基于單片機的水源熱泵空調控制系統

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1、基于單片機的水源熱泵空調控制系統專 業(yè) 電氣工程及其自動化 二零一三年六月摘要水源熱泵技術是利用地球表面淺層水源中吸收的太陽能和地熱能而形成的低溫低位熱能資源，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。本文介紹了一款以STC12C5A60S2單片機為控制核心，包含溫度采集模塊、故障檢測模塊、時鐘模塊、人機接口模塊、與開關量控制等模塊組成的水源熱泵空調控制器設計方案。通過對水源熱泵機組的控制，實現了室內溫度智能轉換的基本功能，達到了可調節(jié)系統工作模式，設定時間溫度等設計要求。 關鍵詞: 單片機；水源熱泵； 壓縮機； PT100AbstractWater sour

2、ce heat pump technology is the use of the Earths surface in shallow water absorbs solar energy and geothermal energy and the formation of low-temperature low-energy resources, using heat pump principle, by a small amount of high energy input, low heat to achieve high heat transfer of a technology.Th

3、is article describes a microcontroller core with STC12C5A60S2, including temperature acquisition module, fault detection module, clock module, human interface module, and switch control module consisting of water source heat pump controller design. Through the water source heat pump control unit, to

4、 achieve the conversion of the basic room temperature intelligence function, to the system working mode can be adjusted to set the time and temperature and other design requirements.Keyword: MCU；heat pump； Compressor； PT100目錄第1章 緒論11.1 課題研究的目的和意義11.2 水源熱泵技術國內外研究現狀21.3 水源熱泵技術的基本原理和特點31.3.1 水源熱泵技術基本原理

5、31.3.2 水源熱泵技術特點41.4 系統設計概述4第2章系統總體方案設計52.1總體方案設計52.2 方案的選擇與論證62.2.1 CPU的選擇62.2.2 按鍵模塊72.2.3顯示模塊72.2.4溫度采集模塊82.2.5 時鐘模塊82.2.6 繼電器輸出模塊9第3章 系統硬件電路設計113.1 微處理器113.1.1 STC單片機工作特性簡介113.1.2 單片機內置A/D簡介123.1.3 單片機硬件電路圖123.2 溫度采集電路133.2.1 PT100133.2.2 PT100的溫度系數TCR133.2.3 PT100的接線方式及采樣電路133.3 開關量采集153.4 開關量控制

6、輸出163.5 人機接口模塊設計173.5.1 獨立按鍵183.5.2 液晶顯示器183.6 時鐘模塊設計203.6.1 DS1307的方波輸出功能213.6.2 DS1307引腳介紹21第4章 軟件控制系統設計234.1 軟件編程設計234.2 系統流程圖設計234.2.1 硬件初始化流程圖244.2.2 程序主流程圖244.2.3 溫度采集及控制輸出流程圖264.2.4 報警電路流程圖26第5章 水源熱泵系統軟硬件調試285.1 硬件調試285.2 軟件調試285.3軟硬聯合調試285.4 總結29第6章 參考文獻30致謝辭31附錄一32附錄二33第1章 緒論1.1 課題研究的目的和意義

7、20世紀70年代，世界能源結構已經經歷了三次大轉變，即從木柴轉向煤炭由煤炭轉向石油和天然氣，繼而又從以油、氣為主的能源系統轉向以可再生能源為基礎的持久能源系統。據統計，目前全世界已經探明的煤炭、石油、天然氣、油頁巖等石化燃料資源的總量，大約只夠人類使用100年。 目前在我國的能源構成中煤占70%以上，石油及天然氣占25%，但能源利用率僅在30%以下。針對我國的能源緊缺、能源利用率低、能源浪費嚴重的現狀，建設部于1996年下發(fā)建筑節(jié)能技術政策，明確今后我國建筑節(jié)能的任務是在保證使用功能、建筑質量和室內環(huán)境符合小康目標的前提下，采取各種有效的節(jié)能技術與管理措施降低新建房屋單位建筑面積能耗。同時對既

8、有的建筑物進行有計劃的節(jié)能改造，達到提高居住熱舒適性、節(jié)約能源和改善環(huán)境的目的。 環(huán)境保護工作是擺在我們面前刻不容緩的一項重要工作。據資料估計全世界每年燃燒后排放到大氣中的二氧化硫20萬t,二氧化碳排放增長率達1.55ppm。資料表明：大氣中二氧化碳每增長一倍就會使低層大氣層年平均溫度升1.5-3。在我國，每年僅建筑用能采暖燃煤就要排放二氧化碳達1.9t,排放二氧化硫達300t,排放煙塵300t左右。 隨著改革開放不斷向縱深發(fā)展,傳統的供熱方式受到不同程度的沖擊。由于舊的供熱體制受計劃經濟的約束,在國家能源政策、管理體制、收費體制、供熱質量、物業(yè)管理等方面尚存在一些弊端，不適市場經濟發(fā)展的要求

9、，制約了經濟的發(fā)展，同時也帶來了一些社會問題。綜上所述，由于節(jié)能、環(huán)境保護的需要及供熱空調逐步走向市場化、商業(yè)化，供熱空調方式向多元化發(fā)展，出現了諸如油爐采暖、燃氣采暖、電采暖及水源熱泵技術的開發(fā)研制、應用這一百花齊放的局面 。水源熱泵機組以水為載體，冬季采集來自湖水、河水、地下水及地熱尾水，甚至工業(yè)廢水、污水的低品位熱能，借助熱泵系統，通過消耗部分電能，將所取得的能量供給室內取暖。在夏季，把室內的熱量取出，釋放到水中，以達到夏季空調的目的。該機組具有設計標準、選擇優(yōu)良、操作簡便、安全可靠等優(yōu)點。1.2 水源熱泵技術國內外研究現狀在國外，關于熱泵的研究分屬于兩種熱泵系統: 一種為地源熱泵，一種

