熱泵供熱機(jī)組控制器的設(shè)計(jì)

1 引 言

熱泵供熱機(jī)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(jié)能在70％以上，被業(yè)界公認(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]。

現(xiàn)有熱泵供熱機(jī)組的控制器多采用PLC，操作界面為觸摸屏。但隨著應(yīng)用領(lǐng)域、區(qū)域分布的擴(kuò)大，一些諸如融霜、低溫啟動與運(yùn)行、智能故障診斷和節(jié)能高效運(yùn)行等問題亟待解決。本文研究工作旨在研發(fā)基于ADμC812單片機(jī)為核心的熱泵供熱機(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供熱機(jī)組的運(yùn)行，具有極高的性價(jià)比。

2控制器結(jié)構(gòu)及功能介紹

熱泵供熱機(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)采集熱泵供熱機(jī)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(biāo)準(zhǔn)信號，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，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；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220 V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，為控制器其他模塊供電。

已開發(fā)成功的熱泵供熱機(jī)組控制器就是以ADμC812單片機(jī)為核心，利用芯片集成的24位A／D轉(zhuǎn)換器，可實(shí)時(shí)采集O～5 V或4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力信號?？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。

3控制器的硬件系統(tǒng)

3．1 ADμC812單片機(jī)簡介

ADμC812是美國ADI公司一款十分優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集芯片[1,2]，他將12位A／D轉(zhuǎn)換器和8051單片機(jī)內(nèi)核集成在一起，另外配有UART串行I／O，I2C兼容和SPI串行l(wèi)／O，看門狗定時(shí)器和電源監(jiān)視器，構(gòu)成一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。他的高性能和高集成度，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(jī)的片內(nèi)FLASH／EE程序存儲器可用兩種模式進(jìn)行編程：在線串行下載和并行編程。另外，ADμC812單片機(jī)還可通過標(biāo)準(zhǔn)的UART串行端口下載源代碼。若管腳PSEN通過一個下拉電阻，使得該管腳處于低電平狀態(tài)，ADμC812單片機(jī)則自動進(jìn)入串行下載模式。當(dāng)設(shè)備連接正確時(shí)，源代碼將自動載人到片內(nèi)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(shù)據(jù)存儲器和2 304 B的片上數(shù)據(jù)RAM。并且程序存儲器可以被配置成用于數(shù)據(jù)記錄的，能達(dá)到60 kB的數(shù)據(jù)存儲器。

(3)ADpC812單片機(jī)集成了2個有2個獨(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20 Hz／20 mV范圍內(nèi)有13位有效分辨率；在20 Hz／2．56 V范圍內(nèi)有18位有效分辨率。此外ADC還具有數(shù)字濾波、町編程的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率等功能，以滿足寬動態(tài)變化測量的需要。

3．2模擬量輸入電路

在熱泵供熱機(jī)組控制器中，溫度測量采用三線制PTl00傳感器。溫度值A(chǔ)／D轉(zhuǎn)換利用ADμC812單片機(jī)的主A／D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的差分輸入。整個電路模塊包含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l所示。