熱泵熱水機組是一種新型熱水和供暖產品，它可以從空氣、水等環境中吸取能量，熱效率高，被公為是傳統鍋爐、電熱水器及燃油（氣）熱水機組的更新換代環保型產品。詳細闡述了以ADμC834芯片為核心的熱泵熱水機組控制器軟硬件系統設計。論述了多路溫度數據與壓力數據采集、液晶顯示等模塊的硬件組成及各個模塊的工作原理。控制器的軟件系統采用前后臺架構，用Quick Start平臺開發完成。其人機界面系統由按鍵陣列和TG2401286V2型液晶顯示屏組成。

1、引言

保護人類賴以生存的資源和環境已成為當今世界最重要的課題之一，也是世界可持續發展戰略的主要內容。熱泵熱水機組就是在這一背景下研制出來的一種新型熱水和供暖產品，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，可節能70%以上，被公認為是傳統鍋爐、電熱水器及燃油（氣）熱水機組的更新換代環保型產品。

控制器是熱泵熱水機組的“靈魂”，現有熱泵熱水機組的控制器多采用PLC，操作界面為觸摸屏。隨著應用領域、區域分布的擴大，需要解決融霜、低溫啟動與運行、智能故障診斷和節能高效運行等問題。本文研究工作旨在研發出基于ADμC834芯片的熱泵熱水機組控制器，該控制器實現了由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組的運行，具有極高的性價比。

2、控制器功能與總體結構

已開發成功的熱泵熱水機組控制器以ADμC834芯片為核心，利用芯片集成的24位AD轉換器，可實時采集0～5V或4～20mA的標準溫度和壓力信號。控制器的人機界面系統由按鍵陣列和TG2401286V2型液晶顯示屏組成。利用74LS573芯片有效擴展了系統端口數量，以滿足12路開關量輸出、10路開關量輸入及8鍵鍵盤輸入的需要。

熱泵熱水機組控制器硬件包含以下模塊：開關量隔離輸入模塊；開關量隔離輸出模塊；多路溫度數據采集模塊；多路壓力數據采集模塊；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，用來定時采集熱泵熱水機組各測量點的溫度值；多路壓力采集模塊外接由壓力變送器給出的4-20mA或0-5V標準信號，用來定時采集熱水機組壓縮機的高壓壓力值和低壓壓力值；開關量隔離輸入模塊外接熱水器的開關量信號，用來實時采集反映熱水機組各關鍵部件運行狀態的開關量信號；開關量隔離輸出模塊通過繼電器來控制熱水器的壓縮機、電磁閥、風機等電氣部件；鍵盤輸入模塊與液晶顯示模塊作為控制器的人機界面；電源模塊將220V的交流電經過濾波后，通過變壓器降壓以及整流、濾波和穩壓處理后，為控制器其它模塊供電。

3 、控制器的硬件系統

3.1 ADμC834芯片簡介

ADμC834單片機是美國ADI公司推出的一款高性能單片機，內部集成了高分辨率的A/D轉換器，是目前片內資源最豐富的單片機之一。它將8051內核、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域。其具體的特點如下所述：

（1）ADμC834芯片集成了2個有兩個獨立的A/D轉換通道（分辨率分別為24位與16位）；內含可編程增益放大器；在20Hz/20mV范圍內有13位有效分辨率；在20Hz/2.56V范圍內有18位有效分辨率。此外ADC還具有數字濾波、可編程的數據轉換速率等功能，以滿足寬動態變化測量的需要。

（2）62K字節非易失性電可擦除程序存儲器，4K字節的非易失性電可擦除數據存儲器和2304字節的片上數據RAM。并且程序存儲器可以被配置成用于數據記錄的，能達到60K字節的數據存儲器［3］。

（3）ADμC834單片機的片內Flash/EE程序存儲器可用兩種模式進行編程：在線串行下載和并行編程。另外，ADμC834還可通過標準的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，ADμC834芯片則自動進入串行下載模式。當設備連接正確時，源代碼將自動載入到片內Flash程序存儲器。

3.2顯示模塊接口電路

熱泵熱水機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陣液晶顯示屏，由行驅動器/列驅動器及格式為320×240全點陣液晶顯示器組成。它既可完成圖形顯示，又可以顯示16×16點陣漢字。液晶顯示器內部集成了T6963C液晶顯示控制器，并具有32K顯示RAM，采用8位數據總線與單片機相連［4］。TG2401286V2型液晶顯示屏與ADμC834芯片的連接電路如圖１所示。

熱泵熱水機組控制器通過調節2個阻值為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位數據總線、讀寫信號/RD和/WD、片選信號/CE，/CD、復位信號/RST。其中/CE、/CD 作為片選信號直接與單片機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。液晶屏的復位信號由1片809SFA2復位芯片獨立給出。

