空气源热泵热水器控制器设计[文书特制]

1、空气源热泵热水器控制器设计空气源热泵热水器控制器设计摘 要 本文介绍了一种基于单片机的空气源热泵热水器控制器。该控制器以智能化简单操作来达到空气源热泵热水器的精确控制。论文概述了热泵技术、空气源热泵技术历史和技术优势。并且在介绍空气源热泵热水器工作原理以及蒸汽压缩式制冷循环原理的基础上，提出了控制器设计总体方案。在软件设计方面，本文详细介绍了空气源热泵热水器控制器的设计。文章最后通过大量的流程图来说明控制器的具体结构和可实现的操作。该空气源热泵热水器控制器设计完善，实现方案简单易行。采用软件设计来控制，可以实现智能化简单精确控制，并且提高了整机的可靠性及准确性。关键词 空气源 热泵 控制器 设

2、计 二类特制#目 录引 言1第一章 空气源热泵的概述31.1 热泵31.2空气源热泵3第二章 空气源热泵的发展42.1空气源热泵的历史42.2空气源热泵的优势4第三章 热泵热水器系统运行原理53.1 蒸汽压缩式制冷循环原理53.2 空气源热泵热水器工作原理63.2.1系统介绍6第四章 热泵热水器控制器设计74.1 相关控制点74.2 控制器设计总体方案8第五章 系统软件设计105.1系统主要功能设计105.2系统设定功能设计115.3系统时间设定功能设计135.4运转状况设定功能设计145.5工作总流程设计165.6数据采集及模数转换模块设计185.7液晶显示模块设计205.8 按键模块设计2

3、15.9 时钟模块设计225.10 通讯模块设计23结 论24致 谢25参考文献26引 言从目前市场上来看，热水器可分成三大类：燃气热水器，电热水器，还有太阳能热水器。不久前，某专业机构公布了一项调查结果显示，电热水器目前占热水器市场的60%以上，占据着一半以上的市场份额。但随着燃气热水器的再一次革新，太阳能热水器的加速发展，电热水器的市场份额正遭受巨大挑战。对于电热水器来说，尽管太阳能热水器行业宣称潜力无限，但要真正发展成为成熟产业，还有一个很长的过程。在使用上，如果是晴天，太阳能热水器的优势一览无余，但是一旦下雨用起电来，太阳能热水器比电热水器损耗也就要大很多。又由于其是非承压式结构，所以

4、常常会出现渗水现象。还有就是太阳能市场没用很明确的行业规范。可以肯定燃气和电热水器仍然是未来三年内热水器市场的主角。热泵热水器具有高能效比，无污染的优点，是一款可替代锅炉的供暖水设备，并在当今社会受到热捧。热泵热水器是以制冷剂作为媒介，冷媒吸收了环境空气中的热量后汽化，通过压缩机压缩制热，变成高温高压气体，再经热交换器与水交换热量后，经膨胀阀释放压力，回到低温低压的液化状态，通过制冷剂的不断循环，不断吸收空气中的热量，并将该部分热量转移，来制取热水，也就是说热泵热水器是将电热水器和太阳能热水器的各自优点完美的结合于一体的新型热水器。目前，热泵热水器有空气源热泵热水器、水源热泵和太阳能型三种系列

5、。空气源热泵是当今世界上最先进的产品之一，该产品以制冷剂为媒介，制冷剂吸收空气中（或阳光）中的能量，再经压缩机压缩制热后，通过换热装置将热量传递给水，来制取热水，热水通过水循环系统送入用户散热器进行采暖或直接用于热水供应。这一产品特点有： 1、高效节能：使用费用比传统的太阳能热水器（带辅助电加热器）更省，是电热水器的四分之一，燃气热水器的三分之一，消耗少量电力，获得四倍热量； 2、全天候：不受天气变化影响，晴天，阴雨天，夜间都能源源不断的高效制取热水； 3、适用性强：任意位置安装，解决了太阳能只能装在顶层的不足，而且建筑的朝向也没有影响； 4、寿命长：制冷剂作为工作介质，不存在夜间冻管或者管路

