基于ADμC834芯片的热泵热水机组控制器的研制

摘要：热泵热水机组是一种新型热水和供暖产品，它可以从空气、水等环境中吸取能量，热效率高，被公为是传统锅炉、电热水器及燃油（气）热水机组的更新换代环保型产品。详细阐述了以ADμC834芯片为核心的热泵热水机组控制器软硬件系统设计。论述了多路温度数据与压力数据采集、液晶显示等模块的硬件组成及各个模块的工作原理。控制器的软件系统采用前后台架构，用Quick Start平台开发完成。其人机界面系统由按键阵列和TG2401286V2型液晶显示屏组成。
关键词： 热泵热水机组；控制器；单片机

0 引言

保护人类赖以生存的资源和环境已成为当今世界最重要的课题之一，也是世界可持续发展战略的主要内容。热泵热水机组就是在这一背景下研制出来的一种新型热水和供暖产品，它可以从空气、水和土壤中吸取能量，热效率高，与普通的直接电加热热水器相比，可节能70%以上，被公认为是传统锅炉、电热水器及燃油（气）热水机组的更新换代环保型产品^[1]。

控制器是热泵热水机组的“灵魂”，现有热泵热水机组的控制器多采用PLC，操作界面为触摸屏。随着应用领域、区域分布的扩大，需要解决融霜、低温启动与运行、智能故障诊断和节能高效运行等问题。本文研究工作旨在研发出基于ADμC834芯片的热泵热水机组控制器，该控制器实现了由PLC与触摸屏组成控制器的全部功能，可灵活有效地控制热泵热水机组的运行，具有极高的性价比。

1 控制器功能与总体结构

已开发成功的热泵热水机组控制器以ADμC834芯片为核心，利用芯片集成的24位AD转换器，可实时采集0～5V或4～20mA的标准温度和压力信号。控制器的人机界面系统由按键阵列和TG2401286V2型液晶显示屏组成。利用74LS573芯片有效扩展了系统端口数量，以满足12路开关量输出、10路开关量输入及8键键盘输入的需要。   

热泵热水机组控制器硬件包含以下模块：开关量隔离输入模块；开关量隔离输出模块；多路温度数据采集模块；多路压力数据采集模块；键盘输入模块；液晶显示模块以及电源模块。

其中，多路温度采集模块外接PT100温度传感器，用来定时采集热泵热水机组各测量点的温度值；多路压力采集模块外接由压力变送器给出的4-20mA或0-5V标准信号，用来定时采集热水机组压缩机的高压压力值和低压压力值；开关量隔离输入模块外接热水器的开关量信号，用来实时采集反映热水机组各关键部件运行状态的开关量信号；开关量隔离输出模块通过继电器来控制热水器的压缩机、电磁阀、风机等电气部件；键盘输入模块与液晶显示模块作为控制器的人机界面；电源模块将220V的交流电经过滤波后，通过变压器降压以及整流、滤波和稳压处理后，为控制器其它模块供电。

3 控制器的硬件系统

3.1  ADμC834芯片简介^[2,3]

ADμC834单片机是美国ADI公司推出的一款高性能单片机，内部集成了高分辨率的A/D转换器，是目前片内资源最丰富的单片机之一。它将8051内核、两路24位和16位∑-△A/D、12位D/A、Flash/EE存储器、WDT看门狗电路、电源监控电路、温度传感器、SPI和I²C总线接口等丰富资源集成于一体，体积小、功耗低、非常适合用于各类智能仪表、智能传感器、变送器和便携式仪器等领域。其具体的特点如下所述：

（1）ADμC834芯片集成了2个有两个独立的A/D转换通道(分辨率分别为24位与16位)；内含可编程增益放大器；在20Hz/20mV范围内有13位有效分辨率；在20Hz/2.56V范围内有18位有效分辨率。此外ADC还具有数字滤波、可编程的数据转换速率等功能，以满足宽动态变化测量的需要。

