气源热泵热水机组控制器设计

0 引 言
    气源热泵热水器利用的是清洁的电能和空气能(太阳能)，与传统热水器相比，具有节能、安全、环保三大特点；缺点是使用范围有限，设备造价相对高一些，而且还要考虑备用热源的问题。因此主要应用于商业领域，尤其是在酒店宾馆、医院、学校、休闲场所等商用公用事业方面应用广泛。
    控制系统是整个热泵热水系统的指挥中心，现有的热泵热水控制器加热时间长，故障保护不完善，低温条件制热效率低，不能进行联网通信实现远程控制等方面的不足影响了热泵热水器在更大范围的推广使用。本文研究工作是以单片机ATmega16为核心构建热泵机组控制器，针对双压机双盘管的双系统，力求缩短加热时间，并设计出针对压缩机故障、传感器故障的保护功能，针对低温环境的冬季防冻和化霜功能，用于挂接线控面板实现远程控制的联网通信功能。

1 控制系统总体方案设计
    为了监测机组的运行，在各个关键环节上安置了传感器。一是温度传感器，分别检测水箱温度、出水温度、环境温度、盘管温度和压缩机排气温度等共10个模拟信号的采集。考虑到热水器对温度检测精度的要求和产品的成本，采用负温度系数(NTC)热敏电阻来检测热泵热水器的各种温度。另一是开关量传感器，如压缩机的进、排气压力保护开关，循环管路的流量开关，用于调节风机转速的压力开关，用于测量水箱液位是否达到高低限和水箱缺水保护的三个液位开关等共11个开关量。
    热泵热水器的控制对象主要有压缩机、电加热、风机、四通阀、补水电磁阀、水泵等。这些设备的控制都是开关量桩制，故都采用继电器来控制。控制器采集到的温度信号和开关量信号经过控制器分析处理做出响应，完成相应的控制。
    控制器之间通过RS 485通信总线实现联网，一个系统配置有惟一的主模块控制器，其余的都被设置成从模块控制器，每个从模块控制器控制两个压缩机和一个循环水泵，检测本模块的出水温度和室外的盘管温度以及每台压缩机的排气温度。主模块控制器还检测总的水箱温度、总的出水温度和室外环境温度，并且通过RS 232接口用于PC机监控整个系统的运行。系统网络结构框图如图1所示。

    线控操作面板同样作为从模块挂接在RS 485总线上，用于实现控制系统的人机界面，方便远程控制。为了实现控制系统功能，要求有开／关机、系统参数设定、时间设定等功能，并能够进行温度和机组状态的查询。
    控制器针对传感器的短路或断路问题，在界面上显示故障代码，系统关机。针对系统严重故障，如压缩机运行中出现的高压或低压保护，系统报警关机。

2 控制器硬件系统的设计
    通过方案设计，可以确定控制系统的硬件结构，即温度传感器输入的模拟量经过温度采集模块送入单片机；开关量经过保护电路后也送入单片机；实时时钟模块保持与单片机的通信，用于系统计时；输出控制部分，需要外围驱动电路来控制继电器；通信部分，通过RS485接口模块挂接到通信总线上实现联网功能，RS 485的总线式拓朴结构允许在同一总线上最多可以挂接128个结点。线控操作面板，同样通过RS 485接口模块挂接到RS 485总线上，它包含LCD显示模块和便捷的按键电路，提供给用户灵活的操作，监控总线上的所有控制器。系统硬件结构框图如图2所示。

2．1 主控芯片ATmega16介绍
    ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS／MHz，通过将8位RISC CPU与系统内可编程的FLASH集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。
    ATmega16具有如下特点：16 KB的系统内可编程FLASH(具有同时读写的能力)，512 B E2PROM，1 KB SRAM，32个通用I／O口线，确保足够的I／O口线可以用于开关量采集和开关量控制；用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程；三个具有比较模式的灵活定时器／计数器(T／C)，其中之一具有独立振荡器，可以用于实现实时时钟(RTC)，从而简化外围电路设计，节省了空间，也提高了效率；三个片外中断源，可以灵活使用；一个可编程串行USART，用于RS 485通信；8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC，用于温度模拟量的采集；六个可以通过软件进行选择的省电模式，面向低功耗应用。另外还有两线串行接口(TWI)，一个SPI串行端口，便于系统的更新升级。
2．2 温度采集模块
    系统的温度传感器输入信号使用同样的调理电路，用模拟开关器件轮流选择每一通道，以达到分时采样的目的。这样既简化了外围电路，也节省了有限的ADC通道。使用的温度传感器类型为负温度系数 (NTC)热敏电阻，型号为MF51C 3470-502和MF51C3470-103，阻值精度±1％，前者用于对温度变化范围较小的环境温度和盘管温度的检测，后者用于对水温和排气温度的检测。
    热水器的最大使用概率温度约为45℃(318．15 K)，取一个电阻R，其阻值为45℃时的热敏电阻值，将热敏电阻R，与R串联。随着温度的改变，热敏电阻的阻值变化，两端电压也随之变化，45℃时对应的电压正好为参考电压的1／2，从而在参考电压范围内更好地测量温度。转换成的电压信号经由模拟开关选通，进入放大器构成的一阶低通滤波电路，用于消除噪声干扰和提高阻抗特性。最后输人ATmega16的ADC管脚，转换为数字信号供控制器做后续处理。
2．3 驱动控制模块
    热泵热水机组控制器所控制的压缩机、风机、循环水泵等设备的工作电压均为220 V，50 Hz，根据实际要求选用型号为JQX-36F的继电器(线圈电压12 V，触点负载220 V Ac 10 A)来控制强电。由于输出控制信号较多，采用集成多路驱动芯片ULN2003构成驱动电路来控制线圈得电或是断电，从而简化电路。芯片内部电路如图3所示，芯片引脚1～7是信号输入端(I1～I7)，10～16是输出信号(01～07)，8接地，9接电源，继电器线圈接在电源与输出之间(9和01～07之间)。