6、腐蚀等问题，系统寿命一般可达15-20年； 5、安全可靠：无需大电流的电气连接，运行安全可靠，噪音小；安全环保，热能来源于空气，水箱内无电热管，水电完全分离，绝对安全； 6、方便舒适：承压出水，自来水压沐浴，全自动运行，快速加热，超大容量。 一个空气源热水器，如何用简单的操作来控制其正常的工作是一个值得深入研究解决的问题。在目前的产品当中，控制器的设计仍然比较简单，无法在工作中采集到系统的工作数据，也就很难实现实时对热水器的控制。换句话说，现在的产品还不够智能化，不能满足消费者简单操作从而达到的精准控制，所以我这次设计的题目就是空气源热泵热水器控制器设计。研制一套基于单片机的空气源热泵热水器的

7、控制器。研制的控制器包括硬件装置和控制软件两部分。其中硬件装置由单片机、控制电路、传感器、LCD等组成。我主要完成软件设计，并参与硬件设计和制作。主要技术指标如下：1、热泵热水器热容量：50KW。2、热泵热水器冷容量:40KW。3、制冷压缩机规格：17KW，380V/50Hz，R134a制冷剂。4、蒸发温度：7.5。5、进风温度：25。 控制器必须实现如下功能： 1、能够实现运行工况的设定。 2、自动完成机组系统正常启动、运行和关机程序。 3、压缩机的高低压保护。 4、主要运行参数的指示。5、故障的报警、保护和指示。第一章 空气源热泵的概述1.1 热泵热泵技术在最近些年中引起了全球广泛关注。人

8、们最常见的“泵”有水泵，但是水泵的功能是将水从低洼处抽到高处。而“热泵”的功能确是从空气、水或土壤中获取热热能，经过机械压缩，从而释放高热能来提供人们日常生活所用热能的装置。作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温区流向低温区。但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。因此热泵热水器的工作原理是通过输入小部分电力，启动压缩机运行，从而整个热泵系统开始工作，通过蒸发器不断从低温环境中吸收热量，再通过冷凝器将系统吸收的热量和消耗的电能传递到高温环境中。 热泵在工作时，其本身需要消耗一部分能量，而整个热泵装置所消耗的功仅为输出

9、功中的一小部分，因此，采用热泵技术可以节约大量高品位能源。 1.2空气源热泵空气源热泵技术是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保的制热技术。空气源热泵系统通过大自然含有的低温热源，经过热泵的高效处理成为高温热源，从而用来取暖、供暖或供应热水，所以整个系统的产热量相当高空气源热泵的原理实际和空调差不多，是一种新型的热水器，主要由几大部分组成：蒸发器，压缩机，冷凝器，储液罐，膨胀阀等，整套设备中最主要的一种物质，冷媒，也就是现实中叫的氟利昂，工作原理就是冷媒在蒸发器中与空气接触，吸收空气的热量，在蒸发器中吸热以后由液态变为气态，进入压缩机，再由压缩机把这种冷媒经行压缩成为高温高压的蒸汽，然后

10、进入冷凝器，在冷凝器中，冷媒温度逐渐下降，又由高温高压的气态变成液态，释放大量的热量，而水就可以吸收这种热量提升热量，冷媒就又回到储液罐中，等待下一次的循环，正是因为冷媒的这种周而复始的循环，把大量的热能源源不断的从空气中带到水中，所以把这种装置叫做空气源热泵热水器。第二章 空气源热泵的发展2.1空气源热泵的历史1824年法国科学家卡诺(Sadi karnot)发表卡诺循环理论,成为热泵技术的起源 1850年 英国科学家开尔文（L.Kelvin)提出将逆卡诺循环用于加热的热泵设想 热泵的理论起源于十九世纪早期法国科学家萨迪.卡诺(Sadi karnot)，卡诺在 1824年首次以论文提出“卡诺