3.3模擬量輸入電路

在熱泵熱水機組控制器中，溫度測量采用三線制PT100傳感器。溫度值A/D轉換利用ADμC834的主A/D轉換通道。測量溫度時，將PT100傳感器兩端的電壓差作為A/D轉換器的差分輸入。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CD4051BC以及幾組RC濾波電路組成。該模塊電路利用多路開關，輪流切換被測回路與A/D轉換電路間的通路，以達到分時采樣的目的。溫度A/D轉換電路如圖2所示。

由于控制器溫度測量的設計量程為-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芯片的內部集成了PGA控制器，可以由軟件更改A/D轉換的量程，其量程最小值可以設置為±20mV。因此，端口AIN1和AIN2之間的電壓差可以不經過放大調理，直接輸入到ADμC834芯片的AIN1和AIN2管腳直接進行A/D轉換。

電路模塊的多路模擬開關采用CD4051，該芯片允許雙向使用，既可以用于從多路到單個的轉換，也可以用于從單路到多路的轉換。它具有3個控制輸入端A、B、C和1個輸入使能控制端INH。由A、B、C管腳信號組成的3位二進制數值決定了X輸出端與哪一個輸入通道導通。當INH=1 時，禁止模擬量輸入；當INH=0時，允許模擬量輸入。當多路開關從一個輸入通道切換到另一個輸入通道時，會發生電壓瞬變現象，使輸出端出現短暫的尖峰電壓，如此時多路開關的輸出信號被采樣將會引入誤差。因此，在多路開關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的輸入信號進行濾波，以減少這類誤差。

壓力A/D轉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

4.1控制器的軟件結構

在基于ADμC834芯片的熱泵熱水機組控制系統中，各種功能選擇和確定，以及工作狀況數據都是有液晶顯示屏顯示。根據不同的顯示界面可以將系統的所有功能分成若干個工作模塊。該控制器的軟件系統的主要結構如圖３所示。

當系統開啟的時候，首先出現主界面供選擇各項功能。各項功能大致分為參數設定（如系統設定、系統時間設定、密碼設定等）和參數查詢（如運轉狀況）兩個大類。每個大類里面又有相應的更為細致的功能設置或參數設置。具體界面如圖所示

在主界面上進入每個一級選項都要輸入密碼，只有密碼正確才可以進入下一級菜單進行設置。同時在主界面上還有一個單獨的密碼設定選項，用來設定密碼或者更改密碼。進入設置界面后，通過上下鍵來選擇各個選項，確定后就可以進行參數設定或者查看系統工作時的各個部分的參數。

4.2控制器的軟件工作流程

根據熱泵熱水機組控制器的控制點以及需要檢測的溫度和壓力值，并與熱水機組的控制策略相結合，提出了如圖4的工作流程。

在開機之后，順次打開水泵、壓縮機、風機的開關，啟動熱泵熱水機組，并通過溫度傳感器或者壓力傳感器順次檢測進水溫度、除霜溫度值、壓縮機低溫值（或低壓值）、壓縮機高溫值、壓縮機高壓值、出水溫度值。將檢測值與設定值進行比較，通過比較結果確定熱水機組相應部件的工作狀況并采取相應的措施。具體的比較和處理內容如下：

（1）設定進水溫度值與波動范圍，當進水溫度若低于設定溫度，并且超出波動范圍時，停止工作；高于設定溫度，并且高出設定范圍值時，則正常工作。

（2）檢測除霜溫度，若低于設定除霜溫度值則熱水機組進入除霜工作狀態。

（3）壓縮機低溫值（或低壓值）、高壓值、高溫值若與設定值相比較若出現異常，則停止壓縮機工作（同時也停止風機工作）；若沒有出現異常值，則繼續正常工作。

（4）與進水溫度控制相同，設定水溫度參考值后與波動范圍。出水溫度若達到設定溫度，并高于波動范圍時，則停止壓縮機和風機的工作，即停止加熱；若沒有達到設定溫度，低于設定的波動范圍下限，則繼續加熱工作。

5 、結論

本文作者創新點是將高性能單片機ADμC834與TG2401286V2型液晶顯示屏相結合設計出熱泵熱水機組控制器的軟硬件系統。控制器的人機界面能顯示各種運行狀態參數和故障信息以及系統參數，具有內容豐富、操作簡便等優點。溫度值A/D轉換利用該芯片的主A/D轉換通道完成，通過芯片內部集成的PGA功能動態設置A/D轉換量程，以便直接對PT100傳感兩端的電壓差進行采樣，從而簡化了控制器的硬件電路。

熱泵熱水機組控制器開發完成后，已成功地應用于熱泵熱水機組。使用結果表明該控制器操作簡單，工作可靠，達到了使用要求。該熱泵熱水機組控制器具有較大的靈活性和擴展性，還可以推廣到其他控制場合。作為控制器，還可以應用于鍋爐、中央空調冷水機組和熱泵型空調機組等其它制冷空調產品。

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