空氣源熱泵熱水器安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，除了對(duì)機(jī)組的各部件合理設(shè)計(jì)和布局外，對(duì)整個(gè)機(jī)組運(yùn)行的自動(dòng)控制和必要的保護(hù)控制是必不可少的。控制系統(tǒng)即作為整個(gè)機(jī)組的一部分，同時(shí)又作為獨(dú)立的部分控制著機(jī)組的運(yùn)行，具體設(shè)計(jì)要求如下：
1.模擬信號(hào)的采集：在整個(gè)空氣源熱泵熱水器運(yùn)行中，需要根據(jù)熱水的溫度及時(shí)調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行工況，故采集的模擬信號(hào)主要是熱水溫度.在機(jī)組運(yùn)行中，還需要采集蒸發(fā)器溫度、排氣溫度并以此作為輸入信號(hào)作出相應(yīng)的保護(hù)控制動(dòng)作，故需要3個(gè)溫度傳感器以采集相應(yīng)的溫度信號(hào)。
2.開關(guān)量信號(hào)的采集：在機(jī)組運(yùn)行中，應(yīng)根據(jù)壓縮機(jī)的進(jìn)、排氣壓力作出相應(yīng)的低壓和高壓保護(hù)動(dòng)作，故需要兩個(gè)壓力開關(guān)量信號(hào).同時(shí)，由于在熱泵熱水器中，是通過(guò)水的不斷循環(huán)進(jìn)行熱量的傳遞，水的正常循環(huán)與否對(duì)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)甚至安全都有很大的影響.一旦出現(xiàn)斷水或者水量嚴(yán)重不足，會(huì)導(dǎo)致冷凝器壓力過(guò)高危及系統(tǒng)安全.為了保證能量交換正常進(jìn)行，必須保證水流暢通.故而需要水路的流量開關(guān)信號(hào)，以確保系統(tǒng)中水路循環(huán)正常。
3.人機(jī)接口：人機(jī)接口是控制系統(tǒng)不可缺少的部分，為了運(yùn)行操作簡(jiǎn)單、明了，要求有機(jī)組的啟動(dòng)、停止，溫度設(shè)定，以及傳感器采集的數(shù)據(jù)顯示選擇鍵。在顯示上，要求有兩位的溫度顯示，同時(shí)應(yīng)有開機(jī)指示，水泵的運(yùn)行指示，報(bào)警指示等必要的指示功能。
4.數(shù)據(jù)通信：對(duì)于大型的機(jī)組還要求系統(tǒng)有數(shù)據(jù)通信能力，通過(guò)RS一232串行通信接1：3，將數(shù)據(jù)送到PC機(jī)，由PC機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析、處理。
5.系統(tǒng)的保護(hù)措施：電網(wǎng)供電的瞬問(wèn)停、送或壓縮機(jī)的頻繁啟動(dòng)等原因都將造成壓縮機(jī)的帶負(fù)荷啟動(dòng)，容易引起壓縮機(jī)內(nèi)電機(jī)的瞬間過(guò)載，進(jìn)一步造成壓縮機(jī)的損壞，故應(yīng)設(shè)置壓縮機(jī)停機(jī)延時(shí)保護(hù)。
另外，壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)如果電流過(guò)大或持續(xù)過(guò)載都容易被燒毀，所以對(duì)其進(jìn)行過(guò)熱保護(hù)，在壓縮機(jī)過(guò)電流或過(guò)熱時(shí)切斷電源，以保護(hù)壓縮機(jī)。
6.水泵的運(yùn)行控制壓縮機(jī)啟動(dòng)前，應(yīng)首先運(yùn)行循環(huán)水泵，以保證有充足的換熱能力.機(jī)組停機(jī)后，換熱器中還留有一定的熱量，故給中間傳熱媒質(zhì)提供循環(huán)動(dòng)力的水泵還應(yīng)繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，以帶走換熱器中留有的熱量，以免引起換熱器的過(guò)熱，同時(shí)有利于能量的有效利用。
空氣源熱 泵熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，控制系統(tǒng)應(yīng)在保證實(shí)現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上，盡可能降低系統(tǒng)成本.總體方案圍繞上述思想，設(shè)計(jì)如下：
1.主控制模塊設(shè)計(jì)
由于設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)能獨(dú)立運(yùn)行并能測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)，主控制模塊設(shè)計(jì)為以單片機(jī)為核心的一個(gè)單片機(jī)嵌人式系統(tǒng).本控制系統(tǒng)就采用由ATMEL公司生產(chǎn)的ArIB9C52為主控制芯片，這是一種低功耗、高性能的8位COMS微處理芯片。
2.控制方式設(shè)計(jì)
考慮熱泵熱水機(jī)組本身在能量、流量調(diào)節(jié)上的非連續(xù)性以及控制對(duì)象特性的不確定性，其整個(gè)熱水系統(tǒng)的控制以熱水溫度控制為主線，控制方式采用目前較成熟，且廣泛應(yīng)用的雙位控制。即根據(jù)溫度變化的上下限，實(shí)現(xiàn)雙位調(diào)節(jié)，溫差設(shè)為兩度，默認(rèn)熱水器的設(shè)定溫度為5O度，開機(jī)后自動(dòng)在系統(tǒng)設(shè)定溫度下運(yùn)行，并可通過(guò)溫度設(shè)定鍵手動(dòng)設(shè)定溫度。
3.人機(jī)接口設(shè)計(jì)
