1直膨式太陽能熱泵熱水器試驗裝置

　　太陽能集熱/蒸發(fā)器與電子膨脹閥構(gòu)成蒸發(fā)器的過熱度控制系統(tǒng)，通過檢測蒸發(fā)器進(jìn)出口的制冷劑溫度(過熱度)來調(diào)整電子膨脹閥的開度，進(jìn)而調(diào)節(jié)制冷劑的供液量，以穩(wěn)定系統(tǒng)的運行，并提高蒸發(fā)器的有效傳熱面積。

　　2過熱度控制系統(tǒng)的功能分析

　　太陽能集熱板的集熱量QA可由下式計算[6]：QA=mCPΔT(1)式中：m為制冷劑流量；CP為制冷劑的定壓比熱；ΔT為集熱板進(jìn)出口溫差。

　　太陽輻射等環(huán)境條件的變化，會導(dǎo)致熱泵的負(fù)荷QA變化，進(jìn)而使得過熱度變化。ΔT與過熱度的變化趨勢是一致的。電子膨脹閥調(diào)節(jié)是通過控制制冷劑流量來抑制過熱度的變化，使過熱度盡快達(dá)到目標(biāo)過熱度，在保證系統(tǒng)安全運行的前提下，盡可能提高集熱板的利用率。同時，根據(jù)環(huán)境溫度，對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實時管理。

　　控制系統(tǒng)工作流程如圖2所示。在運行過程中，通過傳感器檢測蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度、太陽輻射強(qiáng)度和水溫；經(jīng)過信號處理以后，一方面，在處理器中計算當(dāng)前過熱度e(浮點數(shù)運算)，將該數(shù)值與目標(biāo)過熱度進(jìn)行比較得到過熱度偏差，同時結(jié)合太陽輻射強(qiáng)度變化量(當(dāng)前太陽輻射強(qiáng)度與前次測量的差值)進(jìn)行分析，通過PI運算得到電子膨脹閥合適的輸出脈沖數(shù)△u，從而控制流經(jīng)電子膨脹閥的制冷劑流量，實現(xiàn)系統(tǒng)制冷劑節(jié)流(循環(huán)流量)控制，使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)；另一方面，根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境溫度，以485總線方式與變頻器通訊，改變其運行頻率以改變變頻器的輸出電壓，達(dá)到系統(tǒng)壓縮機(jī)調(diào)速的目的，從而實現(xiàn)系統(tǒng)壓縮機(jī)容量控制，使系統(tǒng)得到合理匹配以及穩(wěn)定運行。

　　3系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　圖3是單片機(jī)控制電路硬件模塊設(shè)計圖。根據(jù)本系統(tǒng)的需求，硬件部分傳感器檢測模塊、鍵盤掃描模塊、看門狗模塊、EEV驅(qū)動模塊以及變頻器通訊模塊等5部分組成。整個控制系統(tǒng)設(shè)計在一個雙面布線的電路板上，背部以敷銅接地處理，結(jié)合試驗環(huán)境，給集成電路設(shè)置了相關(guān)的旁路電容，以降低電源的高頻阻抗，能有效地克服芯片的內(nèi)部噪聲和電源噪聲[3]，[4]。

　　3.1主控制器

　　CPU采用renesas公司的M37544微芯片，該芯片是renesas 8位單片機(jī)740族的系列產(chǎn)品之一，包括了一個16位定時器、兩個8位定時器、六路8位A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置監(jiān)視定時器和異步/同步串行接口等功能，是一種低功耗、高性能的OTP(One Time PROM)微控制器。它內(nèi)置QzROM(Quick & Easy ROM)，與傳統(tǒng)的MCS- 51相比，具有更強(qiáng)的抗干擾能力。

　　3.2信號采集

　　根據(jù)本系統(tǒng)的測量與控制精度要求，選擇了熱電阻式傳感器DTN- C502F6X- CUN131B作為測溫元件。測溫范圍為- 30～105℃，精度為±0.5℃，能夠滿足系統(tǒng)測量與控制要求。為保證溫度測量精度以及采集信號的可靠性，在硬件設(shè)計上采用了保護(hù)電阻、平滑電容以及耦合電容等，配合CPU對外界數(shù)據(jù)的采集。傳感器經(jīng)引線與CPU內(nèi)嵌的ADC端口相連，通過分壓原理，由ADC端口檢測熱敏電阻傳感器兩端的電壓，通過內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號，然后在軟件程序里通過一定的處理，進(jìn)而實現(xiàn)CPU對外圍參數(shù)的檢測。

