熱泵供熱機組控制器的設計

1 引 言

熱泵供熱機組作為一種新型熱水和供暖產(chǎn)品，不但能從空氣、水和土壤中吸取能量，而且具有供熱效率高、安全和環(huán)保等特點(diǎn)，比普通電加熱熱水器節能在70％以上，被業(yè)界公認為是傳統鍋爐、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]。

現有熱泵供熱機組的控制器多采用PLC，操作界面為觸摸屏。但隨著(zhù)應用領(lǐng)域、區域分布的擴大，一些諸如融霜、低溫啟動(dòng)與運行、智能故障診斷和節能高效運行等問(wèn)題亟待解決。本文研究工作旨在研發(fā)基于ADμC812單片機為核心的熱泵供熱機組控制器，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供熱機組的運行，具有極高的性?xún)r(jià)比。

2控制器結構及功能介紹

熱泵供熱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)采集熱泵供熱機組各測量點(diǎn)的溫度值；多路壓力采集模塊外接由壓力變送器給出的4～20 mA或0～5 V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220 V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，為控制器其他模塊供電。

已開(kāi)發(fā)成功的熱泵供熱機組控制器就是以ADμC812單片機為核心，利用芯片集成的24位A／D轉換器，可實(shí)時(shí)采集O～5 V或4～20 mA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。

3控制器的硬件系統

3．1 ADμC812單片機簡(jiǎn)介

ADμC812是美國ADI公司一款十分優(yōu)秀的數據采集芯片[1,2]，他將12位A／D轉換器和8051單片機內核集成在一起，另外配有UART串行I／O，I2C兼容和SPI串行l／O，看門(mén)狗定時(shí)器和電源監視器，構成一個(gè)完整的數據采集系統。他的高性能和高集成度，使數據采集系統實(shí)現高性能、微型化，具有體積小、功耗低等特點(diǎn)，十分富有競爭力，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和控制器等領(lǐng)域。

其具體特點(diǎn)如下所述：

(1)ADμC812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，ADμC812單片機還可通過(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)，ADμC812單片機則自動(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)載人到片內FLASH程序存儲器。

(2)62 kB非易失性電可擦除程序存儲器，4 kB的非易失性電可擦除數據存儲器和2 304 B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60 kB的數據存儲器。

(3)ADpC812單片機集成了2個(gè)有2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20 Hz／20 mV范圍內有13位有效分辨率；在20 Hz／2．56 V范圍內有18位有效分辨率。此外ADC還具有數字濾波、町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。

3．2模擬量輸入電路

在熱泵供熱機組控制器中，溫度測量采用三線(xiàn)制PTl00傳感器。溫度值A／D轉換利用ADμC812單片機的主A／D轉換通道。測量溫度時(shí)，將PTl00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l所示。