基于ADμC834芯片的熱泵熱水機(jī)組控制器的研制

摘要：熱泵熱水機(jī)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(tǒng)鍋爐、電熱水器及燃油（氣）熱水機(jī)組的更新?lián)Q代環(huán)保型產(chǎn)品。詳細(xì)闡述了以ADμC834芯片為核心的熱泵熱水機(jī)組控制器軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。論述了多路溫度數(shù)據(jù)與壓力數(shù)據(jù)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(tǒng)采用前后臺(tái)架構(gòu)，用QuickStart平臺(tái)開發(fā)完成。其人機(jī)界面系統(tǒng)由按鍵陣列和TG2401286V2型液晶顯示屏組成。
關(guān)鍵詞：熱泵熱水機(jī)組；控制器；單片機(jī)

0 引言

保護(hù)人類賴以生存的資源和環(huán)境已成為當(dāng)今世界最重要的課題之一，也是世界可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的主要內(nèi)容。熱泵熱水機(jī)組就是在這一背景下研制出來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(jié)能70%以上，被公認(rèn)為是傳統(tǒng)鍋爐、電熱水器及燃油（氣）熱水機(jī)組的更新?lián)Q代環(huán)保型產(chǎn)品^[1]。

控制器是熱泵熱水機(jī)組的“靈魂”，現(xiàn)有熱泵熱水機(jī)組的控制器多采用PLC，操作界面為觸摸屏。隨著應(yīng)用領(lǐng)域、區(qū)域分布的擴(kuò)大，需要解決融霜、低溫啟動(dòng)與運(yùn)行、智能故障診斷和節(jié)能高效運(yùn)行等問題。本文研究工作旨在研發(fā)出基于ADμC834芯片的熱泵熱水機(jī)組控制器，該控制器實(shí)現(xiàn)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(jī)組的運(yùn)行，具有極高的性價(jià)比。

1 控制器功能與總體結(jié)構(gòu)

已開發(fā)成功的熱泵熱水機(jī)組控制器以ADμC834芯片為核心，利用芯片集成的24位AD轉(zhuǎn)換器，可實(shí)時(shí)采集0～5V或4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力信號(hào)?？刂破鞯娜藱C(jī)界面系統(tǒng)由按鍵陣列和TG2401286V2型液晶顯示屏組成。利用74LS573芯片有效擴(kuò)展了系統(tǒng)端口數(shù)量，以滿足12路開關(guān)量輸出、10路開關(guān)量輸入及8鍵鍵盤輸入的需要。

熱泵熱水機(jī)組控制器硬件包含以下模塊：開關(guān)量隔離輸入模塊；開關(guān)量隔離輸出模塊；多路溫度數(shù)據(jù)采集模塊；多路壓力數(shù)據(jù)采集模塊；鍵盤輸入模塊；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，用來定時(shí)采集熱泵熱水機(jī)組各測(cè)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(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，用來定時(shí)采集熱水機(jī)組壓縮機(jī)的高壓壓力值和低壓壓力值；開關(guān)量隔離輸入模塊外接熱水器的開關(guān)量信號(hào)，用來實(shí)時(shí)采集反映熱水機(jī)組各關(guān)鍵部件運(yùn)行狀態(tài)的開關(guān)量信號(hào)；開關(guān)量隔離輸出模塊通過繼電器來控制熱水器的壓縮機(jī)、電磁閥、風(fēng)機(jī)等電氣部件；鍵盤輸入模塊與液晶顯示模塊作為控制器的人機(jī)界面；電源模塊將220V的交流電經(jīng)過濾波后，通過變壓器降壓以及整流、濾波和穩(wěn)壓處理后，為控制器其它模塊供電。

3 控制器的硬件系統(tǒng)

