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基于Quick Start平臺和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)熱泵熱水機(jī)組控制器的設(shè)計(jì)

電子設(shè)計(jì) ? 來源:微計(jì)算機(jī)信息 ? 作者:祝良榮 ? 2020-04-25 08:02 ? 次閱讀

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??刂破鞯能浖到y(tǒng)采用前后臺架構(gòu),用Quick Start平臺開發(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。

1、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。

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。

2、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。控制器的人機(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,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芯片簡介

ADμC834單片機(jī)是美國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,以滿足寬動態(tài)變化測量的需要。

(2)62K字節(jié)非易失性電可擦除程序存儲器,4K字節(jié)的非易失性電可擦除數(shù)據(jù)存儲器和2304字節(jié)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60K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器[3]。

(3)ADμC834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,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),源代碼將自動載入到片內(nèi)Flash程序存儲器。

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。該型號液晶顯示屏是一款圖形點(diǎn)陣液晶顯示屏,由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及格式為320×240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16×16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比度[5{}]。液晶顯示屏與ADμC834芯片相連接的信號有:8位數(shù)據(jù)總線、讀寫信號/RD和/WD、片選信號/CE,/CD、復(fù)位信號/RST。其中/CE、/CD 作為片選信號直接與單片機(jī)P2.5、P2.6相連接,液晶顯示屏的讀寫控制信號/RD和/WD管腳直接與ADμC834的/RD和/WD管腳相連。液晶屏的復(fù)位信號由1片809SFA2復(fù)位芯片獨(dú)立給出。

3.3模擬量輸入電路

在熱泵熱水機(jī)組控制器中,溫度測量采用三線制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)的輸出信號被采樣將會引入誤差。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AIN2的輸入信號進(jìn)行濾波,以減少這類誤差。

壓力A/D轉(zhuǎn)換輸入電路的工作原理與溫度測量電路類似,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。

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)一級選項(xiàng)都要輸入密碼,只有密碼正確才可以進(jìn)入下一級菜單進(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)水溫度值與波動范圍,當(dāng)進(jìn)水溫度若低于設(shè)定溫度,并且超出波動范圍時(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范圍。出水溫度若達(dá)到設(shè)定溫度,并高于波動范圍時(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)定的波動范圍下限,則繼續(xù)加熱工作。

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)。控制器的人機(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功能動態(tài)設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換量程,以便直接對PT100傳感兩端的電壓差進(jìn)行采樣,從而簡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。

責(zé)任編輯:gt


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