科技与生活：水源热泵空调系统控制器设计 |
| 2012-10-08 11:42 作者：姚福强1，王彬1，梁帅 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网10月8日讯】据《科技与生活》杂志2012年第15期载文称，本文介绍了一款以STC12C5A60S2单片机为控制核心，由温度采集模块、故障检测与继电器控制模块、人机接口模块和实时时钟模块等组成的水源热泵空调系统控制器设计方案。通过对水源热泵空调系统工作原理的详细描述，系统地介绍了通用水源热泵空调系统控制器的控制原理和实现方法。
在经济迅猛发展的今天，人们对生活环境舒适度的要求越来越高，对采暖和制冷设备需求逐年增加。适用于低温地热利用的高效水源热泵空调系统越来越受到重视，在地下水资源丰富的乡村地区家庭采用水源热泵空调系统进行供暖或制冷，对于能源的高效与环保利用具有极为重要的意义。
1水源热泵基本工作原理
热泵是一种利用辅助能源将低温热能转换为高温热能而达到供热效果的装置[1]，它由压缩机和换热器（蒸发器、冷凝器和膨胀阀等）组成。压缩机起压缩和输送循环工质（制冷剂）从低温低压处（蒸发器）到高温高压处（冷凝器）的作用，膨胀阀对循环工质起到节流降压作用，调节进入蒸发器的循环工质流量。
水源热泵空调系统在冬季采暖时（原理如图1所示）是以地下水作为低温热源，由水泵抽取地下水流经蒸发器外部，制冷剂在蒸发器中从流经的地下水中吸取热量而蒸发，蒸发后的制冷剂由压缩机压缩后释放热量而变成高温高压的液体送入冷凝器，从而加热流经冷凝器外部的循环水向外部供热，实现从低温地下水提取热量加热循环水，利用高温循环水在室内流动达到采暖的目的[4]。水源热泵空调系统夏季制冷的热量传送流程则正好相反。
水源热泵空调系统的制热过程通过输入少量电能驱动压缩机工作，实现低温位热能向高温位转移。据有关文献测算，水源热泵空调系统的制热系数COP（高温侧吸收热量与输入电功率之比）可达4～6[6]，而锅炉（电、燃料）供热系统只能将90％以上的电能或70～90％的燃料内能转化为热能供用户使用，因此水源热泵空调系统的制热效率远高于锅炉等供热系统。并且由于水源热泵空调系统的热源温度全年较为稳定，一般为9～16℃，其制冷系数可达3.5~6.3，与传统的空气源热泵相比要高40％左右，其运行费用为普通中央空调的50~60％[2]。
因此在国内地下水资源丰富的广大农村地区及别墅园区，采用小功率的水源热泵空调系统代替传统的锅炉供热及中央空调，节能效果显著，有着广阔的发展空间。
图1水源热泵原理图（冬季制热）
2水源热泵空调系统控制器总体设计
水源热泵空调系统主要由压缩机、换热器（蒸发器、冷凝器和膨胀阀）、室外井水循环泵（简称井水泵）、室内负荷循环泵（简称循环泵）组成，如图1所示。
2.1控制器基本功能：
控制器的功能是基于水源热泵空调系统的工作原理和基本工作要求而确定的，主要有：制热/制冷模式选择、室内工作温度上/下限设定、室内循环出水温度上/下限设定、系统定时开/关机时间设置、压缩机防冻温度设置等。
选择“制热”模式时，控制器自动检测系统各温度参数，当实际室内温度低于设定下限值时，先启动井水泵，延时启动循环泵，当检测到井水回路和室内循环回路中的均有水流后，启动压缩机开始制热工作；当实际室内温度超过的设定上限值时，先停止压缩机和井水泵工作，延时后再停止循环泵。当选择“制冷”模式时，控制器控制“制热/制冷”四通阀动作，将井水循环回路连接到冷凝器，将室内负荷循环回路连接到蒸发器，实现热量由室内环境向室外井水传送而达到制冷目的。当热泵机组工作环境温度过低时，为防止压缩机受冻而启动困难，控制器具有压缩机自加热控制功能。
控制器运行过程中实时检测室内循环回路的水流开关、室外井水回路的水流开关及压缩机高/低压保护等开关量信号，若检测到某开关动作，会自动停止热泵装置工作并发出报警信息。根据某些情况下因井水泵真空度下降而出现井水出水困难的情况，若启动井水泵2分钟后井水水流开关不闭合，控制器自动控制“加引水”继电器输出动作，控制外部水源给井水泵加引水5秒钟，若仍不能使井水泵出水，则停止热泵装置运行，并显示“井水缺水”等故障提示。
2.2控制器的测控接口配置：
基于上述水源热泵系统的工作原理和控制思路，控制器配置以下检测与控制接口：
1）6路温度传感器检测输入：循环回水温度、循环出水温度、井水回水温度、井水进水温度、热泵工作环境温度、室内环境温度；
2）3路保护开关量输入：循环水流开关、井水水流开关、压缩机高/低压保护[5]；
3）6路继电器控制输出：循环泵控制、井水泵控制、压缩机控制、压缩机自加热控制、井水泵加引水控制、制冷/制热转换控制（四通阀切换）。
基于上述功能和接口配置要求，控制器由CPU、温度采集、故障输入、继电器控制输出、键盘显示、实时时钟和电源电路等部分组成。CPU采用STC最新1T8051高速超低功耗STC12C5A60AD单片机，内置有1kBRAM、60kBFlashROM和E2PROM，8通道10位ADC、2通道PWM、MAX810复位电路和硬件看门狗等资源，采用该CPU相当于在传统8051单片机的基础上外部扩展ROM、RAM、E2PROM、A/D转换器和看门狗监控电路等资源，使电路设计大大简化。