3.1 ADμC834芯片簡(jiǎn)介^[2,3]

ADμC834單片機(jī)是美國(guó)ADI公司推出的一款高性能單片機(jī)，內(nèi)部集成了高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，是目前片內(nèi)資源最豐富的單片機(jī)之一。它將8051內(nèi)核、兩路24位和16位∑-△A/D、12位D/A、Flash/EE存儲(chǔ)器、WDT看門狗電路、電源監(jiān)控電路、溫度傳感器、SPI和I²C總線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(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換通道(分辨率分別為24位與16位)；內(nèi)含可編程增益放大器；在20Hz/20mV范圍內(nèi)有13位有效分辨率；在20Hz/2.56V范圍內(nèi)有18位有效分辨率。此外ADC還具有數(shù)字濾波、可編程的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率等功能，以滿足寬動(dòng)態(tài)變化測(cè)量的需要。

（2）62K字節(jié)非易失性電可擦除程序存儲(chǔ)器，4K字節(jié)的非易失性電可擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和2304字節(jié)的片上數(shù)據(jù)RAM。并且程序存儲(chǔ)器可以被配置成用于數(shù)據(jù)記錄的，能達(dá)到60K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器^[3]。

（3）ADμC834單片機(jī)的片內(nèi)Flash/EE程序存儲(chǔ)器可用兩種模式進(jìn)行編程：在線串行下載和并行編程。另外，ADμC834還可通過標(biāo)準(zhǔn)的UART串行端口下載源代碼。若管腳PSEN通過一個(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(dāng)設(shè)備連接正確時(shí)，源代碼將自動(dòng)載入到片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器。

3.2顯示模塊接口電路

熱泵熱水機(jī)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(hào)液晶顯示屏是一款圖形點(diǎn)陣液晶顯示屏,由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)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(nèi)部集成了T6963C液晶顯示控制器，并具有32K顯示RAM，采用8位數(shù)據(jù)總線與單片機(jī)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(jī)組控制器通過調(diào)節(jié)2個(gè)阻值為0~10K的電位器，來改變液晶屏的背光亮度和對(duì)比度^[5{}]。液晶顯示屏與ADμC834芯片相連接的信號(hào)有：8位數(shù)據(jù)總線、讀寫信號(hào)/RD和/WD、片選信號(hào)/CE，/CD、復(fù)位信號(hào)/RST。其中/CE、/CD 作為片選信號(hào)直接與單片機(jī)P2.5、P2.6相連接，液晶顯示屏的讀寫控制信號(hào)/RD和/WD管腳直接與ADμC834的/RD和/WD管腳相連。液晶屏的復(fù)位信號(hào)由1片809SFA2復(fù)位芯片獨(dú)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(zhuǎn)換電路如圖

3.3模擬量輸入電路

在熱泵熱水機(jī)組控制器中，溫度測(cè)量采用三線制PT100傳感器。溫度值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換利用ADμC834的主A/D轉(zhuǎn)換通道。測(cè)量溫度時(shí)，將PT100傳感器兩端的電壓差作為A/D轉(zhuǎn)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、一片多路模擬開關(guān)CD4051BC以及幾組RC濾波電路組成。該模塊電路利用多路開關(guān)，輪流切換被測(cè)回路與A/D轉(zhuǎn)換電路間的通路，以達(dá)到分時(shí)采樣的目的。溫度A/D轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

由于控制器溫度測(cè)量的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(nèi)部集成了PGA控制器，可以由軟件更改A/D轉(zhuǎn)換的量程，其量程最小值可以設(shè)置為20mV。因此，端口AIN1和AIN2之間的電壓差可以不經(jīng)過放大調(diào)理，直接輸入到ADμC834芯片的AIN1和AIN2管腳直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

電路模塊的多路模擬開關(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(zhuǎn)換，也可以用于從單路到多路的轉(zhuǎn)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(hào)組成的3位二進(jìn)制數(shù)值決定了X輸出端與哪一個(gè)輸入通道導(dǎo)通。當(dāng)INH=1 時(shí)，禁止模擬量輸入；當(dāng)INH=0時(shí)，允許模擬量輸入。當(dāng)多路開關(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(xiàn)象，使輸出端出現(xiàn)短暫的尖峰電壓，如此時(shí)多路開關(guān)的輸出信號(hào)被采樣將會(huì)引入誤差。因此，在多路開關(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(duì)AIN2的輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，以減少這類誤差^[6]。