　　3.3 RS 485遠(yuǎn)程通訊

　　RS 485標(biāo)準(zhǔn)采用平衡式發(fā)送、差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動總線，具有較強(qiáng)的抗電磁干擾(EMI)能力，廣泛用于工業(yè)控制場合[7]。設(shè)計上采用半雙工點對點通信，采用SN75176作為485通訊接口，負(fù)責(zé)傳送和接受信號。采用主從通信方式，即從機(jī)不主動發(fā)送信息，只被動地等待主機(jī)指令。單片機(jī)的異步串行通訊通過SN75176轉(zhuǎn)換成485總線通訊方式，和變頻器進(jìn)行485在線通訊。同時采用CPU的一個I/O端口將驅(qū)動器和接收器連接在一起，控制485通訊的輸入和輸出；通信開始，從機(jī)一直處于接受狀態(tài)，待接受到主機(jī)的傳送數(shù)據(jù)指令后，才轉(zhuǎn)為發(fā)送態(tài)，主機(jī)相應(yīng)地轉(zhuǎn)為接受態(tài)。另外，若信號在傳輸線A，B上的阻抗不完全均勻，則會出現(xiàn)反射現(xiàn)象，影響信號的遠(yuǎn)距離傳輸，所以在通信傳輸線的末端采用一個阻值合適的電阻進(jìn)行阻抗匹配，以雙絞線實現(xiàn)主從通信[8]。

　　3.4 EEV驅(qū)動

　　采用七重達(dá)林頓反向驅(qū)動器ULN2003A作為EEV的驅(qū)動接口。ULN2003A的最大輸出電流可達(dá)500 mA。在硬件設(shè)計上，外接12 V驅(qū)動電壓，并采用去藕電容增強(qiáng)抗干擾性能，能夠滿足EEV的250 mA，12 V的驅(qū)動要求。傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)，在上電復(fù)位時候，CPU將I/O口瞬時輸出高電平，因此51系列的CPU必須要有反向器來配合，以防電子膨脹閥瞬間誤動作。Renesas芯片在初始化時，在軟件里將相應(yīng)的驅(qū)動I/O端口(P3.0，P3.1，P3.2和P3.3)設(shè)置為輸出；當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位時候，該4個I/O口輸出低電平，不會導(dǎo)致EEV步進(jìn)電機(jī)瞬時誤動作，能夠很好滿足系統(tǒng)的要求。

　　3.5人機(jī)接口

　　采用3片74LS164N靜態(tài)驅(qū)動顯示數(shù)碼管及CPU的2個I/O端口模擬串口，分別控制輸出數(shù)據(jù)DATA和移位脈沖CLK，利用人眼的遲滯以及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，看上去顯示輸出部分無閃爍。另外，提供鍵盤輸入，并在軟件設(shè)計上配合采用單鍵復(fù)用的方法(即在CPU不同的運行階段按鍵動作不一樣)，以降低系統(tǒng)成本。其相應(yīng)功能如下：按鍵1—查詢蒸發(fā)器/集熱器進(jìn)口溫度；按鍵2—查詢蒸發(fā)器/集熱器出口壓力(此時已換算成溫度)；按鍵3—查詢太陽集熱板表面輻射強(qiáng)度(此時已換算成溫度)；按鍵4—查詢水箱內(nèi)熱水溫度、電子膨脹閥初始化啟動控制；按鍵5—查詢環(huán)境溫度、系統(tǒng)變頻器啟動/停機(jī)控制。其中，在觸發(fā)按鍵進(jìn)入外界參數(shù)查詢以后，在設(shè)計上采用5 s延時，維持顯示當(dāng)前所輸入查詢的狀態(tài)參數(shù)值，5 s過后即恢復(fù)正常，顯示系統(tǒng)當(dāng)前的過熱度。

　　3.6系統(tǒng)防死鎖

　　為了有效地防止系統(tǒng)死鎖以及保護(hù)系統(tǒng)欠壓掉電處理，設(shè)計采用低電平輸出復(fù)位的MAX706看門狗芯片。在硬件設(shè)計上，CPU的一個I/O端口對MAX706的WDI端口不斷輸出脈沖信號(“喂狗”)，MAX706的WDO端口與系統(tǒng)RESET端口相連，因此，當(dāng)系統(tǒng)死鎖時候，WDI沒有正脈沖信號輸入，系統(tǒng)將在該端口輸出低電平，從而使CPU復(fù)位。