太阳能热泵热水器微型控制系统

　　太阳能集热/蒸发器与电子膨胀阀构成蒸发器的过热度控制系统，通过检测蒸发器进出口的制冷剂温度(过热度)来调整电子膨胀阀的开度，进而调节制冷剂的供液量，以稳定系统的运行，并提高蒸发器的有效传热面积。

　　过热度控制系统的功能分析

　　太阳能集热板的集热量QA可由下式计算[6]：QA=mCPΔT(1)式中：m为制冷剂流量；CP为制冷剂的定压比热；ΔT为集热板进出口温差。

　　太阳辐射等环境条件的变化，会导致热泵的负荷QA变化，进而使得过热度变化。ΔT与过热度的变化趋势是一致的。电子膨胀阀调节是通过控制制冷剂流量来抑制过热度的变化，使过热度尽快达到目标过热度，在保证系统安全运行的前提下，尽可能提高集热板的利用率。同时，根据环境温度，对压缩机转速进行实时管理。

　　控制系统工作流程如图2所示。在运行过程中，通过传感器检测蒸发器进出口温度、太阳辐射强度和水温；经过信号处理以后，一方面，在处理器中计算当前过热度e(浮点数运算)，将该数值与目标过热度进行比较得到过热度偏差，同时结合太阳辐射强度变化量(当前太阳辐射强度与前次测量的差值)进行分析，通过PI运算得到电子膨胀阀合适的输出脉冲数△u，从而控制流经电子膨胀阀的制冷剂流量，实现系统制冷剂节流(循环流量)控制，使系统工作在最佳状态；另一方面，根据系统环境温度，以485总线方式与变频器通讯，改变其运行频率以改变变频器的输出电压，达到系统压缩机调速的目的，从而实现系统压缩机容量控制，使系统得到合理匹配以及稳定运行。

　　系统硬件设计

　　单片机控制电路硬件模块设计图。根据本系统的需求，硬件部分传感器检测模块、键盘扫描模块、看门狗模块、EEV驱动模块以及变频器通讯模块等5部分组成。整个控制系统设计在一个双面布线的电路板上，背部以敷铜接地处理，结合试验环境，给集成电路设置了相关的旁路电容，以降低电源的高频阻抗，能有效地克服芯片的内部噪声和电源噪声[3]，[4]。

　　主控制器CPU采用renesas公司的M37544微芯片，该芯片是renesas8位单片机740族的系列产品之一，包括了一个16位定时器、两个8位定时器、六路8位A/D转换器，内置监视定时器和异步/同步串行接口等功能，是一种低功耗、高性能的OTP(OneTimePROM)微控制器。它内置QzROM(Quick&EasyROM)，与传统的MCS-51相比，具有更强的抗干扰能力。

　　信号采集

　　根据本系统的测量与控制精度要求，选择了热电阻式传感器DTN-C502F6X-CUN131B作为测温元件。测温范围为-30～105℃，精度为±0.5℃，能够满足系统测量与控制要求。为保证温度测量精度以及采集信号的可靠性，在硬件设计上采用了保护电阻、平滑电容以及耦合电容等，配合CPU对外界数据的采集。传感器经引线与CPU内嵌的ADC端口相连，通过分压原理，由ADC端口检测热敏电阻传感器两端的电压，通过内部的A/D转换变成数字信号，然后在软件程序里通过一定的处理，进而实现CPU对外围参数的检测。

　　远程通讯

　　RS485标准采用平衡式发送、差分式接收的数据收发器来驱动总线，具有较强的抗电磁干扰(EMI)能力，广泛用于工业控制场合[7]。设计上采用半双工点对点通信，采用SN75176作为485通讯接口，负责传送和接受信号。采用主从通信方式，即从机不主动发送信息，只被动地等待主机指令。单片机的异步串行通讯通过SN75176转换成485总线通讯方式，和变频器进行485在线通讯。同时采用CPU的一个I/O端口将驱动器和接收器连接在一起，控制485通讯的输入和输出；通信开始，从机一直处于接受状态，待接受到主机的传送数据指令后，才转为发送态，主机相应地转为接受态。另外，若信号在传输线A，B上的阻抗不完全均匀，则会出现反射现象，影响信号的远距离传输，所以在通信传输线的末端采用一个阻值合适的电阻进行阻抗匹配，以双绞线实现主从通信[8]。

　　EEV驱动

　　采用七重达林顿反向驱动器ULN2003A作为EEV的驱动接口。ULN2003A的最大输出电流可达500mA。在硬件设计上，外接12V驱动电压，并采用去藕电容增强抗干扰性能，能够满足EEV的250mA，12V的驱动要求。传统的51系列单片机，在上电复位时候，CPU将I/O口瞬时输出高电平，因此51系列的CPU必须要有反向器来配合，以防电子膨胀阀瞬间误动作。Renesas芯片在初始化时，在软件里将相应的驱动I/O端口(P3.0，P3.1，P3.2和P3.3)设置为输出；当系统上电复位时候，该4个I/O口输出低电平，不会导致EEV步进电机瞬时误动作，能够很好满足系统的要求。

　　人机接口

　　采用3片74LS164N静态驱动显示数码管及CPU的2个I/O端口模拟串口，分别控制输出数据DATA和移位脉冲CLK，利用人眼的迟滞以及发光二极管的余辉效应，看上去显示输出部分无闪烁。另外，提供键盘输入，并在软件设计上配合采用单键复用的方法(即在CPU不同的运行阶段按键动作不一样)，以降低系统成本。其相应功能如下：按键1—查询蒸发器/集热器进口温度；按键2—查询蒸发器/集热器出口压力(此时已换算成温度)；按键3—查询太阳集热板表面辐射强度(此时已换算成温度)；按键4—查询水箱内热水温度、电子膨胀阀初始化启动控制；按键5—查询环境温度、系统变频器启动/停机控制。其中，在触发按键进入外界参数查询以后，在设计上采用5s延时，维持显示当前所输入查询的状态参数值，5s过后即恢复正常，显示系统当前的过热度。

　　系统防死锁

　　为了有效地防止系统死锁以及保护系统欠压掉电处理，设计采用低电平输出复位的MAX706看门狗芯片。在硬件设计上，CPU的一个I/O端口对MAX706的WDI端口不断输出脉冲信号(“喂狗”)，MAX706的WDO端口与系统RESET端口相连，因此，当系统死锁时候，WDI没有正脉冲信号输入，系统将在该端口输出低电平，从而使CPU复位。