10、為海水熱泵。其中地源熱泵真正意義的商業(yè)應用也只有近十幾年的歷史，但發(fā)展相當迅速。美國每年安裝40萬臺地源熱泵，其中，水源熱泵占15%，降低溫室氣體排放100萬t，相當于減少50萬輛汽車的污染物排放或種植樹公頃，年節(jié)約能源費用達4.2億美元。與美國的地源熱泵發(fā)展有所不同，中、北歐如瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要利用淺層地熱資源，地下土壤埋盤管(埋深400m深)的地源熱泵，用于室內地板輻射供暖及提供生活熱水。據1996年的統計，在家用的供熱裝置中，地源熱泵所占比例，瑞士為96%，奧地利為38%，丹麥為27%。同時，中、北歐海水源熱泵的研究和應用也比較多。中國最早在50年代，就曾在上海、天津等地

11、嘗試夏取冬灌的方式抽取地下水制冷，天津大學熱能研究所呂燦仁教授就開展了我國熱泵的最早研究，1965年研制成功國內第一臺水冷式熱泵空調機。 目前，清華大學、天津大學、重慶建筑大學、天津商學院、中國科學院廣州能源研究所等多家大學和研究機構都在對水源熱泵進行研究。中國的水源熱泵的研究和應用才剛剛起步，與國外相比，在熱泵機組的優(yōu)化設計和工程應用上還存在較大差距。 目前，世界特別看好中國的市場。美國能源部和科技部已簽署了中美能源效率及可再生能源合議定書，其中主要內容之一是“地源熱泵”，該項目中國的北京、杭州和廣州3個城市各建一座采用源熱泵供暖空調的商業(yè)建筑，以推廣運用這種“綠技術”，緩解中國對煤炭和石油

12、的依賴程度，從而達到能源資源多元化的目的。在未來的幾年中，中國面臨著巨大的能源壓力。一方面，中國的經濟要保持較高速度的增長;另一方面，又必須考慮環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展問題。所以要求提高能源利用效率，要求能源結構調整。能源利用效率提高，會鼓勵各種節(jié)能設備和技術的推廣，能源結構調整的方向就是以煤為主轉為以電為主。在中國的能源消耗中，建筑耗能的比例相當高。為了適應市場要求和參加國際競爭力，我們必須加快中國品牌的水源熱泵的產業(yè)化研究開發(fā)。1.3 水源熱泵技術的基本原理和特點1.3.1 水源熱泵技術基本原理所謂熱泵，就是一種利用人工技術將低溫熱能轉換為高溫熱能而達到供熱效果的機械裝置。熱泵由低溫熱源（如周圍環(huán)

13、境的自然空氣、地下水、河水、海水、污水等）吸熱能，然后轉換為較高溫熱源釋放至所需的空間（或其它區(qū)域）內。這種裝置即可用作供熱采暖設備，又可用作制冷降溫設備，從而達到一機兩用的目的。熱泵機組的能量轉換，是利用其壓縮機的作用，通過消耗一定的輔助能量（如電能），在壓縮機和換熱系統內循環(huán)的制冷劑的共同作用下，由環(huán)境熱源（如水、空氣）中吸取較低溫熱能，然后轉換為較高溫熱能釋放至循環(huán)介質（如水、空氣）中成為高溫熱源輸出。在此因壓縮機的運轉做工而消耗了電能，壓縮機的運轉使不斷循環(huán)的制冷劑在不同的系統中產生的不同的變化狀態(tài)和不同的效果（即蒸發(fā)吸熱和冷凝放熱），從而達到了回收低溫熱源制取高溫熱源的作用和目的。水

14、源熱泵工作原理圖如圖11所示。圖1.1 水源熱泵工作原理圖1.3.2 水源熱泵技術特點 1 環(huán)保效益顯著水源熱泵是利用了地表水作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。供熱時省去了燃煤、燃氣、然油等鍋爐房系統，沒有燃燒過程，避免了排煙污染。供冷時省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音及霉菌污染，不產生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵。 2 運行穩(wěn)定可靠水體的溫度一年四季相對穩(wěn)定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動，是很好的空調熱源和空調冷源。水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統的高效性和經濟性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點間題。 3 一機多用，應用范圍廣水源熱泵系統可供暖、空調

15、，一機多用，一套系統可以替換原來的鍋護加空調的兩套裝置或系統。 4 自動運行水源熱泵機組由于工況穩(wěn)定，所以可以設計簡單的系統，部件較少，機組運行簡單可靠，維護費用低。自動控制程度高，使用壽命長可達到15年以上。1.4 系統設計概述本設計的設計任務是設計一套由微控制器、液晶顯示器、溫度傳感器、交流接觸器等其他電控設備控制的水源熱泵控制系統。水源熱泵控制系統適用于帶循環(huán)泵，井水泵、壓縮機組成制冷/制熱系統組成水源熱泵冷熱水中央空調系統。本設計主要實現了以下功能：能夠實時監(jiān)測故障，當有故障發(fā)生時系統停止運行，排除故障后繼續(xù)運行。能夠完成手動控制系統工作模式的轉換，溫度的設定及更改，實現室內溫度的智能

16、轉換等。第2章系統總體方案設計2.1總體方案設計水源熱泵空調系統主要由壓縮機、四通閥、室外井水循環(huán)泵（簡稱井水泵）、室內負荷循環(huán)泵（簡稱循環(huán)泵）組成。壓縮機起著壓縮和輸送循環(huán)工質從低溫低壓處到高溫高壓處的作用, 是熱泵系統的心臟。四通閥開關的切換可以使系統進行制冷制熱的轉換。井水泵與循環(huán)泵起著水循環(huán)的作用，是系統的動力系統。壓縮機對消耗的功(電能) 起到補償作用，使循環(huán)工質不斷地從低溫環(huán)境中吸熱, 并向高溫環(huán)境散熱。本設計以微控制器為核心，外圍電路可以分為溫度采集模塊、故障檢測模塊、時鐘模塊、人機接口模塊與開關量控制模塊等。人機接口模塊包括按鍵輸入和LCD液晶顯示，微控制器負責整個系統的數據處

