基于A(yíng)DμC834芯片的熱泵熱水機組控制器的研制

摘要：熱泵熱水機組是一種新型熱水和供暖產(chǎn)品，它可以從空氣、水等環(huán)境中吸取能量，熱效率高，被公為是傳統鍋爐、電熱水器及燃油（氣）熱水機組的更新?lián)Q代環(huán)保型產(chǎn)品。詳細闡述了以ADμC834芯片為核心的熱泵熱水機組控制器軟硬件系統設計。論述了多路溫度數據與壓力數據采集、液晶顯示等模塊的硬件組成及各個(gè)模塊的工作原理。控制器的軟件系統采用前后臺架構，用QuickStart平臺開(kāi)發(fā)完成。其人機界面系統由按鍵陣列和TG2401286V2型液晶顯示屏組成。
關(guān)鍵詞：熱泵熱水機組；控制器；單片機

0 引言

保護人類(lèi)賴(lài)以生存的資源和環(huán)境已成為當今世界最重要的課題之一，也是世界可持續發(fā)展戰略的主要內容。熱泵熱水機組就是在這一背景下研制出來(lái)的一種新型熱水和供暖產(chǎn)品，它可以從空氣、水和土壤中吸取能量，熱效率高，與普通的直接電加熱熱水器相比，可節能70%以上，被公認為是傳統鍋爐、電熱水器及燃油（氣）熱水機組的更新?lián)Q代環(huán)保型產(chǎn)品^[1]。

控制器是熱泵熱水機組的“靈魂”，現有熱泵熱水機組的控制器多采用PLC，操作界面為觸摸屏。隨著(zhù)應用領(lǐng)域、區域分布的擴大，需要解決融霜、低溫啟動(dòng)與運行、智能故障診斷和節能高效運行等問(wèn)題。本文研究工作旨在研發(fā)出基于ADμC834芯片的熱泵熱水機組控制器，該控制器實(shí)現了由PLC與觸摸屏組成控制器的全部功能，可靈活有效地控制熱泵熱水機組的運行，具有極高的性?xún)r(jià)比。

1 控制器功能與總體結構

已開(kāi)發(fā)成功的熱泵熱水機組控制器以ADμC834芯片為核心，利用芯片集成的24位AD轉換器，可實(shí)時(shí)采集0～5V或4～20mA的標準溫度和壓力信號?？刂破鞯娜藱C界面系統由按鍵陣列和TG2401286V2型液晶顯示屏組成。利用74LS573芯片有效擴展了系統端口數量，以滿(mǎn)足12路開(kāi)關(guān)量輸出、10路開(kāi)關(guān)量輸入及8鍵鍵盤(pán)輸入的需要。

熱泵熱水機組控制器硬件包含以下模塊：開(kāi)關(guān)量隔離輸入模塊；開(kāi)關(guān)量隔離輸出模塊；多路溫度數據采集模塊；多路壓力數據采集模塊；鍵盤(pán)輸入模塊；液晶顯示模塊以及電源模塊。

其中，多路溫度采集模塊外接PT100溫度傳感器，用來(lái)定時(shí)采集熱泵熱水機組各測量點(diǎn)的溫度值；多路壓力采集模塊外接由壓力變送器給出的4-20mA或0-5V標準信號，用來(lái)定時(shí)采集熱水機組壓縮機的高壓壓力值和低壓壓力值；開(kāi)關(guān)量隔離輸入模塊外接熱水器的開(kāi)關(guān)量信號，用來(lái)實(shí)時(shí)采集反映熱水機組各關(guān)鍵部件運行狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量信號；開(kāi)關(guān)量隔離輸出模塊通過(guò)繼電器來(lái)控制熱水器的壓縮機、電磁閥、風(fēng)機等電氣部件；鍵盤(pán)輸入模塊與液晶顯示模塊作為控制器的人機界面；電源模塊將220V的交流電經(jīng)過(guò)濾波后，通過(guò)變壓器降壓以及整流、濾波和穩壓處理后，為控制器其它模塊供電。

3 控制器的硬件系統

3.1 ADμC834芯片簡(jiǎn)介^[2,3]

ADμC834單片機是美國ADI公司推出的一款高性能單片機，內部集成了高分辨率的A/D轉換器，是目前片內資源最豐富的單片機之一。它將8051內核、兩路24位和16位∑-△A/D、12位D/A、Flash/EE存儲器、WDT看門(mén)狗電路、電源監控電路、溫度傳感器、SPI和I²C總線(xiàn)接口等豐富資源集成于一體，體積小、功耗低、非常適合用于各類(lèi)智能儀表、智能傳感器、變送器和便攜式儀器等領(lǐng)域。其具體的特點(diǎn)如下所述：

