0 引言
    熱泵技術(shù)是一種以消耗少量電能或燃料能為代價,，將大量無用的低溫?zé)崮茏優(yōu)橛杏玫母邷責(zé)崮艿募夹g(shù),。目前市場上熱泵的應(yīng)用主要可以分為空調(diào)和熱水2大方向?？照{(diào)方面主要指冷暖通空調(diào),，熱水方面主要指熱泵熱水器。近年來,，空氣源熱泵熱水器行業(yè)逆勢活躍,，國內(nèi)各大空調(diào)公司相繼推出多款熱泵熱水器產(chǎn)品,，這與冷暖通空調(diào)低迷的行情形成了鮮明對比。
    本文提出了基于RS 485總線或CAN總線的聯(lián)網(wǎng)式熱泵熱水器的硬件與軟件實現(xiàn)方法,，擁有分工明確的硬件模塊和科學(xué)的軟件算法,。通過模仿實時系統(tǒng)(Re-al-time Operating System，RTOS)的基本原理,，充分利用系統(tǒng)的硬件資源,，使復(fù)雜的控制任務(wù)在有限硬件條件下的有序進行成為可能，降低了系統(tǒng)成本,。

1 熱泵技術(shù)概述
1．1 熱泵的概念
    如果要讓水從低處流動到高處,，需要水泵來完成；如果要把低溫物體的熱量傳送給高溫物體,，就需要用熱泵,。熱泵工作原理如圖1所示。熱泵以水或者空氣等低溫?zé)嵩醋鳛闊嵩?，通過冷媒的物理狀態(tài)變化，進行吸收和釋放熱量,，并通過循環(huán)傳遞熱量,，實現(xiàn)熱的轉(zhuǎn)移，這樣就可以把不能直接利用的低位熱能轉(zhuǎn)換為可以利用的高位熱能,，從而達(dá)到節(jié)約部分高位能的目的,。

1．2 空氣源熱泵空調(diào)原理
    空氣源空調(diào)的原理如圖2所示，冷媒首先經(jīng)過壓縮機壓縮做功后,，變成高溫高壓的氣態(tài),；然后經(jīng)過冷凝器進行冷卻，將熱量傳遞給室外空氣,，液化成低溫高壓的氣液混合態(tài),；接著經(jīng)過膨脹閥膨脹對外做功，溫度進一步降低,，成為低溫低壓的氣液混合態(tài)冷媒,；再接著經(jīng)過蒸發(fā)器，吸收室內(nèi)環(huán)境的熱量而溫度變高,；最后又回到壓縮機進行新一輪的循環(huán),。

    熱泵的原理其實與上述空調(diào)原理基本相同，不過空調(diào)是要吸收室內(nèi)過高的熱量然后排到室外去,，起到室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的效果,；而熱泵則是吸收環(huán)境的低溫?zé)崃?可以是大氣、土壤,、水的低溫余熱)然后泵送到有利用價值的高溫?zé)嵩粗腥ス┡蛘咧圃鞜崴?。圖3為熱泵熱水器的原理簡圖,。冷媒的循環(huán)原理與熱傳遞原理都是跟空調(diào)的一致，惟一不同的就是熱泵是將從環(huán)境中吸收的熱量通過熱交換器傳遞給冷水來加熱冷水,，然后將冷氣排放到空氣中,。

