氣源熱泵熱水機組控制器設(shè)計

肖建忠,許飛云

摘 要:空氣源熱泵熱水器利用熱泵吸收空氣熱源制取熱水,節(jié)能效率是電熱水器的4倍以上,是目前世界上最為先進(jìn)的節(jié)能環(huán)保熱水系統(tǒng)之一。詳細(xì)闡述一款以ATmega16單片機為核心,具有聯(lián)網(wǎng)通訊功能的熱泵熱水機組控制器軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計,介紹了多路溫度采集模塊、開關(guān)量采集模塊、驅(qū)動控制模塊、RS 485通信模塊和液晶接口模塊的硬件電路和工作原理。控制器軟件適用于雙壓縮機系統(tǒng),能有效縮短加熱時間;具有壓縮機、傳感器等設(shè)備或元件的故障保護(hù);具有冬季防凍和化霜功能,能夠提高低溫制熱效率;獨有的聯(lián)網(wǎng)通信功能可以方便地實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與機組信息顯示。

關(guān)鍵詞:熱泵熱水機組;控制器;ATmega16單片機;控制策略

中圖分類號:TP27文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)19-168-05

Design of Commercial Heat Pump Water Heater Controller

XIAO Jianzhong,XU Feiyun

(Southeast University,Nanjing,211189,China)

Abstract:Air source heat pump water heater absorbs heat from the air to generate hot water using heat pump,and the energy efficient is 4 times more than electric water heater,which makes it become the world's most advanced energy saving and environmental protection water systems.The hardware system design of commercial heat pump water heater controller based on ATmega16 with the function of networking communication is described in detail,which comprises of several modules including the multi-channel temperature acquisition module,the multi-channel switching signal acquisition module,the driving module,the RS 485 communication module and LCD interface module.The controller's software is applied to dual-compressor system,which can effectively shorten the heating time;providing failure protection for compressors,sensors and other equipment or component;combined with the functions of winter antifreeze and defrost,which can improve the thermal efficiency;using networking communication to implement remote control and display information.

Keywords:heat pump water heater system;controller;ATmega16;control strategy

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;缺點是使用范圍有限,設(shè)備造價相對高一些,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、休閑場所等商用公用事業(yè)方面應(yīng)用廣泛[1]。

控制系統(tǒng)是整個熱泵熱水系統(tǒng)的指揮中心,現(xiàn)有的熱泵熱水控制器加熱時間長,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ATmega16為核心構(gòu)建熱泵機組控制器,針對雙壓機雙盤管的雙系統(tǒng),力求縮短加熱時間,并設(shè)計出針對壓縮機故障、傳感器故障的保護(hù)功能,針對低溫環(huán)境的冬季防凍和化霜功能,用于掛接線控面板實現(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

為了監(jiān)測機組的運行,在各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)上安置了傳感器。一是溫度傳感器,分別檢測水箱溫度、出水溫度、環(huán)境溫度、盤管溫度和壓縮機排氣溫度等共10個模擬信號的采集。考慮到熱水器對溫度檢測精度的要求和產(chǎn)品的成本,采用負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻來檢測熱泵熱水器的各種溫度。另一是開關(guān)量傳感器,如壓縮機的進(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)機轉(zhuǎn)速的壓力開關(guān),用于測量水箱液位是否達(dá)到高低限和水箱缺水保護(hù)的三個液位開關(guān)等共11個開關(guān)量。

熱泵熱水器的控制對象主要有壓縮機、電加熱、風(fēng)機、四通閥、補水電磁閥、水泵等。這些設(shè)備的控制都是開關(guān)量控制,故都采用繼電器來控制[2]。控制器采集到的溫度信號和開關(guān)量信號經(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通信總線實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng),一個系統(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,每個從模塊控制器控制兩個壓縮機和一個循環(huán)水泵,檢測本模塊的出水溫度和室外的盤管溫度以及每臺壓縮機的排氣溫度。主模塊控制器還檢測總的水箱溫度、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機監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行。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,用于實現(xiàn)控制系統(tǒng)的人機界面,方便遠(yuǎn)程控制。為了實現(xiàn)控制系統(tǒng)功能,要求有開/關(guān)機、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、時間設(shè)定等功能,并能夠進(jìn)行溫度和機組狀態(tài)的查詢。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖

控制器針對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。針對系統(tǒng)嚴(yán)重故障,如壓縮機運行中出現(xiàn)的高壓或低壓保護(hù),系統(tǒng)報警關(guān)機。

2 控制器硬件系統(tǒng)的設(shè)計

通過方案設(shè)計,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;開關(guān)量經(jīng)過保護(hù)電路后也送入單片機;實時時鐘模塊保持與單片機的通信,用于系統(tǒng)計時;輸出控制部分,需要外圍驅(qū)動電路來控制繼電器;通信部分,通過RS 485接口模塊掛接到通信總線上實現(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個結(jié)點。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。

圖2 熱泵熱水器控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 主控芯片ATmega16介紹

ATmega16是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間,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集成在一個芯片內(nèi),ATmega16成為一個功能強大的單片機,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[3]。

ATmega16具有如下特點[4]:16 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH(具有同時讀寫的能力),512 B E2PROM,1 KB SRAM,32個通用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;三個具有比較模式的靈活定時器/計數(shù)器(T/C),其中之一具有獨立振蕩器,可以用于實現(xiàn)實時時鐘(RTC),從而簡化外圍電路設(shè)計,節(jié)省了空間,也提高了效率;三個片外中斷源,可以靈活使用;一個可編程串行USART,用于RS 485通信;8路10位具有可選差分輸入級可編程增益的ADC,用于溫度模擬量的采集;六個可以通過軟件進(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SPI串行端口,便于系統(tǒng)的更新升級。

2.2 溫度采集模塊

系統(tǒng)的溫度傳感器輸入信號使用同樣的調(diào)理電路,用模擬開關(guān)器件輪流選擇每一通道,以達(dá)到分時采樣的目的[5]。這樣既簡化了外圍電路,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,型號為MF51C 3470-502和MF51C 3470-103,阻值精度±1%,前者用于對溫度變化范圍較小的環(huán)境溫度和盤管溫度的檢測,后者用于對水溫和排氣溫度的檢測。

熱水器的最大使用概率溫度約為45 ℃(318.15 K),取一個電阻R,其阻值為45℃時的熱敏電阻值,將熱敏電阻Rt與R串聯(lián)[6]。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 ℃時對應(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)更好地測量溫度。轉(zhuǎn)換成的電壓信號經(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。最后輸入ATmega16的ADC 管腳,轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供控制器做后續(xù)處理。

2.3 驅(qū)動控制模塊

熱泵熱水機組控制器所控制的壓縮機、風(fēng)機、循環(huán)水泵等設(shè)備的工作電壓均為220 V,50 Hz,根據(jù)實際要求選用型號為JQX-36F的繼電器(線圈電壓12 V,觸點負(fù)載220 V AC 10 A)來控制強電。由于輸出控制信號較多,采用集成多路驅(qū)動芯片ULN2003構(gòu)成驅(qū)動電路來控制線圈得電或是斷電,從而簡化電路。

芯片內(nèi)部電路如圖3所示,芯片引腳1～7是信號輸入端(I1～I(xiàn)7),10～16是輸出信號(O1～O7),8接地,9接電源,繼電器線圈接在電源與輸出之間(9和O1～O7之間)。

圖3 芯片ULN2003內(nèi)部原理圖

根據(jù)ULN2003的輸入、輸出特性[7],當(dāng)2003輸入端為高電平時,對應(yīng)的輸出口輸出低電平,繼電器線圈通電,繼電器觸點吸合;當(dāng)2003輸入端為低電平時,繼電器線圈斷電,繼電器觸點斷開;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總線實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信,控制信號和機組狀態(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,長的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點使其成為首選的串行接口。因為RS 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)計中選用MAXIM公司的MAX485芯片來實現(xiàn)RS 485接口電路。其性能特點[8]是總線上最多可掛接32個發(fā)送器,數(shù)據(jù)率為25 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)動器控制端,DE=1,驅(qū)動器工作(發(fā)送);DE=0,且RE=0,接收器工作(接收)。DI為驅(qū)動器輸入,RO為接收器輸出,分別作為單片機UART模塊的TxD和RxD。MAX485的差分信號A和B端則直接連接到RS 485總線。圖4為單片機與MAX485的連接示意圖。

