热泵供热机组控制器的设计

      1 引 言

       热泵供热机组作为一种新型热水和供暖产品，不但能从空气、水和土壤中吸取能量，而且具有供热效率高、安全和环保等特点，比普通电加热热水器节能在70％以上，被业界公认为是传统锅炉、电热水器及燃油(气)热水机组的更新换代环保型产品[1]。

       现有热泵供热机组的控制器多采用PLC，操作界面为触摸屏。但随着应用领域、区域分布的扩大，一些诸如融霜、低温启动与运行、智能故障诊断和节能高效运行等问题亟待解决。本文研究工作旨在研发基于ADμC812单片机为核心的热泵供热机组控制器，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供热机组的运行，具有极高的性价比。

       2控制器结构及功能介绍

       热泵供热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，用来定时采集热泵供热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4～20 mA或0～5 V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220 V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，为控制器其他模块供电。

       已开发成功的热泵供热机组控制器就是以ADμC812单片机为核心，利用芯片集成的24位A／D转换器，可实时采集O～5 V或4～20 mA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。

       3控制器的硬件系统

       3．1 ADμC812单片机简介

       ADμC812是美国ADI公司一款十分优秀的数据采集芯片[1,2]，他将12位A／D转换器和8051单片机内核集成在一起，另外配有UART串行I／O，I2C兼容和SPI串行l／O，看门狗定时器和电源监视器，构成一个完整的数据采集系统。他的高性能和高集成度，使数据采集系统实现高性能、微型化，具有体积小、功耗低等特点，十分富有竞争力，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和控制器等领域。

       其具体特点如下所述：

       (1)ADμC812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，ADμC812单片机还可通过标准的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，ADμC812单片机则自动进入串行下载模式。当设备连接正确时，源代码将自动载人到片内FLASH程序存储器。

       (2)62 kB非易失性电可擦除程序存储器，4 kB的非易失性电可擦除数据存储器和2 304 B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60 kB的数据存储器。

       (3)ADpC812单片机集成了2个有2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20 Hz／20 mV范围内有13位有效分辨率；在20 Hz／2．56 V范围内有18位有效分辨率。此外ADC还具有数字滤波、町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。

       3．2模拟量输入电路

       在热泵供热机组控制器中，温度测量采用三线制PTl00传感器。温度值A／D转换利用ADμC812单片机的主A／D转换通道。测量温度时，将PTl00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l所示。