    對比上面二者，可以看出無論是空調(diào)還是熱泵熱水器都會往大氣中排放冷氣或者廢熱,，這不僅造成能源的利用率低,，還會影響環(huán)境質(zhì)量。如果將兩者取長補短,，結(jié)合在一起,，則其意義和效益將是極其明顯的?？諝庠礋岜每照{(diào)系統(tǒng)則是上面兩者結(jié)合的產(chǎn)物,。整個系統(tǒng)可以分為3個區(qū)：冷區(qū)(又稱為室內(nèi)風(fēng)機區(qū))、熱區(qū)(又稱為熱交換區(qū))和冷熱區(qū)(又稱為室外風(fēng)機區(qū)),。冷區(qū)是熱泵吸收外界熱量排放冷氣的區(qū)域,，一般是指空調(diào)室內(nèi)的冷風(fēng)機；熱區(qū)則是熱泵輸出高位熱能的區(qū)域,，對于本文研究的系統(tǒng)來說,，這個區(qū)域的高位熱能都是通過熱交換器來將熱量傳遞給熱水加熱，被加熱的熱水存儲于熱水箱之中,，同時在冬天的時候也可以將部分熱水引導(dǎo)到室內(nèi)取暖,；冷熱區(qū)是一個比較特殊的區(qū)域，這里既可以吸收環(huán)境的低品位熱量也可以釋放高品位熱量,，一般情況下都是指室外風(fēng)機所在的區(qū)域,。通過切換四通閥、冷凝器電磁閥,、蒸發(fā)器電磁閥和化霜電磁閥等閥門就可以實現(xiàn)熱泵裝置,、制冷機、熱泵制冷聯(lián)合機之間等功能以及各功能之間的轉(zhuǎn)換,，而且切換靈活方便,，隨時可以根據(jù)實際需要來進行功能的選用。該系統(tǒng)各功能模塊的冷媒循環(huán)通路如圖4所示,。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    該系統(tǒng)的特點是多臺熱泵機組聯(lián)網(wǎng)控制,，因此必須具備一個功能強大的上位控制器，收集全系統(tǒng)各機組的工作狀態(tài),，并根據(jù)收集回來的數(shù)據(jù)對各機組作統(tǒng)籌分析,，以實現(xiàn)統(tǒng)一控制以及節(jié)能效應(yīng)。而對于水箱以及安裝在用戶端的每臺熱泵機組，都必須配有一臺控制器,，連接在網(wǎng)絡(luò)上的控制器接收來自頂端控制器的控制命令,，以進行對本機組中各子設(shè)備的控制，實現(xiàn)熱泵的基本功能,。另外,，由于熱泵機組安裝在用戶端，需要配有一個用戶作交互的接口,，該接口安裝需在用戶室內(nèi),。綜上所述，本熱泵控制系統(tǒng)劃分成4種控制器：主面板(管理員控制板),，副面板(用戶控制板),，水箱控制板和熱泵控制板。
2．1 主面板
    主面板是整個系統(tǒng)的管理控制中心,，主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的通信和協(xié)調(diào),，綜合水箱控制板與熱泵控制板的反饋狀況對環(huán)境做出判斷，實現(xiàn)對各熱泵機組的控制和統(tǒng)一,，并且提供一個良好的人機接口,。同時主面板也具備E2PROM數(shù)據(jù)保存、防掉電和機組出錯報警等功能,。主面板硬件模塊示意圖如圖5所示,。

2．2 用戶面板
    用戶面板(副面板)是可選的功能板，其主要功能是通過模擬串口與熱泵控制板通信,，對熱泵控制板進行空調(diào)功能的控制與設(shè)定。同時也需用來探測室內(nèi)的溫度,。另外,，副面板也要求具有良好的操作接口、實時時鐘,、E2PROM數(shù)據(jù)保存和防掉電等功能,。每塊副面板均對應(yīng)一臺熱泵機組。用戶面板硬件模塊示意圖如圖6所示,。

2．3 水箱控制板
    水箱控制板的主要功能是對蓄水箱進行水路循環(huán)泵,、補水閥的控制和對水位、水流,、過流,、電源相序和熱水溫度等進行探測，以實現(xiàn)水箱的熱水循環(huán)加熱控制,，也即熱泵熱水器的功能控制,。水箱控制板硬件模塊示意圖如圖7所示。

2．4 熱泵控制板
    熱泵控制板用于控制系統(tǒng)中的單臺熱泵空調(diào)機組，通過改變各個閥的開關(guān)實現(xiàn)冷媒流通的管路不同,，以實現(xiàn)功能切換,。熱泵控制板既可以實現(xiàn)空調(diào)功能的控制，也可以實現(xiàn)熱泵熱水器的實現(xiàn),，而且也可以熱泵熱水器和熱泵空調(diào)的功能同時實現(xiàn),。熱泵控制板也是化霜管理部件。熱泵控制板的控制功能包括：控制壓縮機,、控制室外風(fēng)機,、控制四通閥換向、控制蒸發(fā)器電磁閥,、冷凝器電磁閥,、化霜電磁閥、檢測過流保護開關(guān),、檢澍壓縮機壓力,、檢測外風(fēng)機溫度、決定是否進行化霜,、控制空調(diào)室內(nèi)機的開關(guān)及決定高中低空調(diào)風(fēng)檔,。熱泵控制板硬件模塊示意圖如圖8所示。