考慮機(jī)組運(yùn)行操作的簡(jiǎn)單性與靈活性，控制器的功能選擇和參數(shù)的設(shè)定都是通過(guò)按鍵來(lái)完成，本系統(tǒng)中選擇了四個(gè)按鍵來(lái)完成以上功能.它包括溫度上調(diào)鍵、溫度下調(diào)鍵、調(diào)溫/確定鍵、開停機(jī)鍵.前兩鍵用于調(diào)高或調(diào)低設(shè)定溫度和調(diào)整時(shí)間;設(shè)置鍵用于選擇溫度或時(shí)間設(shè)置;開機(jī)/停機(jī)鍵用于系統(tǒng)的開關(guān)機(jī).由于按鍵數(shù)量少，所以可選擇獨(dú)立式按鍵.即直接用I/O口線構(gòu)成單個(gè)按鍵.每個(gè)獨(dú)立式按鍵占有一根I/O口線，每根I/0線上的按鍵的工作狀態(tài)不會(huì)影響其它I/O口線的工作狀態(tài).顯示電路可采用硬件譯碼的動(dòng)態(tài)掃描方式來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度和時(shí)間的顯示.顯示溫度范圍為O～99℃，顯示時(shí)間范圍為O時(shí)0分一23時(shí)59分，秒的顯示通過(guò)發(fā)光二極管閃顯來(lái)完成.當(dāng)需要修改參數(shù)時(shí)，選擇設(shè)置鍵，要修改位閃顯，通過(guò)“+”、“一”鍵進(jìn)行修改.松開按鍵若干秒后，自動(dòng)返回到正常顯示測(cè)量溫度值。
4.信號(hào)輸入通道設(shè)計(jì)
信號(hào)輸入通道即前向通道，主要負(fù)責(zé)對(duì)模擬信號(hào)的采樣，包括信號(hào)采集、放大、A/D轉(zhuǎn)換以及開關(guān)輸入等電路.由于本系統(tǒng)控制對(duì)象一般為純遲延、大慣性系統(tǒng)，故對(duì)采樣頻率要求不高，采樣間隔時(shí)間可以稍長(zhǎng)一些，一秒鐘到數(shù)分鐘均可以，也不需要保持環(huán)節(jié).由于系統(tǒng)輸入器件主要是溫度傳感器，這樣，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)傳感器部分的設(shè)計(jì)，可以使用同樣的放大電路，用模擬開關(guān)器件循環(huán)選擇，同時(shí)，也簡(jiǎn)化了軟件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分的設(shè)計(jì)。
5.信號(hào)輸出通道設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)溫度信號(hào)的采集、處理后，通過(guò)與設(shè)定值比較，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的雙位調(diào)節(jié).由于單片機(jī)的I/O接口帶負(fù)載能力有限，輸出口應(yīng)有相應(yīng)的功率驅(qū)動(dòng)器件以增大系統(tǒng)的帶負(fù)載能力.本加熱控制是通過(guò)單片機(jī)輸出El，控制晶體三極管，從而控制繼電器的通斷來(lái)完成.由于采用開關(guān)控制方式對(duì)壓縮機(jī)、水泵、四通閥進(jìn)行控制，故不需要D/A轉(zhuǎn)換器.當(dāng)機(jī)組開機(jī)后，首先啟動(dòng)循環(huán)水泵，運(yùn)行一段時(shí)間后開啟壓縮機(jī)，四通閥根據(jù)系統(tǒng)是否需要化霜來(lái)判斷動(dòng)作與否.當(dāng)熱水溫度達(dá)到要求溫度時(shí)，壓縮機(jī)停機(jī).為了避免壓縮機(jī)的頻繁啟停，程序設(shè)計(jì)中設(shè)置了回差控制.即測(cè)量值到達(dá)設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)停機(jī)斷電，當(dāng)水溫低于設(shè)定值一個(gè)回差后，才再次啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)人工作，直至水溫重新到達(dá)設(shè)定值，如此循環(huán)往復(fù)直到接受停機(jī)命令。
6.保護(hù)措施設(shè)計(jì)
考慮到機(jī)組運(yùn)行中，若有保護(hù)信號(hào)的輸人，如壓縮機(jī)的高低壓保護(hù)，流量開關(guān)保護(hù)等無(wú)疑表明機(jī)組運(yùn)行有異常，應(yīng)查明原因，排除故障后再運(yùn)行，故對(duì)保護(hù)信號(hào)輸人的響應(yīng)采取停機(jī)保護(hù)方式，不能自動(dòng)復(fù)位，一律由人工檢查，復(fù)位后再運(yùn)行。
7.數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)
接口由于單片機(jī)組成的系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力較弱，同時(shí)為了對(duì)采集數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析處理，該裝置設(shè)計(jì)了與下位機(jī)PC的通信接口電路，由于系統(tǒng)對(duì)通信的實(shí)時(shí)性要求不是非常嚴(yán)格且數(shù)據(jù)傳輸距離不遠(yuǎn)，采用RS一232串行通信即可滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?同時(shí)，利用PC機(jī)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，可以方便地進(jìn)行定量分析，以便作出進(jìn)一步的研究或控制。
8.復(fù)位電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)在進(jìn)入工作之前應(yīng)預(yù)先清零復(fù)位，給單片機(jī)初始化，以消除由于某種原因可能引起的內(nèi)部程序紊亂.另外系統(tǒng)在工作過(guò)程中，也會(huì)要求進(jìn)入復(fù)位工作狀態(tài)，如上斷電后復(fù)位及發(fā)生故障后也要求能復(fù)位，復(fù)位電路必須能準(zhǔn)確、可靠地工作.在本系統(tǒng)控制電路中復(fù)位電路是靠101xF電容充放電完成的。
9.控制器軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要有主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、鍵盤處理模塊和顯示模塊.主程序模塊完成的功能為：系統(tǒng)初始化、溫度采集與顯示、設(shè)備的啟?？刂坪蛼呙柙O(shè)定。