11、循环”理论，30年后，英国科学家开尔文（L.Kelvin)于1850年初提出:冷冻装置可以用于加热，之后许多科学家和工程师对热泵进行了大量研究，研究持续80年之久。 1912年瑞士的苏黎世成功安装一套以河水作为低位热源的热泵设备用于供暖，这是早期的水源热泵系统，也是世界上第一套热泵系统。热泵工业在20世纪40年代到50年代早期得到迅速发展，家用热泵和工业建筑用的热泵开始进入市场，热泵进入了早期发展阶段。 21 世纪，随着“ 能源危机 ”出现，燃油价格忽升，经过改进发展成熟的热泵以其高效回收低温环境热能，节能环保的特点，重新登上历史舞台，成为当前最有价值的新能源科技。 2.2空气源热泵的优势空气

12、源热泵以水源热泵类似方法从空气获得热量来加热水。三种热泵中，空气源热泵受到的条件限制最小。空气源热泵热水器中的冷媒（R22、R417A等）把空气中的热能吸收进来，经过压缩机压缩后转化为高温热能，之后与水接触，加热水温。这种热水器具有高效节能的特点，其节能效果是电热水器的4倍，是燃气热水器的3倍，是太阳能热水器的约2倍。空气能是一种在大自然中广泛存在，易得易取的能源，利用热泵来压缩提高能量，因而这是一项极具开发和应用潜力的新技术。空气源热泵热水器具有高效、环保、安全、全自动化处理、环境因素限制小等特点。并且空气源热泵热水器也得到了官方的应用。第三章 热泵热水器系统运行原理3.1 蒸汽压缩式制冷循

13、环原理 热泵热水机组遵循能量守恒定律和热力学第2定律，运用热泵的原理，只需要消耗一小部分的机械功（电能），将处于低温环境（大气或地下水等）下的热量转移到高温环境下的热水器中，去加热制取高温的热水。热泵可以与水泵相比拟，水是不能自发地从低处流向高处，要将低处的水输送到高处，必须用一台水泵，消耗一部分电力，才能将水送到高处的水箱中。同样，根据热力学第二定律，热量也是不能自发地从低温环境向高温环境中转移（传送），而要实现这个目的，必须要有一台机器，消耗一部分机械功（例如电能），才能将低温环境中的热量传送到高温环境中去。这样的机器就称之为“热泵”。热泵的作用是将空气中或低温水中的热量取出，连同本身所用

14、的电能转变成的热能，一起送到高温环境中去应用。单级蒸气压缩式制冷系统如下图所示。它由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。其工作过程如下：制冷剂在蒸发压力下沸腾， 蒸发温度低于被冷却物体或流体的温度。压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸气，并将它压缩到冷凝压力， 然后送往冷凝器，在冷凝压力下等压冷却和冷凝成液体，制冷剂冷却和冷凝时放出的热量传给冷却介质（通常是水或空气） 与冷凝压力相对应的冷凝温度一定要高于冷却介质的温度，冷凝后的液体通过膨胀阀或其它节流元件进入蒸发器。 当制冷剂通过膨胀阀时，压力从冷凝压力降到蒸发压力，部分液体气化，剩余液体的温度降至蒸发温度，于是离开膨胀阀的制冷剂变成温度为蒸发温

15、度的两相混合物。 混合物中的液体在蒸发器中蒸发，从被冷却物体中吸取它所需要的气化潜热。混合物中的蒸气通常称为闪发蒸气，在它被压缩机重新吸入之前几乎不再起吸热作用。 图3-1 蒸汽压缩制冷理论循环3.2 空气源热泵热水器工作原理3.2.1系统介绍空气源热泵热水器机组一般由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置、过滤器、储液罐、单向阀、电磁阀、冷凝压力调节水阀、储水箱等几部分组成(见图3-2)。图3-2 空气源热泵热水器机组系统简图空气源热泵热水器是热泵技术的一种应用形式，主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀和储液罐等部件组成（见图3-3）。空气源热泵热水器运用逆卡诺循环原理，通过压缩机做功，使气态工质