17、理，人機交互等?；谏鲜龉ぷ髟砗涂刂扑悸罚礋岜每照{系統控制器需配置以下檢測與控制接口：6路溫度傳感器輸入：1路空調循環(huán)回水溫度、1路空調循環(huán)出水溫度、1路井水回水溫度、1路井水進水溫度、1路室外環(huán)境溫度、1路室內環(huán)境溫度；3路保護口輸入：1路空調循環(huán)水流開關、1路井水水流開關、1路壓縮機高/低壓保護；6路繼電器輸出：1路空調循環(huán)泵、1路冷卻井水泵、1路熱泵壓縮機、1路電加熱、1路冷卻井水泵加引水、1路制冷/制熱轉換（四通閥切換）；總體設計框圖如圖2.1所示。時鐘模塊繼電器輸出模塊微控制器溫度檢測模塊 液晶顯示模塊故障檢測模塊蜂鳴器報警按鍵輸入 圖2.1系統總體框圖2.2 方案的選擇與論證

18、2.2.1 CPU的選擇單片機（CPU）是本系統工作核心，它的選擇不僅關系到系統的工作效率，同時也為系統的工作提供可靠的保障，因此CPU的選擇是系統的關鍵所在。常見的單片機有MSP430，51系列的STC12C5A60S2，AVR系列的ATMEGA16，PIC系列的PIC16F877。以下比較兩種方案。方案一：STC12C5A60S2是STC宏晶公司生產的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換，針對電機控制，強干擾場合。方案二：M

19、SP430單片機是美國德州儀器生產的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器。MSP430單片機具有處理能力強、運算速度快、超低功耗、片內資源豐富等特點，而且還具有方便高效的開發(fā)環(huán)境。由于本系統對功耗的要求不高，且從系統軟件設計方面考慮采用STC12C5A60S2單片機，選擇方案一。2.2.2 按鍵模塊本系統按鍵模塊主要功能就是通過按鍵設置溫度，調節(jié)溫度，確定工作模式等。常用的按鍵有獨立按鍵，矩陣式鍵盤，固有以下選擇方案：方案一：采用矩陣鍵盤接口設計。采用常用的掃描法對鍵盤進行識別。采用掃描法的優(yōu)點很顯著，在需要按鍵多的場合很實用，缺點是由于需要不斷的掃描，所以這種設計容

20、易消耗較多的系統資源。方案二：采用獨立鍵盤接口設計。每個按鍵需要占用一根輸入口線占用一個I/O口，獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結構簡單，編程較容易。在需要按鍵較少或者操作速度較高的場合，或獲得較好的效果。由于考慮到本設計僅需要四個按鍵，系統使用的單片機有較多的I/O，所以選擇方案二。2.2.3顯示模塊本系統的顯示模塊主要是為了操作員顯示一些基本信息，以及一些采集的參數和報警信息等。常用的顯示器件有數碼管，液晶顯示器，點陣等。以下比較兩種方案：方案一：采用傳統的數碼管作為顯示設備。傳統數碼管具有亮度高、體積小、重量輕、低能耗、低功耗、低壓、壽命長、耐老化、防曬、防潮、防火、放高（低）溫的特點；對

21、外界環(huán)境要求低，易于保護；同時其精度比較高，精確可靠，操作簡單，程序編寫容易，但是只能顯示數字信息，使用時受到限制。方案二:采用液晶顯示屏（LCD）顯示溫度和指令。液晶顯示器具有輕薄短小、功耗低、無輻射危險、平面直角顯示以及影像穩(wěn)定等優(yōu)勢，液晶顯示屏（LCD）具有可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強，顯示內容多，字碼顯示柔和，串行通信，利用的I/O口少等特點。因此，只要一塊液晶顯示器就可以顯示設計要求的全部內容。此外，液晶顯示器有著良好的人機界面，控制也不是太復雜。編制易懂的中文分級菜單界面，人機交互行非常好使人一目了然。綜合考慮上述因素，我們采用方案二，用液晶顯示屏（LCD）進行顯

22、示。2.2.4溫度采集模塊溫度采集模塊是本系統的核心模塊，它涉及到系統的各個方面，選擇一個合適的溫度傳感器對系統的穩(wěn)定性，實用性有著至關重要的作用。本系統需要采集六路溫度，分別是室內溫度，室外溫度，井水進水溫度，井水回水溫度，循環(huán)進水溫度，循環(huán)回水溫度，溫度采集范圍一般在-20100。常用的溫度傳感器有DS18B20，鉑電阻傳感器，熱敏電阻傳感器，熱電偶傳感器等。以下比較兩種方案：方案一：采用PT100溫度傳感器，PT100又叫鉑電阻，熱電阻。鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數關系而制成的溫度傳感器,其溫度系數為0.0039/，0時電阻值為100，電阻變化率為0.3851/。采用不銹

23、鋼外殼封裝，內部填充導熱材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧，適用于精密儀器、恒溫設備、流體管道等溫度的測量，非常經濟實用。PT100溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)（-200400）最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標準溫度計。方案二：采用DS18B20芯片。美國dallas公司推出的DS18B20數字式溫度傳感器與傳統的熱敏電阻溫度傳感器不同，它能直接讀出被測溫度，并且可根據實際要求通過簡單地變成實現9-12位的數字值讀數方式，可以分別在93.75ms和750ms內將溫度值轉化為9位和12位的數字量。因而使用DS18B20可使系統結構更簡單，可

