氣源熱泵熱水機(jī)組控制器設(shè)計(jì)

0 引 言
    氣源熱泵熱水器利用的是清潔的電能和空氣能(太陽能)，與傳統(tǒng)熱水器相比，具有節(jié)能、安全、環(huán)保三大特點(diǎn)；缺點(diǎn)是使用范圍有限，設(shè)備造價(jià)相對(duì)高一些，而且還要考慮備用熱源的問題。因此主要應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，尤其是在酒店賓館、醫(yī)院、學(xué)校、休閑場(chǎng)所等商用公用事業(yè)方面應(yīng)用廣泛。
    控制系統(tǒng)是整個(gè)熱泵熱水系統(tǒng)的指揮中心，現(xiàn)有的熱泵熱水控制器加熱時(shí)間長(zhǎng)，故障保護(hù)不完善，低溫條件制熱效率低，不能進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等方面的不足影響了熱泵熱水器在更大范圍的推廣使用。本文研究工作是以單片機(jī)ATmega16為核心構(gòu)建熱泵機(jī)組控制器，針對(duì)雙壓機(jī)雙盤管的雙系統(tǒng)，力求縮短加熱時(shí)間，并設(shè)計(jì)出針對(duì)壓縮機(jī)故障、傳感器故障的保護(hù)功能，針對(duì)低溫環(huán)境的冬季防凍和化霜功能，用于掛接線控面板實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的聯(lián)網(wǎng)通信功能。

1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
    為了監(jiān)測(cè)機(jī)組的運(yùn)行，在各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)上安置了傳感器。一是溫度傳感器，分別檢測(cè)水箱溫度、出水溫度、環(huán)境溫度、盤管溫度和壓縮機(jī)排氣溫度等共10個(gè)模擬信號(hào)的采集。考慮到熱水器對(duì)溫度檢測(cè)精度的要求和產(chǎn)品的成本，采用負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻來檢測(cè)熱泵熱水器的各種溫度。另一是開關(guān)量傳感器，如壓縮機(jī)的進(jìn)、排氣壓力保護(hù)開關(guān)，循環(huán)管路的流量開關(guān)，用于調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的壓力開關(guān)，用于測(cè)量水箱液位是否達(dá)到高低限和水箱缺水保護(hù)的三個(gè)液位開關(guān)等共11個(gè)開關(guān)量。
    熱泵熱水器的控制對(duì)象主要有壓縮機(jī)、電加熱、風(fēng)機(jī)、四通閥、補(bǔ)水電磁閥、水泵等。這些設(shè)備的控制都是開關(guān)量樁制，故都采用繼電器來控制?？刂破鞑杉降臏囟刃盘?hào)和開關(guān)量信號(hào)經(jīng)過控制器分析處理做出響應(yīng)，完成相應(yīng)的控制。
    控制器之間通過RS 485通信總線實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，一個(gè)系統(tǒng)配置有惟一的主模塊控制器，其余的都被設(shè)置成從模塊控制器，每個(gè)從模塊控制器控制兩個(gè)壓縮機(jī)和一個(gè)循環(huán)水泵，檢測(cè)本模塊的出水溫度和室外的盤管溫度以及每臺(tái)壓縮機(jī)的排氣溫度。主模塊控制器還檢測(cè)總的水箱溫度、總的出水溫度和室外環(huán)境溫度，并且通過RS 232接口用于PC機(jī)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    線控操作面板同樣作為從模塊掛接在RS 485總線上，用于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的人機(jī)界面，方便遠(yuǎn)程控制。為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)功能，要求有開／關(guān)機(jī)、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、時(shí)間設(shè)定等功能，并能夠進(jìn)行溫度和機(jī)組狀態(tài)的查詢。
    控制器針對(duì)傳感器的短路或斷路問題，在界面上顯示故障代碼，系統(tǒng)關(guān)機(jī)。針對(duì)系統(tǒng)嚴(yán)重故障，如壓縮機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的高壓或低壓保護(hù)，系統(tǒng)報(bào)警關(guān)機(jī)。