16、温度及压力升高，气态工质与冷水在热交换器中进行热量交换。在这一过程中，工质放热发生由气态到液态的相变，冷水洗手工质的热量逐步升温变成热水；液态工质经膨胀阀节流后吸收空气或水的热量，空气或水因放热温度降低，在这一过程中工质吸热发生由液态到气态的相变。这一往复循环相变过程不断吸热放热，由吸热装置吸取空气或水中的热量，经过热交换器使冷水逐步升温，制取的热水通过水循环系统送至用户。图3-3空气源热泵热水机组系统图第四章 热泵热水器控制器设计4.1 相关控制点经过之前的了解，我们知道，热泵热水器的主要控制点有：水泵、压缩机、风机、除霜电磁阀、液管电磁阀等。这些控制点在热泵热水器系统中的大致位置（见图4-

17、1）。这些控制点都是由单片机发出指令来控制。虽然这些控制点都是开关量，单片机只要发出开或关的信号来控制它们，但采集量却是不同的。控制水泵、风机、除霜电磁阀的采集模拟量是温度值。压缩机，对应采集的模拟量是温度值和压力值。而液管电磁阀，则不需要任何模拟量，由单片机直接开或关。 图4-1 热泵热水器主要控制点示意图4.2控制器设计总体方案在对热泵热水器控制系统的控制点分析之后，可以做出如下归纳，如表4-2所示。 表4-2 热泵热水器主要控制点控制点名称采集量种类采集量数目采集量名称使用的传感器水泵温度2进水温度出水温度温度传感器（0-5V）压缩机温度和压力3压缩机高温温度压缩机高压压力压缩机低压压力

18、温度传感器压力传感器（均为0-5V）风机除霜电磁阀温度1除霜温度温度传感器（0-5V）液管电磁阀 根据所需控制的实际情况，系统中采用了双单片机系统，一片（主系统）用于数据的采集和热泵热水器的控制，另一片（从系统）用于人机界面接口的实现，即按键和LCD的显示。双CPU系统的关键是主、从CPU之间的协调与通信实现。系统硬件框图如图4-3所示。 图4-3 系统总体硬件框图 主系统主要由数据采集模块、数据存储模块、时钟模块、压缩机等控制模块、单片机通信模块和看门狗复位及电源监视模块等模块组成。从系统主要由键盘控制模块、液晶显示模块等模块组成。在软件设计方面，分成两大部分的设计。首先是为了完善控制系统，

19、先要对整个系统的功能进行设计。完成功能设计之后，要进行的是各个模块具体的程序流程设计。通过这些模块来实现各项功能。最后，还要针对LCD的局限性设计出比较合理的显示界面。在软件设计方面的重心放在液晶显示上，不仅仅要正常显示界面，而且要拥有一个使用方便，功能完善的多级界面，使得人机交互功能能够充分体现出来。第五章 系统软件设计5.1系统主要功能设计 在基于单片机的热泵热水器控制系统中，控制主要是通过按键来实现的。其各种功能选择和确定，以及工作状况数据都是通过液晶显示屏显示出来的。各个显示界面可以将系统的所有功能分成若干个工作模块。 当系统开启的时候，首先出现主界面供选择各项功能。各项功能大致分为参

20、数设定（如系统设定、系统时间设定、密码设定等）和参数查询（如运转状况）两个大类。每个大类里面又有相应的更为细致的功能设置或参数设置。 在主界面上进入每个一级选项都要输入密码，只有密码正确了才可以进入下一级菜单进行设置。同时在主界面上还有一个单独的密码设定选项，用来设定密码或者更改密码。进入主界面后，通过上下键来选择各个选项，确定后就可以进行参数设定或者查看系统工作时的各个部分的参数。 图5-1给出了系统整体的功能设计结构，基本上涵盖了我所设计的系统的所有功能。由于密码设定可以看作是一个附属功能，这里并没有把它列到系统功能设计结构图上。图5-1 主要功能设计结构图5.2系统设定功能设计 系统设定

21、是控制界面里面最为重要的一个部分。控制系统的参数设定基本上都是在这一级的项目里面进行设置的。 在系统设定中，包含了跳脱延迟设定、启动延迟设定、温度参数设定、系统保护开关设定、强制开关设定等。 这些设定功能主要是设定出来以下几个量： 1、开关跳脱的延迟时间以及各个部分设备的启动延迟时间，用来保护机器。 2、参考温度值或压力值。也就是设定好一个安全值，采集来的数据与这个值比较，看是否到达这个数值，进而判断工作还是停止。其控制顺序如流程图（图5-2）所示。首先输入密码，检查密码是否正确。密码出现错误时，是绝对不允许进行参数设定的。当密码正确的时候顺次检查是哪个功能选项被选中。确定后即进入这个选项的设

