简述控制系统空气源热泵制约体系开发小结

论文导读：
摘 要： 在此开发一种优良的空气源热泵自动控制系统。对空气源热泵原理和系统结构做了简要介绍。然后介绍了该设计的控制系统。该控制系统采用基于MSP430微控制器的数据采集与输出控制电路。温度探头采用PT100，水位探头采用带变送器的成品水位传感器。对水位与温源于：论文库www.7ctime.com
度信号调理电路进行了设计计算。在IAR平台上进行软件开发与仿真。采用C语言编程。实现了良好的控制效果。现场使用两年来，性能稳定、可靠，节能效果良好。
关键字： 空气源热泵； 水位探头； 水温探头； 节能效果
1004?373X（2013）22?0150?02
本控制系统以微控制器MSP430F5438为核心，外加传感器、信号调理电路以及继电器控制电路，实时监测水箱内的水位、水温、外部环境温度以及压缩机出口温度，使水箱内的水温和水位满足用户的热水需求并实现良好的节能与保护效果。
1 空气源热泵工作原理简介
在空气源热泵中经过膨胀阀的冷媒体积增大多倍，而压力降低多倍，在吸热器中进行蒸发，蒸发使其温度下降很多，最低可达到-18 ℃以下，蒸发需要热量，于是从空气中吸收热量，有效的利用空气能。之后经压缩机压缩为高温高压液体媒质，其温度最高可以达到90 ℃以上，通过置于水中的散热管将其中热量传导给水而使水温升高。压缩机消耗电能仅用于搬移空气中的热量到水中。其热效率最高可以达到300%以上。其热效率会随着水温升高而降低。而单独使用电加热，效率最高只能达到100%。因此热泵节电效果显著[1?4]。在能源日益短缺的现在，推广热泵具有重要的社会经济意义。因此研究热泵的控制技术亦具有重要的学术与社会意义。
2 热泵热水系统设计
为了节能，采用空气源热泵热水，而以电加热作为辅助手段。只有在热泵加热不能满足用户需求时，才打开电加热器作为补充，而一旦热泵加热能够满足需求时，立即关闭电加热器。为了充分发挥热泵热水的优势，必须将本系统的吸热部分安装在通风良好的地方。图1是设计的日供30 t热水的系统组成。图中水箱总高2.5 m，30 t，平时维持20 t水，最低水位0.5 m，平时水位变化0.5～2.2 m，当水箱内水量不足时，打开进水阀进水；进水使得水温下降到45 ℃时，停止进水，通过热泵继续加热，水温上升到50 ℃时，又开始进水，如此循环直到水位达到最高水位，称此过程为程控进水。
在一年内大部分日期，例如西安，约有10个月仅需热泵工作，就可满足热水需求。隆冬季节，当外界环境温度过低不能保证水温在所需温度时，才需要打开电加热器对水箱内的水进行补充加热。在全年内，当水箱内水的温度过高时，热泵效率会下降较多，同时热泵压缩机冷媒的出口温度会上升较高，使热管部分产生较大压力，对管路造成损害，此时要关闭热泵，保护管路，节约电力。
3 热泵控制系统
本控制系统由多个传感器、信号调理电路、主控制器、继电器板组成。其中，信号调理电路对传感器信号进行滤波放大，输入到主控制器[4]，包括监测环境温度的3只温度传感器，在水箱内测量水温的3只温度传感器，1个水位传感器和1个压缩机出口温度传感器。控制系统组成见图2。本系统软件采用C语言编写，在著名的IAR集成开发平台上进行程序编写与硬件仿真调试，完成了产品的硬件完善和软件开发[5]。硬件控制系统的关键部件是主控制器和信号调理电路，分别介绍如下所述。

3.1 主控制器

主控制器采用MSP430F5438微控制器，接收由信号调理电路输入的多路电压信号，进行A/D转换与分析处理，将相应的开关量控制信号输出到继电器板，以控制热泵、进水电磁阀、电加热器、用户泵等设备。该主控制器内置一个12位A/D转换器，可以接收外部输入的12路模拟信号和内部的4路模拟信号，也可以对规定通道数目的模拟信号进行扫描转换，具有内部参考电压和采样保持电路；主控制器还具有32位的内部硬件乘法器，256 KB闪存可以存放程序代码，512 B闪存用于保存用户的设置参数，16 KB RAM用于存放全局变量与局部变量和中间计算结果。它是一款性价比很高的微控制器。

3.2 信号调理电路

3.

2.1 水位传感器信号调理

本系统中采用水位传感器选用的测深3 m的密封压力探头，输出4～20 mA直流信号，论文导读：
当水位为0时，输出电流为4 mA，而本系统A/D转换采用的是双极性接法，即当水位为0时，输出-10 V，当水位为2.5 m（在实际应用中，水箱水深度为2.5 m时，即认为水箱水已满）时，输出为10 V。信号调理以及放大电路见图3。电路调试完后，可变电阻都有确定数值，由电工理论可得式（1）：
3.

2.2 温度传感器信号调理

本系统采用的温度传感器为PT100，当温度为0 ℃时，电阻为100 Ω，经信号调理电路后输出电压为-10 V，当温度为100 ℃时，电阻为142.8 Ω；经信号调理后输出电压为10 V。具体电路如图4（其中T

1、T2接PT100，JM1为调试用）。调试电路各个电阻都取固定值，可得式（2）：

通过上述两个电路获得Vout后，还要通过电压平移电路和分压电路将Vout转换为主控制器需要的0～3 V模拟信号，才能输送给主控制器进行A/D转换[6]。
4 结 语
本系统已经用于热泵的控制，现场使用两年来，可靠稳定，效果良好。
参考资料
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[3] YAN Bi?hong， SHE Cai?qing， DING Hao， et al. The fuzzy control system of the solar energy collector combining with heat? pump [C]// Proceedings of 2011 International Conference on Electrical and Control Engineering. Yichang， China： ICECE， 2011： 2691?2694.
[4] 佚名.热泵热水器技术[DB/OL].[2013?07?09].http：//wenku.baidu.com.
[5] 毕宏彦，张日强，张小栋.计算机测控技术及应用[M].西安：西安交通大学出版社，2010.
[6] 韩涛，赵晓瑛，盛锴.基于单片机的智能油温检测报警系统设计[J].现代电子技术，2012，35（23）：56?57.