24、靠性更高。芯片的耗電量很小，從總線上得一點電儲存在片內的電容中就可以正常工作，一般不用另加電源。DS18B20在檢測點已經把被測信號數字化了，因此在單總線上出送的是數字信號，這使得系統的抗干擾性好，可靠性高，傳送距離遠。綜上所述，由于本系統需要采集六路溫度信號，且要檢測水流溫度，綜合比較下采用PT100溫度傳感器。2.2.5 時鐘模塊本系統采用的時鐘芯片要能顯示出時、分、秒、年、月、日。在系統中需要根據時間來設定溫度的大小，壓縮機的啟動與停止等。常見的時鐘芯片有DS1307，DS12877,PCF8483，SB2068等。以下比較兩種方案：方案一：PCF8583是PHILIPS公司制造的帶有2

25、568bitRAM的8引腳日歷/時鐘芯片,采用IIC兩線串行總線接口,內含完整的振蕩,分頻,上電復位電路,并具備計時,日歷,定時,鬧鐘和中斷輸出功能。數據保持和時鐘工作電壓16V,總線工作電壓2.56V；采用8腳DIP或SO封裝形式;內有振蕩器,分頻器和上電復位電路,可使用32.768Hz石英晶振或外部50Hz時鐘;片內字節(jié)地址讀寫后自動加1;可用作定時器或計數器。方案二：DS1307是美國DALLAS公司生產的一款低功耗，具有56字節(jié)非失性RAM的全BCD碼時鐘日歷實時時鐘芯片，地址和數據通過兩線雙向的串行總線的傳輸，芯片可以提供秒，分，小時等信息，每一個月的天數能自動調整。并且有閏年補償功

26、能。AM/PM 標志位決定時鐘工作于24小時或12小時模式，芯片有一個內置的電源感應電路，具有掉電檢測和電池切換功能。 綜上所述，從經濟型，實用性，方便性等方面分析，本系統采用時鐘模塊DS1307，選擇方案二。2.2.6 繼電器輸出模塊輸出模塊在本系統中起著弱電控制強電的作用，本系統中有六路輸出，分別是進水泵，循環(huán)泵，壓縮機，四通閥，電加熱，和加引水。常用的輸出模塊有固態(tài)繼電器，電磁式繼電器，晶閘管控制輸出。有以下選擇方案：方案一：固態(tài)繼電器輸出。固態(tài)繼電器是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點開關。用隔離器件實現了控制端與負載端的隔離。固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號，

27、達到直接驅動大電流負載。固態(tài)繼電器具有以下特點：（1）高壽命，高可靠：固態(tài)繼電器沒有機械零部件，有固體器件完成觸點功能，由于沒有運動的零部件，因此能在高沖擊，振動的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長，可靠性高。（2）靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好：固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅動功率低，可與大多數邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅動器。（3）快速轉換：固態(tài)繼電器因為采用固體器件，所以切換速度可從幾毫秒至幾微妙。（4）電磁干擾?。汗虘B(tài)繼電器沒有輸入“線圈”，沒有觸點燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數交流輸出固態(tài)繼電器是一個零電壓開關，在零電壓處導通

28、，零電流處關斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關瞬態(tài)效應。但是固態(tài)繼電器有殘留輸出電壓1-1.6V，輸出的只能是直流或者交流，不能兼容；通常需要散熱片；不能用小輸出信號；存在漏電流；且只有單一觸點。方案二：電磁繼電器輸出。電磁繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流，較低的電壓去控制較大電流。故在電路中起著自動調節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。它的優(yōu)點有：有較低的殘留輸出電壓，不需要散熱片，價格便宜，可以提供多組觸點和常開常閉觸點，無漏電流，可接交直流負載等。綜上所述，由于固態(tài)繼電器穩(wěn)定性較差，

29、而本系統需要穩(wěn)定輸出，故采用方案二電磁繼電器輸出。第3章 系統硬件電路設計3.1 微處理器本系統采用的微處理器是宏晶公司生產的STC12C5A60S2單片機。它是單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機。3.1.1 STC單片機工作特性簡介1. 增強型 8051 CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統80512. 工作電壓：5.5V - 3.5V（5V單片機）3. 通用I/O口，復位后為：準雙向口/弱上拉（普通8051傳統I/O口），可設置成四種模式：準雙向口/弱上拉，強推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏。每個I/O口驅動能力均可達到20

30、mA，但整個芯片最大不要超過120mA4ISP（在系統可編程）/ IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器?？赏ㄟ^串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數秒即可完成一片5. 有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無內部EEPROM)6. 內部集成MAX810專用復位電路（外部晶體12M以下時，復位腳可直接1K電阻到地）7.時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內部R/C振蕩器(溫漂為5% 到10% 以內)用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內部R/C 振蕩器還是外部晶體/時鐘常溫下內部R/C 振蕩器頻率為：5.0V 單片機為： 11MHz 17MHz3.3V 單片

31、機為： 8MHz 12MHz精度要求不高時，可選擇使用內部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準8.共4個16位定時器，兩個與傳統8051兼容的定時器/計數器,16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器,再加上2路PCA模塊可再實現2個16位定時器9.3個時鐘輸出口，可由T0的溢出，P3.4/T0輸出時鐘，可由T1的溢出，在P3.5/T1輸出時鐘,獨立波特率發(fā)生器可以在P1.0口輸出時鐘10.PWM(2路）/ PCA（可編程計數器陣列,2路）， 也可用來當2路D/A使用，也可用來再實現2個定時器，也可用來再實現2個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均

32、可分別或同時支持)11.A/D轉換, 10位精度ADC，共8路，轉換速度可達250K/S(每秒鐘25萬次)12.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時器或PCA軟件實現多串口3.1.2 單片機內置A/D簡介STC12C5A60S2系列帶A/D轉換的單片機的A/D轉換口在P1口，有8路10位高速A/D轉換器，速度可達到250KHz（25萬次/秒）。8路電壓輸入型A/D，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。上電復位后P1口為弱上拉型IO口，用戶可以通過軟件設置將8路中的任何一路設置為A/D轉換，不須作為A/D使用的口可繼續(xù)作為IO口使用。單片