（1）ADμC834芯片集成了2個(gè)有兩個(gè)獨立的A/D轉換通道(分辨率分別為24位與16位)；內含可編程增益放大器；在20Hz/20mV范圍內有13位有效分辨率；在20Hz/2.56V范圍內有18位有效分辨率。此外ADC還具有數字濾波、可編程的數據轉換速率等功能，以滿(mǎn)足寬動(dòng)態(tài)變化測量的需要。

（2）62K字節非易失性電可擦除程序存儲器，4K字節的非易失性電可擦除數據存儲器和2304字節的片上數據RAM。并且程序存儲器可以被配置成用于數據記錄的，能達到60K字節的數據存儲器^[3]。

（3）ADμC834單片機的片內Flash/EE程序存儲器可用兩種模式進(jìn)行編程：在線(xiàn)串行下載和并行編程。另外，ADμC834還可通過(guò)標準的UART串行端口下載源代碼。若管腳PSEN通過(guò)一個(gè)下拉電阻，使得該管腳處于低電平狀態(tài)，ADμC834芯片則自動(dòng)進(jìn)入串行下載模式。當設備連接正確時(shí)，源代碼將自動(dòng)載入到片內Flash程序存儲器。

3.2顯示模塊接口電路

熱泵熱水機組控制器的顯示模塊主要由TG2401286V2型液晶顯示屏以及外圍輔助電路組成。該型號液晶顯示屏是一款圖形點(diǎn)陣液晶顯示屏,由行驅動(dòng)器/列驅動(dòng)器及格式為320240全點(diǎn)陣液晶顯示器組成。它既可完成圖形顯示，又可以顯示1616點(diǎn)陣漢字。液晶顯示器內部集成了T6963C液晶顯示控制器，并具有32K顯示RAM，采用8位數據總線(xiàn)與單片機相連^[4]。TG2401286V2型液晶顯示屏與ADμC834芯片的連接電路如圖１所示。

熱泵熱水機組控制器通過(guò)調節2個(gè)阻值為0~10K的電位器，來(lái)改變液晶屏的背光亮度和對比度^[5{}]。液晶顯示屏與ADμC834芯片相連接的信號有：8位數據總線(xiàn)、讀寫(xiě)信號/RD和/WD、片選信號/CE，/CD、復位信號/RST。其中/CE、/CD 作為片選信號直接與單片機P2.5、P2.6相連接，液晶顯示屏的讀寫(xiě)控制信號/RD和/WD管腳直接與ADμC834的/RD和/WD管腳相連。液晶屏的復位信號由1片809SFA2復位芯片獨立給出。

圖1 晶顯示屏與ADμC834芯片的連接電路圖

圖2 溫度AD轉換電路如圖

3.3模擬量輸入電路

在熱泵熱水機組控制器中，溫度測量采用三線(xiàn)制PT100傳感器。溫度值A/D轉換利用ADμC834的主A/D轉換通道。測量溫度時(shí)，將PT100傳感器兩端的電壓差作為A/D轉換器的差分輸入。整個(gè)電路模塊包含8組由LM324組成的電壓跟隨器、一片多路模擬開(kāi)關(guān)CD4051BC以及幾組RC濾波電路組成。該模塊電路利用多路開(kāi)關(guān)，輪流切換被測回路與A/D轉換電路間的通路，以達到分時(shí)采樣的目的。溫度A/D轉換電路如圖2所示。

由于控制器溫度測量的設計量程為-20℃~100℃，溫度傳感器PT100阻值將在92.3Ω~138.5Ω之間變化。因此，主A/D轉換通道輸入端AIN1和AIN2之間的電壓差變換范圍為0.110V~0.161V。ADμC834芯片的內部集成了PGA控制器，可以由軟件更改A/D轉換的量程，其量程最小值可以設置為20mV。因此，端口A(yíng)IN1和AIN2之間的電壓差可以不經(jīng)過(guò)放大調理，直接輸入到ADμC834芯片的AIN1和AIN2管腳直接進(jìn)行A/D轉換。

電路模塊的多路模擬開(kāi)關(guān)采用CD4051，該芯片允許雙向使用，既可以用于從多路到單個(gè)的轉換，也可以用于從單路到多路的轉換。它具有3個(gè)控制輸入端A、B、C和1個(gè)輸入使能控制端INH。由A、B、C管腳信號組成的3位二進(jìn)制數值決定了X輸出端與哪一個(gè)輸入通道導通。當INH=1 時(shí)，禁止模擬量輸入；當INH=0時(shí)，允許模擬量輸入。當多路開(kāi)關(guān)從一個(gè)輸入通道切換到另一個(gè)輸入通道時(shí)，會(huì )發(fā)生電壓瞬變現象，使輸出端出現短暫的尖峰電壓，如此時(shí)多路開(kāi)關(guān)的輸出信號被采樣將會(huì )引入誤差。因此，在多路開(kāi)關(guān)的輸出端加了一組由1KΩ和0.1uF的電容組成的RC低通濾波器對AIN2的輸入信號進(jìn)行濾波，以減少這類(lèi)誤差^[6]。

