust module for designing a self-tuning fuzzy controller. This controller can adjust output power of heater slightly and automatically according to environmental changes. In this way, we have better control effects.

目錄

摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 X
中英文對照表 XI
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究動機與方法 3
1.4 貢獻 4
1.5 論文概要 4
第二章 硬體架構 5
2.1 熱泵系統 5
2.1.1 系統介紹 5
2.1.2 工作原理 11
2.1.3 優點 12
2.1.4 效益 13
2.2 溫度感測器電路[21] 14
2.2.1 PT100 15
2.2.2 放大器電路 17
2.3 控制器設計 18
2.3.1 單晶片比較 21
2.3.2 89S51電路 22
2.3.3 8255電路 23
2.3.4 類比數位轉換電路 25
2.3.5 耦合電路 28
2.4 矽控整流器(SCR) 29
第三章 控制方法 31
3.1 熱泵控制 31
3.2 水缸溫度控制 37
3.2.1 功率控制[22] 37
3.2.2 相位控制[12] 38
3.2.3 模糊控制 43
第四章 實驗結果 48
4.1 熱泵控制 48
4.1.1 實驗環境 48
4.1.2 實驗ㄧ 50
4.1.3 實驗二 51
4.1.4 實驗三 52
4.2 水缸溫度控制 53
4.2.1 實驗設備 53
4.2.2 結果與討論 54
第五章 結論與未來展望 56
參考文獻 57

圖目錄

圖2.1 熱泵系統 7
圖2.2 熱泵主機外觀 7
圖2.3 冷卻用抽水馬達 8
圖2.4 熱交換用抽水馬達 8
圖2.5 熱交換器 8
圖2.6 電磁開關 9
圖2.7 防凍開關 9
圖2.8 高低壓開關 9
圖2.9 積熱繼電器 10
圖2.10 逆相繼電器 10
圖2.11 壓力感測器 10
圖2.12 PT100 10
圖2.13 熱泵工作原理 12
圖2.14 溫度控制系統方塊圖 15
圖2.15 PT100 感測器電路 16
圖2.16 運算放大器電路 17
圖2.17 控制器之印刷電路板 19
圖2.18 控制電路 20
圖2.19 89S51腳位配置 22
圖2.20 8255內部結構方塊圖 23
圖2.21 8255腳位配置 24
圖2.22 ADC0808腳位配置 25
圖2.23 ADC0808 典型的應用 26
圖2.24 74LS74降頻電路 27
圖2.25 PC847外觀 28
圖2.26 PC847內部結構圖 28
圖2.27 SCR: 400VAC, 12A 30
圖2.28 SCR之結構 30
圖2.29 SCR之等效電路 30
圖2.30 SCR之電路符號 30
圖3.1 熱泵控制之程式架構 32
圖3.2 熱泵控制之主程式流程圖 33
圖3.3 熱泵控制之中斷副程式ㄧ流程圖 35
圖3.4熱泵控制之中斷副程式二流程圖 36
圖3.5 基本功率控制電路 37
圖3.6 功率控制操作示意圖 37
圖3.7 相位控制電路 41
圖3.8 零位檢知器各點之波形 42
圖3.9 ERROR之歸屬函數 45
圖3.10 ERROR_DOT之歸屬函數 45
圖3.11水缸溫度之模糊控制流程圖 47
圖4.1熱泵控制系統架構 49
圖4.2 熱泵啟動結果 50
圖4.3 PC817與感測器開路電路 51
圖4.4 錯誤訊號信息 51
圖4.5 溫度實驗結果 52
圖4.6 水缸溫度控制系統架構圖 53
圖4.7 水缸實驗設備 54
圖4.8 水缸溫度控制結果 55
圖4.9加熱器的輸出功率 55

表目錄

表2.1 各種能源之費用與效率比較 14
表2.2 單晶片比較 21
表2.3 8255的基本操作 24
表2.4 ADC0808真值表 26
表3.1 XOR運算 40
表3.2 延遲值與加熱器功率之關係 45
表3.3 模糊規則表 46
表4.1 控制器成本 49

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