33、機ADC由多路開關、比較器、逐次比較寄存器、10位DAC、轉換結果寄存器以及ADC_CONTER構成。該單片機的ADC是逐次比較型ADC。主次比較型ADC由一個比較器和D/A轉換器構成，通過逐次比較邏輯，從最高位（MSB）開始，順序地對每一輸入電壓與內置D/A轉換器輸出進行比較，經過多次比較，使轉換所得的數字量逐次逼近輸入模擬量對應值。逐次比較型A/D轉換器具有速度高，功耗低等優(yōu)點。需作為AD使用的口先將P1ASF特殊功能寄存器中的相應位置為1，將相應的口設置為模擬功能。3.1.3 單片機硬件電路圖STC12C5A60S2單片機硬件電路圖如圖3.1所示。圖3.1 單片機硬件電路圖3.2 溫度采

34、集電路3.2.1 PT100本系統采用的溫度傳感器是PT100。PT100是一種廣泛應用的測溫元件，在-50600范圍內具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關系，所以需要進行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數字化校正，模擬校正有很多現成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數字化校正則需要在微處理系統中使用，將PT電阻的電阻值和溫度對應起來后存入EEPROM中，根據電路中實測的AD值以查表方式計算相應溫度值。3.2.2 PT100的溫度系數TCR按IEC751國際標準， 溫度系數TCR=0.，Pt100（R

35、B0B=100）、Pt1000（RB0B=1000）為統一設計型鉑電阻。TCR=(RB100B-RB0B)/ (RB0B100)。表3.1 PT100標準電阻值3.2.3 PT100的接線方式及采樣電路 常用的PT電阻接法有三線制和兩線制。對于二線制接法來講，傳感器電阻變化值與連接導線電阻值共同構成傳感器的輸出值，由于導線電阻帶來的附加誤差使實際測量值偏高，用于測量精度要求不高的場合，并且導線的長度不宜過長。三線制接法的優(yōu)點是將PT100的兩側相等的的導線長度分別加在兩側的橋臂上，使得導線電阻得以消除。 常用的采樣電路有兩種：一為橋式測溫電路，一為恒流源式測溫電路。本系統采用的采樣電路是恒流源

36、測溫電路。恒流源測溫電路原理圖如圖3.2所示。圖3.2 恒流源測溫電路原理圖測溫原理：電路采用TL431和電位器R3調節(jié)產生2.38V的參考電源，通過運放U1A將基準電壓2.38V轉換為恒流源，電流流過PT100時在其上產生壓降，再通過運放U1B將該微弱壓降信號放大（圖中放大倍數為10），即輸出期望的電壓信號，該信號可直接連AD轉換芯片。 根據虛地概念“工作于線性范圍內的理想運放的兩個輸入端同電位”，運放U1A的“+”端和“-”端電位V+V-2.38V；假設運放U1A的輸出腳14對地電壓為Vo，根據虛斷概念，（0-V-）/R11+（Vo-V-）/RPt1000，因此電阻PT100上的壓降VPt

37、100Vo-V-V-*RPt100/R11，因V-和R11均不變，因此圖3.2中PT100左側的電路等效為一個恒流源流過一個Pt100電阻，電流大小為V- /R11，Pt100上的壓降僅和其自身變化的電阻值有關。本系統采用單片機內置的AD轉換器進行模數轉換，其電壓范圍一般在05V，而PT100在本系統中需要采集的溫度范圍是-20100，本系統中設定PT100在-20時對應AD端口模擬電壓為0V，在100時對應AD端口模擬電壓為2.5V，計算公式為：（X+20）/120*2.5=Y；X為當前溫度，Y為當前溫度所對應電壓值。通過運放U1C完成一個減法器，使PT100在-20時，輸出為0V。在100

38、時，輸出為2.5V。其運算公式為：UOUT=(UI-1.09)*5.4;UOUT為輸出電壓，UI為經過運放U1B放大后輸出電壓由于STC12C5A60S2單片機內置A/D有10位分辨率，根據系統的電壓設定V基=2.5V則模擬電壓轉換成數字電壓后的分度值為V基/1023,模擬電壓信號V0與轉換后的數字電壓V1關系為：V1=V0*1023/V基恒流源電流可以根據歐姆定律得：I=VR/R12=1.19mA, VR 穩(wěn)壓管電壓，為2.38v，R12=2000，鉑電阻的阻值R0= V0/I，由R0值對照鉑電阻阻值和溫度變化表即可得到當前的溫度值。PT100熱電阻分度表見附錄二。3.3 開關量采集為保證熱

39、泵工作的安全性，特別是機械裝置的安全性，本系統中引入開關量檢測電路。開關量采集電路采集的開關信號直接作為水泵的啟動與停止控制條件。系統中引入3路開關量采集，分別采集室外水是否正常循環(huán)、室內水是否正常循環(huán)和壓縮機是否正常工作。只要有一路開關量檢測到故障，則系統停止運行，并提示相應故障，發(fā)出報警。到下一次重啟之前，相應水泵不再工作，以達到保護機械裝置的目的。運行過程中實時檢測循環(huán)水流、井水水流、壓縮機高/低壓保護，此三路信號在系統中都是以開關量的形式采集的，由獨立電源供+12V電，開關串接光電耦合器，信號送至單片機I/O口，內部程序實時檢測，并結合當前系統的工作狀態(tài)調用不同的邏輯處理程序，得出相應

40、的輸出結果。三路開關量檢測只有在系統處于運行狀態(tài)時才有意義，所以，系統待機期間、以及房間溫度不滿足啟動條件時，此信號不予檢測。而且，也不作為開機條件判斷。只有當系統處于開機運行狀態(tài)時才對這三路信號進行檢測，系統開機時，在啟動過程中，啟動井水泵后井水水流開關可能由于沒有抽上水而長時間不閉合，這時要繼續(xù)運行井水泵和循環(huán)泵，若2分鐘后井水水流開關仍沒有接通，則需要自動接通“加引水”控制輸出5秒鐘，用于給井水泵加引水，若10分鐘后仍不能接通井水水流開關，則停止井水泵、循環(huán)泵的運行，并顯示“井水故障”等故障提示。只要是正常開機后發(fā)生的故障停機，到重新上電之前，系統不再以任何原因方式再次此運行。這是通過系