壓力A/D轉換輸入電路的工作原理與溫度測量電路類(lèi)似，在此將不作介紹。

4 控制器的軟件系統

4.1控制器的軟件結構

在基于ADμC834芯片的熱泵熱水機組控制系統中，各種功能選擇和確定，以及工作狀況數據都是有液晶顯示屏顯示。根據不同的顯示界面可以將系統的所有功能分成若干個(gè)工作模塊。該控制器的軟件系統的主要結構如圖３所示。

圖3熱泵控制器軟件結構

當系統開(kāi)啟的時(shí)候，首先出現主界面供選擇各項功能。各項功能大致分為參數設定（如系統設定、系統時(shí)間設定、密碼設定等）和參數查詢(xún)（如運轉狀況）兩個(gè)大類(lèi)。每個(gè)大類(lèi)里面又有相應的更為細致的功能設置或參數設置。具體界面如圖所示

在主界面上進(jìn)入每個(gè)一級選項都要輸入密碼，只有密碼正確才可以進(jìn)入下一級菜單進(jìn)行設置。同時(shí)在主界面上還有一個(gè)單獨的密碼設定選項，用來(lái)設定密碼或者更改密碼。進(jìn)入設置界面后，通過(guò)上下鍵來(lái)選擇各個(gè)選項，確定后就可以進(jìn)行參數設定或者查看系統工作時(shí)的各個(gè)部分的參數。

4.2控制器的軟件工作流程

根據熱泵熱水機組控制器的控制點(diǎn)以及需要檢測的溫度和壓力值，并與熱水機組的控制策略相結合，提出了如圖4的工作流程。

在開(kāi)機之后，順次打開(kāi)水泵、壓縮機、風(fēng)機的開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)熱泵熱水機組，并通過(guò)溫度傳感器或者壓力傳感器順次檢測進(jìn)水溫度、除霜溫度值、壓縮機低溫值（或低壓值）、壓縮機高溫值、壓縮機高壓值、出水溫度值。將檢測值與設定值進(jìn)行比較，通過(guò)比較結果確定熱水機組相應部件的工作狀況并采取相應的措施。具體的比較和處理內容如下：

（1）設定進(jìn)水溫度值與波動(dòng)范圍，當進(jìn)水溫度若低于設定溫度，并且超出波動(dòng)范圍時(shí)，停止工作；高于設定溫度，并且高出設定范圍值時(shí)，則正常工作。

（2）檢測除霜溫度，若低于設定除霜溫度值則熱水機組進(jìn)入除霜工作狀態(tài)。

（3）壓縮機低溫值（或低壓值）、高壓值、高溫值若與設定值相比較若出現異常，則停止壓縮機工作（同時(shí)也停止風(fēng)機工作）；若沒(méi)有出現異常值，則繼續正常工作。

（4）與進(jìn)水溫度控制相同，設定水溫度參考值后與波動(dòng)范圍。出水溫度若達到設定溫度，并高于波動(dòng)范圍時(shí)，則停止壓縮機和風(fēng)機的工作，即停止加熱；若沒(méi)有達到設定溫度，低于設定的波動(dòng)范圍下限，則繼續加熱工作。

圖4 控制器軟件工作流程圖

5 結論

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)是將高性能單片機ADμC834與TG2401286V2型液晶顯示屏相結合設計出熱泵熱水機組控制器的軟硬件系統?？刂破鞯娜藱C界面能顯示各種運行狀態(tài)參數和故障信息以及系統參數，具有內容豐富、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。溫度值A/D轉換利用該芯片的主A/D轉換通道完成，通過(guò)芯片內部集成的PGA功能動(dòng)態(tài)設置A/D轉換量程，以便直接對PT100傳感兩端的電壓差進(jìn)行采樣，從而簡(jiǎn)化了控制器的硬件電路。

熱泵熱水機組控制器開(kāi)發(fā)完成后，已成功地應用于熱泵熱水機組。使用結果表明該控制器操作簡(jiǎn)單，工作可靠，達到了使用要求。該熱泵熱水機組控制器具有較大的靈活性和擴展性，還可以推廣到其他控制場(chǎng)合。作為控制器，還可以應用于鍋爐、中央空調冷水機組和熱泵型空調機組等其它制冷空調產(chǎn)品。

參 考 文 獻

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