2 控制器硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    通過方案設(shè)計(jì)，可以確定控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，即溫度傳感器輸入的模擬量經(jīng)過溫度采集模塊送入單片機(jī)；開關(guān)量經(jīng)過保護(hù)電路后也送入單片機(jī)；實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊保持與單片機(jī)的通信，用于系統(tǒng)計(jì)時(shí)；輸出控制部分，需要外圍驅(qū)動(dòng)電路來控制繼電器；通信部分，通過RS485接口模塊掛接到通信總線上實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，RS 485的總線式拓樸結(jié)構(gòu)允許在同一總線上最多可以掛接128個(gè)結(jié)點(diǎn)。線控操作面板，同樣通過RS 485接口模塊掛接到RS 485總線上，它包含LCD顯示模塊和便捷的按鍵電路，提供給用戶靈活的操作，監(jiān)控總線上的所有控制器。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2．1 主控芯片ATmega16介紹
    ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS／MHz，通過將8位RISC CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的FLASH集成在一個(gè)芯片內(nèi)，ATmega16成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。
    ATmega16具有如下特點(diǎn)：16 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH(具有同時(shí)讀寫的能力)，512 B E2PROM，1 KB SRAM，32個(gè)通用I／O口線，確保足夠的I／O口線可以用于開關(guān)量采集和開關(guān)量控制；用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程；三個(gè)具有比較模式的靈活定時(shí)器／計(jì)數(shù)器(T／C)，其中之一具有獨(dú)立振蕩器，可以用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)，從而簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)，節(jié)省了空間，也提高了效率；三個(gè)片外中斷源，可以靈活使用；一個(gè)可編程串行USART，用于RS 485通信；8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC，用于溫度模擬量的采集；六個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式，面向低功耗應(yīng)用。另外還有兩線串行接口(TWI)，一個(gè)SPI串行端口，便于系統(tǒng)的更新升級(jí)。
2．2 溫度采集模塊
    系統(tǒng)的溫度傳感器輸入信號(hào)使用同樣的調(diào)理電路，用模擬開關(guān)器件輪流選擇每一通道，以達(dá)到分時(shí)采樣的目的。這樣既簡(jiǎn)化了外圍電路，也節(jié)省了有限的ADC通道。使用的溫度傳感器類型為負(fù)溫度系數(shù) (NTC)熱敏電阻，型號(hào)為MF51C 3470-502和MF51C3470-103，阻值精度±1％，前者用于對(duì)溫度變化范圍較小的環(huán)境溫度和盤管溫度的檢測(cè)，后者用于對(duì)水溫和排氣溫度的檢測(cè)。
    熱水器的最大使用概率溫度約為45℃(318．15 K)，取一個(gè)電阻R，其阻值為45℃時(shí)的熱敏電阻值，將熱敏電阻R，與R串聯(lián)。隨著溫度的改變，熱敏電阻的阻值變化，兩端電壓也隨之變化，45℃時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓正好為參考電壓的1／2，從而在參考電壓范圍內(nèi)更好地測(cè)量溫度。轉(zhuǎn)換成的電壓信號(hào)經(jīng)由模擬開關(guān)選通，進(jìn)入放大器構(gòu)成的一階低通濾波電路，用于消除噪聲干擾和提高阻抗特性。最后輸人ATmega16的ADC管腳，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供控制器做后續(xù)處理。
2．3 驅(qū)動(dòng)控制模塊
    熱泵熱水機(jī)組控制器所控制的壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵等設(shè)備的工作電壓均為220 V，50 Hz，根據(jù)實(shí)際要求選用型號(hào)為JQX-36F的繼電器(線圈電壓12 V，觸點(diǎn)負(fù)載220 V Ac 10 A)來控制強(qiáng)電。由于輸出控制信號(hào)較多，采用集成多路驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路來控制線圈得電或是斷電，從而簡(jiǎn)化電路。芯片內(nèi)部電路如圖3所示，芯片引腳1～7是信號(hào)輸入端(I1～I(xiàn)7)，10～16是輸出信號(hào)(01～07)，8接地，9接電源，繼電器線圈接在電源與輸出之間(9和01～07之間)。