（2）62K字节非易失性电可擦除程序存储器，4K字节的非易失性电可擦除数据存储器和2304字节的片上数据RAM。并且程序存储器可以被配置成用于数据记录的，能达到60K字节的数据存储器^[3]。

（3）ADμC834单片机的片内Flash/EE程序存储器可用两种模式进行编程：在线串行下载和并行编程。另外，ADμC834还可通过标准的UART串行端口下载源代码。若管脚PSEN通过一个下拉电阻，使得该管脚处于低电平状态，ADμC834芯片则自动进入串行下载模式。当设备连接正确时，源代码将自动载入到片内Flash程序存储器。

3.2显示模块接口电路

热泵热水机组控制器的显示模块主要由TG2401286V2型液晶显示屏以及外围辅助电路组成。该型号液晶显示屏是一款图形点阵液晶显示屏,由行驱动器/列驱动器及格式为320×240全点阵液晶显示器组成。它既可完成图形显示，又可以显示16×16点阵汉字。液晶显示器内部集成了T6963C液晶显示控制器，并具有32K显示RAM，采用8位数据总线与单片机相连^[4]。TG2401286V2型液晶显示屏与ADμC834芯片的连接电路如图１所示。

热泵热水机组控制器通过调节2个阻值为0~10K的电位器，来改变液晶屏的背光亮度和对比度^[5{}]。液晶显示屏与ADμC834芯片相连接的信号有：8位数据总线、读写信号/RD和/WD、片选信号/CE，/CD、复位信号/RST。其中/CE、/CD 作为片选信号直接与单片机P2.5、P2.6相连接，液晶显示屏的读写控制信号/RD和/WD管脚直接与ADμC834的/RD和/WD管脚相连。液晶屏的复位信号由1片809SFA2复位芯片独立给出。

图1 晶显示屏与ADμC834芯片的连接电路图                   

    图2  温度AD转换电路如图

3.3模拟量输入电路

在热泵热水机组控制器中，温度测量采用三线制PT100传感器。温度值A/D转换利用ADμC834的主A/D转换通道。测量温度时，将PT100传感器两端的电压差作为A/D转换器的差分输入。整个电路模块包含8组由LM324组成的电压跟随器、一片多路模拟开关CD4051BC以及几组RC滤波电路组成。该模块电路利用多路开关，轮流切换被测回路与A/D转换电路间的通路，以达到分时采样的目的。温度A/D转换电路如图2所示。

由于控制器温度测量的设计量程为-20℃~100℃，温度传感器PT100阻值将在92.3Ω~138.5Ω之间变化。因此，主A/D转换通道输入端AIN1和AIN2之间的电压差变换范围为0.110V~0.161V。ADμC834芯片的内部集成了PGA控制器，可以由软件更改A/D转换的量程，其量程最小值可以设置为±20mV。因此，端口AIN1和AIN2之间的电压差可以不经过放大调理，直接输入到ADμC834芯片的AIN1和AIN2管脚直接进行A/D转换。

电路模块的多路模拟开关采用CD4051，该芯片允许双向使用，既可以用于从多路到单个的转换，也可以用于从单路到多路的转换。它具有3个控制输入端A、B、C和1个输入使能控制端INH。由A、B、C管脚信号组成的3位二进制数值决定了X输出端与哪一个输入通道导通。当INH=1 时，禁止模拟量输入；当INH=0时，允许模拟量输入。当多路开关从一个输入通道切换到另一个输入通道时，会发生电压瞬变现象，使输出端出现短暂的尖峰电压，如此时多路开关的输出信号被采样将会引入误差。因此，在多路开关的输出端加了一组由1KΩ和0.1uF的电容组成的RC低通滤波器对AIN2的输入信号进行滤波，以减少这类误差^[6]。