22、定界面当中。然后再通过按键来选中二级菜单中的功能选项之后，又可进入下一级的具体设备参数的设置。图5-2 系统设定流程图5.3系统时间设定功能设计 系统时间设定是系统参数设定的另外一大部分。主要用来实现定时开启或关闭系统，以求达到节约能源目的。 这里设定的是每天开启和关闭热泵系统的时间，其控制顺序如流程图（图5-3）所示。对于这一设计需要考虑以下几点： 1、并不需要每时每刻都要对水箱内的热水加热，同时有要保证需要用水时总能够及时使用到热水。因而时间要设定的合适。2、对于不同地区不同季节需要设定不同的加热时间。 3、对于一些特定情况，如在杭州每天不同时段的电费不同，考虑到节约开支也可以作为设定时间

23、的一个考虑因素。图5-3 时间设定流程图5.4运转状况设定功能设计在系统运行的过程中,有很多数据都是要记录下来的。 除了要记录热泵系统运转时的进水温度、出水温度、压缩机高压压力、压缩机低压压力、压缩机高压温度、风机出风温度等运转数据并作为历史数据保存起来。还要记录下来每次热泵系统出现问题的相应的报警记录。这些数据都是由相对应的压力传感器或温度传感器采集数据并存储起来。查询时，通过按键选择所要选择的数据选项，将会在液晶屏上显示出所需要的数据资料。流程见图5-4。图5-4 运转状况流程图5. 5 工作总流程设计 通过上一章的介绍，可以知道基本的控制点以及需要检测的温度和压力值。根据这些控制点和检测

24、量，提出如图5-5工作流程图。在开机之后，顺次打开水泵、压缩机、风机的开关，使得各个部分工作起来。开机之后通过温度传感器或者压力传感器顺次检测进水温度、除霜温度值、压缩机低温值（或低压值）、压缩机高温值、压缩机高压值、出水温度值，把这些数值送入单片机。把检测值与设定值进行比较，通过比较结果控制相应的部分的工作状况或者采取相应的处理。具体比较和处理内容如下：1、设定进水温度值后设定一个波动范围，当进水温度若低于设定温度，并且超出波动范围时，停止工作；高于设定温度，并且高出设定范围值时，则正常工作。2、除霜温度是否到达，到达则开始除霜；否则不除霜。3、压缩机低温值（或低压值）、高压值、高温值若与设

25、定值相比较若出现异常，则停止压缩机工作（同时也停止风机工作）；若没有出现异常值，则继续正常工作。4、同进水温度控制相同，设定出水温度参考值后，设定出波动范围。出水温度若达到设定温度，并高于波动范围时，则停止压缩机和风机的工作，即停止加热；若没有达到设定温度，低于设定的波动范围下限，则继续加热工作。 图5-5 工作总流程图5.6数据采集及模数转换模块设计 在所设计的控制系统中，数据采集是控制中非常重要的一个部分。这套系统中，所要采集的数据有：进水温度、出水温度、压缩机高压温度、压缩机高压压力、压缩机低压压力、除霜温度。所要采集的数据都是温度或压力，采集的温度和压力经过传感器转换成0V5V的电压或

26、者0mA20mA的电流。对于诸多的采集量，可以通过CD4051模拟8路开关切换，每一路采集回来的电压或电流分别进入模数转换芯片TLC1549进行模数转换。将每一路的电压或电流转换成数字量。AD转换模块的程序流程图如5-6、5-7所示。 图5-6 A/D转换主程序流程图 图5-7 读数据子程序流程图5.7液晶显示模块设计此次设计所选用的液晶显示屏是清达光电的GTG-2401286V2。点阵为240x128，点尺寸为0.40x0.40mm。内置控制器为T6930C控制器。 GTG-2401286V2液晶显示屏为240128点阵的，满屏显示汉字时可以显示158个汉字。因而，在设计显示界面时，需要考虑