圖4 RS 485接口電路圖

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)計中選用信利圖形點陣式液晶模塊,型號為CMS-PG1777DBSW-W。它是屬于STN類型LCD,點陣數(shù)320×240,占空比1/240,集成32 KB顯示SRAM,內(nèi)置生成LCD驅(qū)動電壓的偏置電路,采用透射式LED背光照明,對比度可調(diào),工作溫度范圍-20～+70 ℃,集成液晶顯示控制器RA8835P3N[9]。可以非常方便地通過8位數(shù)據(jù)總線與單片機接口。液晶模塊CMS-PG1777DBSW-W與單片機ATmega16的接口電路如圖5所示。

圖5 液晶模塊與ATmega16接口電路

線控面板通過調(diào)節(jié)2個阻值為0～10 kΩ的電位器來改變液晶屏的背光亮度和對比度。液晶模塊與ATmega16單片機相連接的信號有8條數(shù)據(jù)線、讀寫信號RD和WD、片選信號CSE和A0、復(fù)位信號RST。其中,數(shù)據(jù)線與單片機的PC端口相連接,讀寫控制信號和其他信號與PA端口相連。

3 控制器軟件系統(tǒng)的設(shè)計

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。

控制器主板軟件主要負(fù)責(zé)溫度與開關(guān)量信號采集,設(shè)備控制以及故障檢測與保護(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、信號采集子程序、時鐘子程序、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)計的主體部分,包括水箱電加熱、風(fēng)機、壓縮機、補水電磁閥等設(shè)備或?qū)崿F(xiàn)元件的運行規(guī)則,壓縮機是控制熱泵制熱循環(huán)的關(guān)鍵設(shè)備,故壓縮機的控制策略將在隨后展開敘述。總體而言,控制決策由當(dāng)前機組工況(包括溫度和相關(guān)設(shè)備狀態(tài))以及設(shè)定的運行方式?jīng)Q定。

在故障保護(hù)方面。將所有可能的故障列出清單,并對其進(jìn)行編碼,實現(xiàn)所有故障與其代碼的一一對應(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、機組狀態(tài)指示和故障指示),故障報警和主板參數(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)接收到開機命令時,依次打開水泵、風(fēng)機、壓縮機,啟動熱泵熱水器機組。在開機情況下,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、時間、補水方式、水箱溫度等信息。然后對采集的模擬信號進(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,采用定時器產(chǎn)生100 ms周期中斷,實時時鐘也在中斷例程中實現(xiàn),其工作流程如圖6所示。

圖6 控制器軟件工作流程圖

3.3 控制策略的實現(xiàn)

控制策略子程序首先檢測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。接著執(zhí)行系統(tǒng)嚴(yán)重故障保護(hù)(壓縮機高壓或低壓保護(hù)、水流開關(guān)保護(hù)等)。然后依次執(zhí)行風(fēng)機、壓縮機、

電加熱、注液閥、補水電磁閥等設(shè)備的運行規(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。

圖7 控制策略子程序流程圖

其中,壓縮機控制策略是關(guān)鍵。因為它是制熱的主要設(shè)備,需要注意的是要考慮兩個壓機的平衡運行,即壓縮機的啟停順序按照累計運行時間的長短自動判斷,遵循的原則是累計運行時間短的壓縮機先啟動,累計運行時間長的壓縮機先關(guān)閉。這樣達(dá)到壓縮機的磨損時間趨于平衡,減少系統(tǒng)的故障率。兩個壓縮機的平衡運行子程序流程圖如圖8所示。

圖8 壓縮機平衡運行子程序流程圖

圖中的Tacc1和Tacc2代表壓縮機的累計運行時間。時間條件指壓縮機停機時間必須超過3 min才能再次啟動,壓縮機啟動后的運行時間必須超過90 s才能關(guān)閉,壓縮機的狀態(tài)標(biāo)志指開啟或者關(guān)閉狀態(tài),在關(guān)閉壓縮機時才記錄累計運行時間。

4 結(jié) 語

這款熱泵熱水機組控制器的特色是以ATmega16為核心,基于RS 485總線通訊機制的主從模塊結(jié)構(gòu)。線控面板可以靈活地進(jìn)行遠(yuǎn)程操作,時鐘、溫度、機組設(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組的實時工況。同時輔以完善的故障保護(hù)和化霜防凍功能,使得熱泵機組的制熱過程更加安全高效。

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