3控制器主要硬件电路设计
控制器测控系统硬件电路主要包括温度采集、故障输入、继电器控制输出、键盘和LCD显示、实时时钟和电源电路等部分组成。
3.1温度采集：
温度测量是水源热泵空调系统的核心，需要测量包括室内温度在内的6路温度信号，温度范围为-20℃~80℃，测量介质是水和空气，因此温度传感器选用精度和稳定性较高的铂电阻温度传感器Pt100，信号调理电路采用了带稳零放大器的惠斯特电桥（如图2）。
图2带稳零放大器的惠斯特电桥
桥的左侧由两个相同的电阻组成，桥的右侧下臂用R1=Ro+代表Pt100，表示随温度变化的电阻，桥的上臂设置为Ro（阻值对应于测量温度范围下限值时Pt100的阻值）。稳零放大器的作用是通过适当调整输出电压V+，使运算放大器反相端的电压为零。运用叠加原理，可以得到：
因此
则左侧桥臂中点的输出电压Vo是V+与V-的平均值[3]，即：
可见Vo完全正比于，且不存在共模分量。在本控制器中，温度的范围为-20℃~80℃，因此Ro选择为Pt100在-20℃时阻值92.16，则Vo在-20℃为0V，随着温度升高，Vo随增加而线性增加。Vo连接至一倒相放大器，调节放大倍数，使得在80℃时输出5V，满足CPU内置ADC的模拟输入范围要求。
由于CPU内置ADC是10位A/D转换器，在软件上数据处理采用复合数字滤波算法消除随机干扰，通过查表和分段线性化算法降低Pt100非线性影响，可以使得温度测量的误差≤±1℃，完全可以满足水源热泵空调系统控制的要求。
3.2开关量采集与控制输出
为保证水源热泵空调系统正常工作和装置安全，控制器设置3路开关量输入电路采集压缩机高/低压保护信号等，设置6路继电器输出电路控制压缩机、循环泵等装置的启动/停止。为提高控制器的可靠性和抗干扰能力，开关量输入/输出电路均采用了光电隔离措施。图3为继电器输出电路，IN4007是续流二极管，可将线圈电压钳位到其导通电压，主要是防止线圈断电时候的感生过电压击穿其他电路器件。
图3继电器输出电路
3.3-5V电源电路
根据前述温度采集与调理电路设计，需为控制器提供+5V和-5V电源，-5V电源的作用主要为惠斯通电桥和放大器供电，需要的电流比较小，从外部配置-5V电源不经济，因此可以采用DC-DC变换方式由+5V产生-5V电源。常用的转换芯片有ICL7660和LM2660，ICL7660输出电流较小（最大10mA），因此在控制器中选用了NS公司的LM2660。LM2660是CMOS电荷泵电压转换器，可以转换输入电压为1.5～5.5V正电压为绝对值相同的负电压，采用两个电容器提供最大100mA的输出，工作电流仅120uA，工作效率大于95％。电路如图4所示。
图4LM2660电源变换
3.4其它电路
控制器除上述电路外，还具有键盘、显示人机接口电路、实时时钟电路等。
为便于在线设置参数和手动控制热泵系统工作，控制器设置了4个多功能按键，采用独立式键盘电路与CPU接口。为了获取实时时钟，控制器采用了一片时钟芯片DS1302。
为了清楚的显示系统工作参数和状态，控制器设置了点阵式LCD，以图形形式显示井水泵、压缩机、循环泵的工作状态和制冷/制热模式，数字显示各测量点的温度值和实时时间等。LCD通过串行通信形式与CPU接口，简化了电路结构，专门设置了一由CPU控制的驱动器给LCD供电，在长时间没有按键操作时驱动器停止给LCD供电，只要有按键动作，CPU控制驱动器给LCD供电，开始显示相应参数，在停止键盘操作后再延时关闭LCD电源，达到延长LCD寿命的目的。
4控制器监控软件设计
控制器监控软件采用C语言模块化结构设计，主要包括初始化模块、温度采集与处理模块、按键处理模块、LCD显示模块、故障检测模块、数据处理与电机控制模块等几个大方面。其中温度采集与处理模块是程序设计的关键。
由于温度控制是热泵系统工作的对象，因此对热泵装置各点温度的准确测量十分重要。虽然前述温度调理电路的输出电压能够随着Pt100阻值的变化而线性变化，但我们知道Pt100阻值随温度变化曲线存在一定的非线性，因此程序设计上对温度信号的采集值先采用中值滤波和算术平均值滤波相结合的复合数字滤波算法，去除采集值中的干扰成分，然后采用查表与分段线性化方式得到实际的温度值，经仿真计算，在-20℃～80℃范围内，应用查表与线性插值法所引起的误差不大于0.05℃，大大提高了测量的精度。
5总结
本设计是以STC12C5A系列单片机为核心，添加温度采集模块、开关量输入/输出模块、电源模块、键盘显示模块和实时时钟等模块，配套结构化监控软件，组成了一套完整的水源热泵空调系统控制器，电路结构简单，测控性能完善，抗干扰能力强，性价比较高。该控制器配套小功率热泵机组组成的家庭型水源热泵空调系统已经在地下水资源丰富的山东农村地区家庭中安装使用。经过1年多的使用，该控制器性能稳定、抗干扰能力强、操作维护方便，整个水源热泵空调机组热效率较高，节能效果明显。
作者简介
王彬（1986-）女，山东泰安人，硕士研究生，研究方向：电气控制与电力系统继电保护。
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