27、在不影响用户使用的前提下，每行显示不超过15个汉字，同时每屏不能多于8行汉字。（数字处理为816点阵显示，也就是说，显示一个汉字的位置可以显示两个数字）。我对液晶显示屏的显示界面做如下的设计，如图5-8所示图5-8 液晶显示界面1、主界面：即开机后显示的第一界面，作为功能选择的第一级菜单。在这个界面中所要显示的内容有：日期和时间、系统设定、系统时间设定、运转状况、密码设置。2、二级界面：即由主界面上选择功能后进入的下一级的界面。每一个功能选项下面又有很多具体的功能选项。因为这些功能选项中的参数设定关系到整个系统的工作状况，不能随便改动，所以在进入二级界面的之前都会有一个输入密码验证的过程，只有

28、密码正确了，才可以进入这一级的界面，进行下一级的功能选择和参数设定。3、三级界面：这一级的界面就涉及到了具体的参数设定。每个二级界面中的功能选项都对应着有一个三级界面，通过数字按键设定各个功能选项的参数。由于界面较多，这里不再列出。通过这样的三个层次的界面设计，基本上将控制系统的各项控制功能做了一个较为合理的分类。这样的三个级别的界面，涵盖了控制器的全部测试和控制功能，同时既便于查看运行中的系统各个部分的参数又利于对整个系统的控制。5.8按键模块设计按键主要分为如下几个功能区，键盘示意图和设计流程图如图5-9和5-10所示。1、开机关机按键2、输入确定按键3、上下行移动按键4、数字按键区（含有

29、数字删除按键）。 图5-9 键盘示意图 图5-10 键盘流程设计图5.9 时钟模块设计由于在控制系统中，需要记录大量的数据，这些数据基本上为各个时刻整个热泵系统的工作状态数据，都与时间有关，因而记录数据时，也要同时记录下来时间。因此需要加上一个时钟芯片，这里选用的时DS1302，为串行时钟芯片。在软件实现当中，也就增加了一个时钟程序模块。时钟芯片的程序设计流程图如图5-11所示。 图5-11 时钟模块程序流程图5.10 通讯模块设计由于硬件选择上使用的是双单片机，因而，需要通过两个单片机的通讯来实现控制系统的功能。这里我们选择的是RS-485通讯。RS-485串行总线接口标准以差分平衡方式传输

30、信号，具有很强的抗共模干扰能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。工业现场控制系统中的一般都采用该总线标准进行数据传输。在这部分设计当中，主单片机系统负责数据采集处理和开关控制量的发送，从单片机系统则处理按键功能以及液晶显示功能。通过从单片机系统上的按键发送出不同的数据到主单片机系统，再通过继电器发送出控制热泵热水器系统的控制信号。下面给出了通讯模块程序设计流程图，包括发送和接收两个部分，如图5-12和5-13所示。 图5-12 通讯模块发送数据流程图 图5-13 通讯模块接收数据流程图结 论 通过近半年的努力，我完成了自己的设计任务。 首先，针对热泵热水器控制器这个很新的课题，我收

31、集了大量关于热泵热水器相关设备的资料以及相关的系统工程的资料，并且作出了整理。在基于以上的资料收集和调查整理的情况下，我基本完成了设计基于单片机的热泵热水器控制系统工作流程的工作。然后又完成了数据采集AD转换模块、键盘控制模块、液晶显示模块、RS-485通讯模块的软件流程设计，并且基本完成了各个模块的调试工作。完成了串行时钟芯片DS1302的软件流程设计。 近半年的毕业设计，给我留下了深刻的记忆。通过毕业设计，我真正的懂得了使得自己掌握学习方法是非常重要的技能，以及主动去学习新的知识对今后发展的重要性。这次设计的课题是生活中的现实问题，通过这次设计，我把自己三年来的专业知识全部应用到实践当中，并将这些知识融合在一起运用出来。正是这样的实践经历使我感受到了知识的魅力和生活的多姿色彩。 本次设计中，我在学会怎样来统筹安排一个