    根据ULN2003的输入、输出特性，当2003输入端为高电平时，对应的输出口输出低电平，继电器线圈通电，继电器触点吸合；当2003输入端为低电平时，继电器线圈断电，继电器触点断开；在2003内部已集成起反向续流作用的二极管，用于继电器线圈感性电路的瞬态抑制。
2．4 RS 485通信模块
    所有控制器与线控面板通过RS 485总线实现联网通信，控制信号和机组状态等数据通过RS 485总线进行传送。RS 485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等优点使其成为首选的串行接口。因为RS 485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以Rs 485接口均采用屏蔽双绞线传输。
    设计中选用MAXIM公司的MAX485芯片来实现RS 485接口电路。其性能特点是总线上最多可挂接32个发送器，数据率为2．5 Mb／s，具备发送和接收使能控制引脚。图4所示芯片原理图中DE是MAX485的驱动器控制端，DE=1，驱动器工作(发送)；DE=0，且RE=0，接收器工作(接收)。DI为驱动器输入，RO为接收器输出，分别作为单片机UART模块的TxD和RxD。MAX485的差分信号A和B端则直接连接到RS 485总线。图4为单片机与MAX485的连接示意图。

2．5 LCD显示模块
    LCD显示模块是线控面板的主要组成部分，负责显示机组状态信息以及与用户的交互。为了使界面更加直观友好，设计中选用信利图形点阵式液晶模块，型号为CMS-PG1777DBSW-W。它是属于STN类型LCD，点阵数320×240，占空比1／240，集成32 KB显示SRAM，内置生成LCD驱动电压的偏置电路，采用透射式LED背光照明，对比度可调，工作温度范围-20～+70℃，集成液晶显示控制器RA8835P3N。可以非常方便地通过8位数据总线与单片机接口。液晶模块CMS-PG1777DBSW-W与单片机ATmega16的接口电路如图5所示。
    线控面板通过调节2个阻值为0～10 kΩ的电位器来改变液晶屏的背光亮度和对比度。液晶模块与AT-mega16单片机相连接的信号有8条数据线、读写信号RD和WD、片选信号CSE和A0、复位信号RST。其中，数据线与单片机的PC端口相连接，读写控制信号和其他信号与PA端口相连。

3 控制器软件系统的设计
3．1 软件的总体结构
    系统软件包括控制器主板软件和线控面板软件，两者之间的数据传输通过RS 485总线完成。控制器主板软件主要负责温度与开关量信号采集，设备控制以及故障检测与保护。为了提高软件的可读性和可维护性，采用模块化的设计思想将程序划分为以下几部分：主程序、中断例程、控制策略子程序、信号采集子程序、时钟子程序、RS 485通信子程序等。其中，控制策略子程序是系统软件设计的主体部分，包括水箱电加热、风机、压缩机、补水电磁阀等设备或实现元件的运行规则，压缩机是控制热泵制热循环的关键设备，故压缩机的控制策略将在随后展开叙述。总体而言，控制决策由当前机组工况(包括温度和相关设备状态)以及设定的运行方式决定。
    在故障保护方面。将所有可能的故障列出清单，并对其进行编码，实现所有故障与其代码的一一对应关系，便于程序的处理，提高效率。线控面板软件主要负责界面显示(温度显示、机组状态指示和故障指示)，故障报警和主板参数设置。
3．2 软件的工作流程
    在主模块控制器上电之后，先执行RAM初始化、集成外设初始化工作。接着监听RS 485总线命令，当接收到开机命令时，依次打开水泵、风机、压缩机，启动热泵热水器机组。在开机情况下，如果有设置命令，则更改系统参数。接着调用显示更新子程序，通过RS 485总线发送当前功能模式、时间、补水方式、水箱温度等信息。然后对采集的模拟信号进行处理，转换为温度值。最后进入主体程序，控制策略子程序。温度和开关量采集子程序采用中断模式，采用定时器产生100 ms周期中断，实时时钟也在中断例程中实现，其工作流程如图6所示。

3．3 控制策略的实现
    控制策略子程序首先检测温度传感器和压力传感器是否有短路或者断路故障，有则显示故障代码，系统关机。接着执行系统严重故障保护(压缩机高压或低压保护、水流开关保护等)。然后依次执行风机、压缩机、电加热、注液阀、补水电磁阀等设备的运行规则，最后执行盘管化霜和冬季防冻的特殊功能，其流程如图7所示。

    其中，压缩机控制策略是关键。因为它是制热的主要设备，需要注意的是要考虑两个压机的平衡运行，即压缩机的启停顺序按照累计运行时间的长短自动判断，遵循的原则是累计运行时间短的压缩机先启动，累计运行时间长的压缩机先关闭。这样达到压缩机的磨损时间趋于平衡，减少系统的故障率。两个压缩机的平衡运行子程序流程图如图8所示。

    图中的Taccl和Tacc2础代表压缩机的累计运行时间。时间条件指压缩机停机时间必须超过3 min才能再次启动，压缩机启动后的运行时间必须超过90 s才能关闭，压缩机的状态标志指开启或者关闭状态，在关闭压缩机时才记录累计运行时间。

4 结 语
    这款热泵热水机组控制器的特色是以ATmega16为核心，基于RS 485总线通讯机制的主从模块结构。线控面板可以灵活地进行远程操作，时钟、温度、机组设备状态信息等丰富的界面内容便于用户掌握热泵机组的实时工况。同时辅以完善的故障保护和化霜防冻功能，使得热泵机组的制热过程更加安全高效。