    根據(jù)ULN2003的輸入、輸出特性，當(dāng)2003輸入端為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出口輸出低電平，繼電器線圈通電，繼電器觸點(diǎn)吸合；當(dāng)2003輸入端為低電平時(shí)，繼電器線圈斷電，繼電器觸點(diǎn)斷開；在2003內(nèi)部已集成起反向續(xù)流作用的二極管，用于繼電器線圈感性電路的瞬態(tài)抑制。
2．4 RS 485通信模塊
    所有控制器與線控面板通過RS 485總線實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信，控制信號(hào)和機(jī)組狀態(tài)等數(shù)據(jù)通過RS 485總線進(jìn)行傳送。RS 485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點(diǎn)使其成為首選的串行接口。因?yàn)镽S 485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根連線，所以Rs 485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。
    設(shè)計(jì)中選用MAXIM公司的MAX485芯片來實(shí)現(xiàn)RS 485接口電路。其性能特點(diǎn)是總線上最多可掛接32個(gè)發(fā)送器，數(shù)據(jù)率為2．5 Mb／s，具備發(fā)送和接收使能控制引腳。圖4所示芯片原理圖中DE是MAX485的驅(qū)動(dòng)器控制端，DE=1，驅(qū)動(dòng)器工作(發(fā)送)；DE=0，且RE=0，接收器工作(接收)。DI為驅(qū)動(dòng)器輸入，RO為接收器輸出，分別作為單片機(jī)UART模塊的TxD和RxD。MAX485的差分信號(hào)A和B端則直接連接到RS 485總線。圖4為單片機(jī)與MAX485的連接示意圖。

2．5 LCD顯示模塊
    LCD顯示模塊是線控面板的主要組成部分，負(fù)責(zé)顯示機(jī)組狀態(tài)信息以及與用戶的交互。為了使界面更加直觀友好，設(shè)計(jì)中選用信利圖形點(diǎn)陣式液晶模塊，型號(hào)為CMS-PG1777DBSW-W。它是屬于STN類型LCD，點(diǎn)陣數(shù)320×240，占空比1／240，集成32 KB顯示SRAM，內(nèi)置生成LCD驅(qū)動(dòng)電壓的偏置電路，采用透射式LED背光照明，對(duì)比度可調(diào)，工作溫度范圍-20～+70℃，集成液晶顯示控制器RA8835P3N?？梢苑浅７奖愕赝ㄟ^8位數(shù)據(jù)總線與單片機(jī)接口。液晶模塊CMS-PG1777DBSW-W與單片機(jī)ATmega16的接口電路如圖5所示。
    線控面板通過調(diào)節(jié)2個(gè)阻值為0～10 kΩ的電位器來改變液晶屏的背光亮度和對(duì)比度。液晶模塊與AT-mega16單片機(jī)相連接的信號(hào)有8條數(shù)據(jù)線、讀寫信號(hào)RD和WD、片選信號(hào)CSE和A0、復(fù)位信號(hào)RST。其中，數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的PC端口相連接，讀寫控制信號(hào)和其他信號(hào)與PA端口相連。