壓力A/D轉(zhuǎn)換輸入電路的工作原理與溫度測(cè)量電路類似，在此將不作介紹。

4 控制器的軟件系統(tǒng)

4.1控制器的軟件結(jié)構(gòu)

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

圖3熱泵控制器軟件結(jié)構(gòu)

當(dāng)系統(tǒng)開啟的時(shí)候，首先出現(xiàn)主界面供選擇各項(xiàng)功能。各項(xiàng)功能大致分為參數(shù)設(shè)定（如系統(tǒng)設(shè)定、系統(tǒng)時(shí)間設(shè)定、密碼設(shè)定等）和參數(shù)查詢（如運(yùn)轉(zhuǎn)狀況）兩個(gè)大類。每個(gè)大類里面又有相應(yīng)的更為細(xì)致的功能設(shè)置或參數(shù)設(shè)置。具體界面如圖所示

在主界面上進(jìn)入每個(gè)一級(jí)選項(xiàng)都要輸入密碼，只有密碼正確才可以進(jìn)入下一級(jí)菜單進(jìn)行設(shè)置。同時(shí)在主界面上還有一個(gè)單獨(dú)的密碼設(shè)定選項(xiàng)，用來設(shè)定密碼或者更改密碼。進(jìn)入設(shè)置界面后，通過上下鍵來選擇各個(gè)選項(xiàng)，確定后就可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)定或者查看系統(tǒng)工作時(shí)的各個(gè)部分的參數(shù)。

4.2控制器的軟件工作流程

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

在開機(jī)之后，順次打開水泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)的開關(guān)，啟動(dòng)熱泵熱水機(jī)組，并通過溫度傳感器或者壓力傳感器順次檢測(cè)進(jìn)水溫度、除霜溫度值、壓縮機(jī)低溫值（或低壓值）、壓縮機(jī)高溫值、壓縮機(jī)高壓值、出水溫度值。將檢測(cè)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過比較結(jié)果確定熱水機(jī)組相應(yīng)部件的工作狀況并采取相應(yīng)的措施。具體的比較和處理內(nèi)容如下：

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

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

（3）壓縮機(jī)低溫值（或低壓值）、高壓值、高溫值若與設(shè)定值相比較若出現(xiàn)異常，則停止壓縮機(jī)工作（同時(shí)也停止風(fēng)機(jī)工作）；若沒有出現(xiàn)異常值，則繼續(xù)正常工作。

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

圖4 控制器軟件工作流程圖

5 結(jié)論

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是將高性能單片機(jī)ADμC834與TG2401286V2型液晶顯示屏相結(jié)合設(shè)計(jì)出熱泵熱水機(jī)組控制器的軟硬件系統(tǒng)?？刂破鞯娜藱C(jī)界面能顯示各種運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)和故障信息以及系統(tǒng)參數(shù)，具有內(nèi)容豐富、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。溫度值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換利用該芯片的主A/D轉(zhuǎn)換通道完成，通過芯片內(nèi)部集成的PGA功能動(dòng)態(tài)設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換量程，以便直接對(duì)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(jī)組控制器開發(fā)完成后，已成功地應(yīng)用于熱泵熱水機(jī)組。使用結(jié)果表明該控制器操作簡(jiǎn)單，工作可靠，達(dá)到了使用要求。該熱泵熱水機(jī)組控制器具有較大的靈活性和擴(kuò)展性，還可以推廣到其他控制場(chǎng)合。作為控制器，還可以應(yīng)用于鍋爐、中央空調(diào)冷水機(jī)組和熱泵型空調(diào)機(jī)組等其它制冷空調(diào)產(chǎn)品。

參 考 文 獻(xiàn)

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