41、統中多個標志位配合完成的，檢修過后，故障排除，重新給系統上電方能使系統重新運行。開關量信號采集電路如圖3.3所示，當被檢測部件正常工作時，它的被動機械開關就會將右側回路導通，從而使得單片機I/O口為低電平。這3路開關量采集模塊由+12V供電，經過光電耦合器完成電磁隔離以及電平匹配，既能有效保證半導體器件不被擊穿，又能有效濾除高頻擾動信號，防止系統誤動作。圖3.3 開關量采集電路3.4 開關量控制輸出 開關量輸出主要包括水泵啟?？刂?、壓縮機開關控制、壓縮機自加熱控制、井水加引水控制，四通閥控制，報警電路控制。本系統采用的控制輸出模塊是電磁繼電器。它有較低的殘留輸出電壓，不需要散熱片，價格便宜，可

42、以提供多組觸點和常開常閉觸點，無漏電流，實用性強，輸出穩(wěn)定，可接交直流負載等。由于壓縮機自加熱控制以及井水加引水控制硬件與水泵控制硬件圖完全一致。現以水泵的起?？刂茷槔f明水源熱泵的開關量輸出，如圖3.4所示。報警電路輸出如圖3.5所示。水泵啟?？刂疲瑔纹瑱C通過I/O口輸出開關信號，通過光電耦合驅動繼電器以控制水泵的啟停。電路左半部分是起到電磁隔離的作用，通過三極管驅動繼電器線圈，IN4007是續(xù)流二極管，可將線圈電壓鉗位到其導通電壓，主要是防止線圈斷電時候的感生過電壓擊穿其他電路器件。圖3.4 室內井水水泵開關量輸出原理圖故障報警電路如圖3.5所示圖3.5 故障報警電路3.5 人機接口模塊設

43、計本系統的人機接口模塊包括按鍵輸入和12864大小的液晶顯示。3.5.1 獨立按鍵按鍵模塊有四個獨立按鍵組成，分別代表設置按鍵、確定按鍵、加1按鍵、減1按鍵。加減鍵連接在單片機的普通I/O口上，設置按鍵接在P3.3口上，即接在外部中斷1上，確定按鍵接在P3.2上，即外部中斷0上。開機后如果需要調節(jié)溫度則按下設置按鍵，程序進入外部中斷1，然后進行溫度的加減，確定后按下確定按鍵，程序進入外部中斷0，通過設置標志位使程序進入主程序。3.5.2 液晶顯示器液晶顯示器可以通過簡單程序編寫顯示出豐富的界面，方便操作人員進行操作。帶中文字庫的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，

44、內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示84行1616點陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與數碼管顯示模塊相比，硬件電路結構或顯示程序都要簡潔的多。其具有以下基本特性：（1）低電源電壓（VDD+3.0+5.5V）（2）顯示分辨率:12864點 （3）內置漢字字庫，提供8192個1616點陣漢字(簡繁體可選)（4）內置 128個168點陣字符 （

45、5）2MHZ時鐘頻率 （6）顯示方式：STN、半透、正顯 （7）驅動方式：1/32DUTY，1/5BIAS （8）視角方向：6點 （9）背光方式：側部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/51/10 （10）通訊方式：串行、并口可選 （11）內置DC-DC轉換電路，無需外加負壓 （12）無需片選信號，簡化軟件設計（13）工作溫度: 0 - +55 ,存儲溫度: -20 - +60管腳說明如表3.3所示。表3.3 管腳說明管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1VSS0V電源地2VCC3.0+5V電源正3V0-對比度（亮度）調整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7DB0為顯示數據RS=“L”,

46、表示DB7DB0為顯示指令數據5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,數據被讀到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的數據被寫到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信號7-14DB0-DB7H/L三態(tài)數據線15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式16NC-空腳17/RESETH/L復位端，低電平有效18VOUT-LCD驅動電壓輸出端19AVDD背光源正端（+5V）20KVSS背光源負端本系統采用的液晶顯示器接法為串行接法，占用較少單片機I/O口，變成較為簡單，方便。獨立按鍵與液晶顯示器原理圖如圖3.6和圖3.7所示。圖3.6 獨立按鍵原理圖圖3.7

47、液晶顯示原理圖3.6 時鐘模塊設計本系統的時鐘模塊采用的是美國DALLAS 公司生產的DS1307。DS1307的主要特點是低功耗、兩線制串行數據傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關掉充電功能。采用普通的32.768KHZ晶振。它提供秒、分、小時、星期、日期、月和年等時鐘日歷數據。另外它還集成了如下幾點功能： （1）56 字節(jié)掉電時電池保持的NV SRAM 數據存儲器 （2）可編程的方波信號輸出（3）掉電檢測和自動切換電池供電模式3.6.1 DS1307的方波輸出功能方波信號輸出功能從SQW/OUT 引腳輸出設置頻率的方波，CONTROL 寄存器用于控制SQW/OUT 腳的輸

48、出，其地址為07，每位的內容如表3.4。表3.4 CONTROL寄存器位BIT7（OUT）：此位表示在方波輸出被禁止時（BIT4=0），SQW/OUT引腳的邏輯電平，在BIT4=0(SQWE=0方波輸出禁止)時，若BIT7（OUT）為1則SQL/OUT引腳為高電平，反之亦然。BIT4(SQWE)方波輸出允許/禁止控制位，SQWE=1允許方波輸出（有效）；BIT4=0禁止方波輸出。BIT0(RS0)、BIT1（RS1）與設定輸出波形的頻率，如表35。表3.5 CONTROL寄存器說明由于DS1307的方波輸出腳為集電極開路，故要在外部加上上拉電阻。3.6.2 DS1307引腳介紹DS1307引腳