压力A/D转换输入电路的工作原理与温度测量电路类似，在此将不作介绍。

4 控制器的软件系统

4.1控制器的软件结构

在基于ADμC834芯片的热泵热水机组控制系统中，各种功能选择和确定，以及工作状况数据都是有液晶显示屏显示。根据不同的显示界面可以将系统的所有功能分成若干个工作模块。该控制器的软件系统的主要结构如图３所示。

图3热泵控制器软件结构

当系统开启的时候，首先出现主界面供选择各项功能。各项功能大致分为参数设定（如系统设定、系统时间设定、密码设定等）和参数查询（如运转状况）两个大类。每个大类里面又有相应的更为细致的功能设置或参数设置。具体界面如图所示

在主界面上进入每个一级选项都要输入密码，只有密码正确才可以进入下一级菜单进行设置。同时在主界面上还有一个单独的密码设定选项，用来设定密码或者更改密码。进入设置界面后，通过上下键来选择各个选项，确定后就可以进行参数设定或者查看系统工作时的各个部分的参数。

4.2控制器的软件工作流程

根据热泵热水机组控制器的控制点以及需要检测的温度和压力值，并与热水机组的控制策略相结合，提出了如图4的工作流程。

在开机之后，顺次打开水泵、压缩机、风机的开关，启动热泵热水机组，并通过温度传感器或者压力传感器顺次检测进水温度、除霜温度值、压缩机低温值（或低压值）、压缩机高温值、压缩机高压值、出水温度值。将检测值与设定值进行比较，通过比较结果确定热水机组相应部件的工作状况并采取相应的措施。具体的比较和处理内容如下：

（1）设定进水温度值与波动范围，当进水温度若低于设定温度，并且超出波动范围时，停止工作；高于设定温度，并且高出设定范围值时，则正常工作。

（2）检测除霜温度，若低于设定除霜温度值则热水机组进入除霜工作状态。

（3）压缩机低温值（或低压值）、高压值、高温值若与设定值相比较若出现异常，则停止压缩机工作（同时也停止风机工作）；若没有出现异常值，则继续正常工作。

（4）与进水温度控制相同，设定水温度参考值后与波动范围。出水温度若达到设定温度，并高于波动范围时，则停止压缩机和风机的工作，即停止加热；若没有达到设定温度，低于设定的波动范围下限，则继续加热工作。

图4  控制器软件工作流程图

5 结论

本文作者创新点是将高性能单片机ADμC834与TG2401286V2型液晶显示屏相结合设计出热泵热水机组控制器的软硬件系统。控制器的人机界面能显示各种运行状态参数和故障信息以及系统参数，具有内容丰富、操作简便等优点。温度值A/D转换利用该芯片的主A/D转换通道完成，通过芯片内部集成的PGA功能动态设置A/D转换量程，以便直接对PT100传感两端的电压差进行采样，从而简化了控制器的硬件电路。

热泵热水机组控制器开发完成后，已成功地应用于热泵热水机组。使用结果表明该控制器操作简单，工作可靠，达到了使用要求。该热泵热水机组控制器具有较大的灵活性和扩展性，还可以推广到其他控制场合。作为控制器，还可以应用于锅炉、中央空调冷水机组和热泵型空调机组等其它制冷空调产品。

参 考 文 献

[1]  旷玉辉, 王如竹. 太阳能热泵热水机组.太阳能, 2003,4:13-15.
[2]  刘书明,冯小平. 数据采集系统芯片ADμC812原理和应用[M]. 西安：西安电子科技大学出版社,2000:2-20.
[3]  ADuC812 MicroConverter Data Sheets [Z/CD]. USA: Analog Devices, Inc, 2001.
[4]  李宏, 张家田. 液晶显示器件应用技术. 机械工业出版社,2003.
[5]  马鸿文. 基于AT89C52单片机的自动存取柜的设计与实现. 微计算机信息,2006,1-2:101-103.
[6]  谌雅琴, 李刚, 于学敏.  ADuC812中A/D转换器的安全应用. 单片机与嵌入式系统应用, 2002年第4期.