3 控制器軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3．1 軟件的總體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)軟件包括控制器主板軟件和線控面板軟件，兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸通過RS 485總線完成?？刂破髦靼遘浖饕?fù)責(zé)溫度與開關(guān)量信號(hào)采集，設(shè)備控制以及故障檢測(cè)與保護(hù)。為了提高軟件的可讀性和可維護(hù)性，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想將程序劃分為以下幾部分：主程序、中斷例程、控制策略子程序、信號(hào)采集子程序、時(shí)鐘子程序、RS 485通信子程序等。其中，控制策略子程序是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主體部分，包括水箱電加熱、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、補(bǔ)水電磁閥等設(shè)備或?qū)崿F(xiàn)元件的運(yùn)行規(guī)則，壓縮機(jī)是控制熱泵制熱循環(huán)的關(guān)鍵設(shè)備，故壓縮機(jī)的控制策略將在隨后展開敘述?？傮w而言，控制決策由當(dāng)前機(jī)組工況(包括溫度和相關(guān)設(shè)備狀態(tài))以及設(shè)定的運(yùn)行方式?jīng)Q定。
    在故障保護(hù)方面。將所有可能的故障列出清單，并對(duì)其進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)所有故障與其代碼的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，便于程序的處理，提高效率。線控面板軟件主要負(fù)責(zé)界面顯示(溫度顯示、機(jī)組狀態(tài)指示和故障指示)，故障報(bào)警和主板參數(shù)設(shè)置。
3．2 軟件的工作流程
    在主模塊控制器上電之后，先執(zhí)行RAM初始化、集成外設(shè)初始化工作。接著監(jiān)聽RS 485總線命令，當(dāng)接收到開機(jī)命令時(shí)，依次打開水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)，啟動(dòng)熱泵熱水器機(jī)組。在開機(jī)情況下，如果有設(shè)置命令，則更改系統(tǒng)參數(shù)。接著調(diào)用顯示更新子程序，通過RS 485總線發(fā)送當(dāng)前功能模式、時(shí)間、補(bǔ)水方式、水箱溫度等信息。然后對(duì)采集的模擬信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為溫度值。最后進(jìn)入主體程序，控制策略子程序。溫度和開關(guān)量采集子程序采用中斷模式，采用定時(shí)器產(chǎn)生100 ms周期中斷，實(shí)時(shí)時(shí)鐘也在中斷例程中實(shí)現(xiàn)，其工作流程如圖6所示。

3．3 控制策略的實(shí)現(xiàn)
    控制策略子程序首先檢測(cè)溫度傳感器和壓力傳感器是否有短路或者斷路故障，有則顯示故障代碼，系統(tǒng)關(guān)機(jī)。接著執(zhí)行系統(tǒng)嚴(yán)重故障保護(hù)(壓縮機(jī)高壓或低壓保護(hù)、水流開關(guān)保護(hù)等)。然后依次執(zhí)行風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、電加熱、注液閥、補(bǔ)水電磁閥等設(shè)備的運(yùn)行規(guī)則，最后執(zhí)行盤管化霜和冬季防凍的特殊功能，其流程如圖7所示。

    其中，壓縮機(jī)控制策略是關(guān)鍵。因?yàn)樗侵茻岬闹饕O(shè)備，需要注意的是要考慮兩個(gè)壓機(jī)的平衡運(yùn)行，即壓縮機(jī)的啟停順序按照累計(jì)運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短自動(dòng)判斷，遵循的原則是累計(jì)運(yùn)行時(shí)間短的壓縮機(jī)先啟動(dòng)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的壓縮機(jī)先關(guān)閉。這樣達(dá)到壓縮機(jī)的磨損時(shí)間趨于平衡，減少系統(tǒng)的故障率。兩個(gè)壓縮機(jī)的平衡運(yùn)行子程序流程圖如圖8所示。

    圖中的Taccl和Tacc2礎(chǔ)代表壓縮機(jī)的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間。時(shí)間條件指壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)間必須超過3 min才能再次啟動(dòng)，壓縮機(jī)啟動(dòng)后的運(yùn)行時(shí)間必須超過90 s才能關(guān)閉，壓縮機(jī)的狀態(tài)標(biāo)志指開啟或者關(guān)閉狀態(tài)，在關(guān)閉壓縮機(jī)時(shí)才記錄累計(jì)運(yùn)行時(shí)間。

4 結(jié) 語
    這款熱泵熱水機(jī)組控制器的特色是以ATmega16為核心，基于RS 485總線通訊機(jī)制的主從模塊結(jié)構(gòu)。線控面板可以靈活地進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，時(shí)鐘、溫度、機(jī)組設(shè)備狀態(tài)信息等豐富的界面內(nèi)容便于用戶掌握熱泵機(jī)組的實(shí)時(shí)工況。同時(shí)輔以完善的故障保護(hù)和化霜防凍功能，使得熱泵機(jī)組的制熱過程更加安全高效。