49、功能及引腳圖如圖3.9所示。圖3.9 DS1307引腳圖及功能介紹與單片機連接電路圖如圖3.10所示。圖3.10 DS1307接口原理圖第4章 軟件控制系統設計4.1 軟件編程設計在單片機控制系統中，軟件的重要性與硬件同等重要。硬件是軀體，軟件是靈魂，但系統的硬件電路確定之后，系統的主要功能還要靠軟件來實現，而且軟件的設計很大程度上決定了系統的性能。整體數據處理在這里起到承上啟下的作用，是單片機采集的各個模塊的數據，進行統籌判斷，按一定邏輯、一定順序，分別執(zhí)行各個程序模塊。具體地說，程序經檢測傳感器傳輸的數據，得到相應邏輯。外部輸入信號整體采集完成，只要進行算法比對，得到所需運行結果輸出即可。

50、通過按鍵掃描，切換相應界面，設置溫度，工作模式等。本系統的軟件設計采用功能強大的C語音編程，利用單片機及其外圍電路實現其功能，開發(fā)軟件是常用的Keil uVision4編程軟件，該軟件調試簡單，編程方便，能跟蹤程序的執(zhí)行，方正的功能，極大地為我們的調試提供了便利，而C語言功能豐富，表達能力強，目標程序效率高，可移植性好，即具有高級語言的優(yōu)點，又具有低級語言的許多特點，兩者的完美結合，很好的實現了軟件功能。4.2 系統流程圖設計為了實現水源熱泵空調的功能,軟件可劃分為:功能操作模塊及系統錯誤檢測模塊。系統功能操作模塊的主要功能是:為系統與操作人員之間提供友好的交互界面,對系統進行有效的管理。因此

51、該功能模塊為水源熱泵空調控制系統的核心部分。主功能管理模塊主要包括LCD實時顯示模塊、PT100溫度檢測模塊、溫度設定模塊、開關量輸出模塊、日歷時鐘顯示功能模塊。系統錯檢測模塊主要包括蜂鳴器報警模塊，開關量采集模塊。系統初始化包括硬件初始化和軟件流程，硬件初始化主要對系統各個模塊進行初始化操作，軟件初始化主要對溫度傳感器進行初始化，防止檢測數據檢測不正確。4.2.1 硬件初始化流程圖系統開始運行后，首先要對系統所有硬件模塊進行初始化，硬件初始化流程圖如圖4.1 所示。圖4.1 硬件初始化流程圖DS1307初始化中設置系統初始時間以及年月日，同時可以從單片機中將初始化信息發(fā)送到DS1307中，使

52、其開始正常工作。EEPROM中主要存儲了系統上次設置的溫度，以及工作模式，初始化單片機內置的EEPROM使其工作。中斷初始化是為了打開中斷，一邊操作按鍵。液晶初始化將LCD的一些命令進行設置，例如開光標、清屏等指令。4.2.2 程序主流程圖主流程圖如圖4.2所示圖4.2 系統主流程圖程序流程圖說明：Pump_four：四通閥開關，1為制熱，0為制冷。Stream_well：井水水流檢測，1為正常，0為故障。Stream_round：循環(huán)水流檢測，1為正常，0為故障。Engine_check：壓縮機保護監(jiān)測，1為正常，0為故障。程序運行說明：當系統一上電運行時，首次檢測四通閥的開關狀態(tài)，確定系統

53、的工作模式（制冷或者制熱，在這兩種狀態(tài)下系統工作情況大致形同，現以制熱狀態(tài)為例簡述工作運行情況），如果Pump_four=1，即系統處于制熱模式，要先啟動井水泵，等兩分鐘后檢測井水水流開關狀態(tài)（即Stream_well是1還是0），如果檢測開關是關閉的則需要啟動加引水裝置，等5分鐘后關閉加引水，再檢測水流開關狀態(tài)，如果開關打開則啟動循環(huán)泵，如果還是關閉狀態(tài)，則繼續(xù)加引水，如此反復檢測五次，若果開關狀態(tài)還是關閉的則在液晶顯示屏上顯示“井水故障”，同時蜂鳴器發(fā)出報警。五次檢測中只要有一次開關狀態(tài)打開，則啟動循環(huán)泵。等五秒鐘后檢測循環(huán)水流快關（即Stream_round是1還是0），開關關閉則在液晶

54、顯示屏顯示循環(huán)泵故障，同時發(fā)出報警；開關打開，則檢測壓縮機保護開關。保護開關如果是關閉的則在液晶顯示屏上顯示“壓縮機故障“，同時蜂鳴器發(fā)出報警；保護開關打開則判斷系統是否滿足壓縮機啟動條件，如果滿足則啟動壓縮機，如果不滿足，則壓縮機不動作。4.2.3 溫度采集及控制輸出流程圖溫度采集及控制輸出流程圖如圖3.4所示。圖4.3 溫度采集及控制輸出流程圖系統上電后，單片機首先判斷系統工作模式，在制熱模式習下，根據溫度傳感器傳輸過來時溫度參數判斷是否滿足電加熱的條件，如果滿足則啟動電加熱開關，不滿足則繼續(xù)判斷是否滿足壓縮機啟動條件，滿足則啟動壓縮機，反之壓縮機不動作。在制冷模式下則不需要判斷電加熱條件

55、，直接進行壓縮機啟動條件判斷，滿足啟動，反之不動作。4.2.4 報警電路流程圖報警電路流程圖如圖4.4所示圖4.4 報警電路流程圖程序運行中實時監(jiān)測系統的三路保護，分別是井水水流檢測保護，循環(huán)水流檢測保護，壓縮機故障保護。當有一路保護出現錯誤是就報警，同時停止故障所有水泵以及壓縮機的運行，直至故障排除才重新啟動系統。第5章 水源熱泵系統軟硬件調試根據方案設計的要求，測試過程共分為三大部分：硬件調試、軟件調試和軟硬件聯合調試。電路按模塊調試，各模塊逐個調通后，再進行聯合調試。先調試好單片機主控芯片,確保單片機最小系統電路正常工作后，再與其它硬件系統聯合調試。5.1 硬件調試硬件調試，查看硬件模塊

56、電路的連線是否與邏輯圖一致，用萬用表檢測有無短路或斷路現象，器件的規(guī)格、極性、電阻選擇的大小是否有誤。檢查完畢，用萬用表測量一下電路板正負電源端之間的電阻，排除電源短路的可能性。電源模塊通電后，在萬用表輸出端測量能否得到5V直流電壓，如果不能輸出5V直流電壓則檢查電路直至能夠調節(jié)輸出。5.2 軟件調試本系統的軟件調試因STC12C5A60S2核心模塊的使用而變得相對容易，Keil軟件開發(fā)環(huán)境，能判斷語法差錯和邏輯差錯，判斷程序無誤后，可以直接通過STC_ISP_V480軟件燒錄到單片機中進行調試。5.3軟硬聯合調試在軟件和硬件都基本調通的情況下，進行系統的軟硬件聯合調試。按照由上向下，模塊化設

57、計的理念對模塊逐個調試：首先，通過ISP在線下載，使寫好的程序能夠正常地下載到單片機里，接著單獨調試LCD液晶模塊，DS1302模塊，并單獨為各個模塊寫調試程序，為最后整個系統的整合打下良好的基礎。5.4 總結本論文用51系列的STC12C5A60S2單片機做成水源熱泵空調溫度控制器，通過溫度采集，CPU控制，然后通過LCD液晶顯示，開關量檢測，開關量輸出等一系列硬件功能和軟件功能，共同完成溫度的智能控制。由于MCS-51單片機技術成熟，應用廣泛，而且比其他單片機簡單,通過此單片機做成的水源熱泵空調溫度控制器成本低廉，操作簡便，有一定的實用性。本論文設計系統從硬件和軟件兩方面對地下水源熱泵的控

58、制部分進行討論，著重于熱泵的溫度采集和開光量輸入輸出模塊的分析，目的是以價格低廉的控制器替代昂貴的控制系統或者人工控制系統，實現性價比高、功能多、抗擾能力強、實時好的人性化控制，以便滿足更多用戶的實際需要。通過本次畢業(yè)設計我收獲很多，當自己拿到一個題目，要全面的分析它的設計要求，完成它的軟硬件設計，綜合考慮設計的可操作性。我還在本次設計中學到了一些工程設計的思想，這得益于老師的指導。這將會為后來的學習、工作帶來方便。在本次設計中采用模塊化設計，這為設計減少了很大難度，也為調試帶來方便。這一思想是至關重要的，將會為后來從事本專業(yè)的工作帶來極大方便。第6章 參考文獻1陳海宴 51單片機原理及應用基

59、于keil C與Proteus 北京航空航天大學出版社 2010.2陳桂友 增強型8051單片機使用開發(fā)技術 北京航空航天大學出版社 2010.3嚴天峰 單片機應用系統設計與仿真調試 航空航天大學出版社 2005 4李莉 C語言程序設計教程 科學出版社. 20075何利民 MCS一51系列單片機應用系統設計 北京航空航天大學出版社，19926徐科軍 傳感器與檢測技術 電子工業(yè)出版社 20087侯玉寶 基于Proteus的51系列單片機設計與仿真 電子工業(yè)出版社 20088陳曉鴿 昂軍 胡仁喜 Protel99SE標準實例教程 機械工業(yè)出版社 20109劉坤 高征 Protel99SE電路設計實

60、例教程 清華大學出版社 200810黎小桃 劉祖明 周福明 Protel99SE入門與提高 電子工業(yè)出版社 200911Bjame W.Olesen,Eric Michel. Heat Exchange Coefficient Between Floor Surface and Space by Floor Cooling-Theory or a Question of Defintion.ASHRAE Transaction:Symposia DA-00-8-2 12M.Maroni,B Seifert.T Lindball.Indoor Air Quality M.Netherland:

61、Elsevier Science B V 1995致謝辭畢業(yè)設計暫告收尾，這也意味著我在大學學習生活即將結束?；厥准韧?，自己一生的最寶貴時光能在這樣的校園之中，能在眾多學富五車、才華橫溢的老師們的熏陶下度過，實事榮幸之至。在這四年的時間里，我在學習上和思想上都受益匪淺。這除了自身努力之外，與各位老師、同學和朋友的關心、支持和鼓勵是分不開的。在這里,我首先要感謝指導老師，為我們提供了一個良好的學習平臺。沒有像老師這樣奉獻的工作者，我們就少了一個積累途徑。在做畢業(yè)設計的過程中，剛開始時我的設計思路很混亂，可以說是無從下手，經過姚老師的耐心講解，終于確定的設計方向與思路。在這幾個多月的時間里我積極收

62、集資料，消化、吸收。學到了很多東西，并且耐心的調試，現在畢業(yè)設計已基本完成。同時也感謝學校對畢業(yè)生的關心，為我們提供良好的學習環(huán)境。感謝所有在畢業(yè)設計中曾經幫助過我的老師和同學，以及在設計中被我引用或參考的著作的作者。將以更加務實態(tài)度對待工作和學習，以此感謝。附錄一附錄二PT100熱電阻分度表溫度 0123456789電阻值（）-40-30-20-10084.2788.2292.1696.09100.0083.8787.8391.7795.6999.6183.4887.4391.3795.3099.2283.0887.0490.9894.9198.8382.6986.6490.5994.5298.4482.2986.2590.1994.12