    另外,，熱泵控制板還需要對冷凝溫度,、排氣溫度、壓縮機溫度,、化霜溫度,、冷媒壓力、電源相序等進行探測和監(jiān)控,，以確保系統(tǒng)安全運行將上面的幾部分通過網(wǎng)絡(luò)通信聯(lián)合在一起就可以組成一個龐大的熱泵控制系統(tǒng),，最多可以達(dá)到32臺熱泵機組。這個熱泵機組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)連接圖如圖9所示,，主面板與水箱控制板以及各熱泵板之間用RS485總線或CAN總線通信連接,，而各單獨的熱泵機組與副面板的連接用RS488總線連接。

3 系統(tǒng)軟件算法的實現(xiàn)
3．1 控制軟件流程
    該系統(tǒng)共四套控制軟件,，分別對應(yīng)硬件電路中的主面板,、副面板、水箱控制板以及熱泵控制板,。其中,，主面板和副面板的控制軟件主要是實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信、液晶顯示,、鍵盤輸入以及多級用戶菜單等功能,。主面板還需實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中所有分機的數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)籌控制,。水箱控制板和熱泵控制板的控制軟件主要就是實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信、溫度采集,、各種安全檢測以及子設(shè)備驅(qū)動等功能,。
    主面板和副面板的軟件控制流程如圖10所示，熱泵控制板和水箱控制板的軟件控制流程如圖11所示,。

3．2 軟件算法
    在實際的工程應(yīng)用中,，閥門開關(guān)組合與電機開關(guān)組合的切換有一定的先后順序，這主要是出于保護壓縮機的考慮,。壓縮機關(guān)閉之后必須至少延時3 min的時間才能再啟動,；而壓縮機關(guān)閉之后，水泵也必須至少延時30 s再關(guān)閉,，從而通過水路循環(huán)帶走熱交換機中的余熱以冷卻機組,。作為一個符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的控制系統(tǒng)，在實現(xiàn)轉(zhuǎn)換控制的同時還要對系統(tǒng)進行各種安全檢測,，例如冷媒壓力過高,、冷媒壓力偏低、電流過大,、水路沒有水流,、壓縮機溫度過高、水位探頭故障以及溫度探頭故障等,。如果系統(tǒng)探測到以上的安全警報,，就會停機報警以保護系統(tǒng)的安全運作?？諝庠礋岜每照{(diào)的控制動作轉(zhuǎn)換因此變得十分繁雜,。
    為了使系統(tǒng)對各個閥門的控制任務(wù)有序地實現(xiàn)，引入了輪詢法多任務(wù)調(diào)度的方法以及軟件定時器,，節(jié)省了中央控制器硬件資源的不足,，提高了系統(tǒng)的處理效率。
3．2．1 輪詢法多任務(wù)調(diào)度
    輪詢法多任務(wù)調(diào)度模仿了實時系統(tǒng)(Real-timeOperating System,，RTOS)的原理。實時系統(tǒng)的特點是,，如果邏輯和時序出現(xiàn)偏差,，將會出現(xiàn)嚴(yán)重的后果，這一點與熱泵系統(tǒng)具有繁多任務(wù)的特點相符,。輪詢法多任務(wù)調(diào)度的宗旨是使各個任務(wù)盡快地執(zhí)行,，不要求限定某一任務(wù)在多長時間內(nèi)完成。輪詢法多任務(wù)調(diào)度中,，各個任務(wù)具有同樣的優(yōu)先級,。允許一個任務(wù)優(yōu)先確認(rèn)一段時間，然后切換給另一個任務(wù)。其中,，時間段的計時由軟定時器來實現(xiàn),，具體實施方法如下。
    在水箱控制器以及熱泵控制器中,，包含多項子設(shè)備的控制,。該系統(tǒng)針對每個獨立子設(shè)備的控制設(shè)計了專門的軟件控制模塊，工程應(yīng)用中可根據(jù)實際需要裁剪所需的模塊組合,，如圖12所示,。每個軟件功能模塊，都采用狀態(tài)機的方式,，每次運行至某一個模塊,，如果該模塊的當(dāng)
前狀態(tài)未完成，則切換至另一個模塊,，直到下次切換回該模塊,，且當(dāng)前狀態(tài)完成，才進入下一狀態(tài)繼續(xù)運行,。每個掛載在主程序中的功能模塊,，等于是程序中的任務(wù)，對于不同任務(wù)之間的管理與調(diào)度,，關(guān)乎程序的執(zhí)行效率,。程序中，考慮到任務(wù)切換的問題,，所以給每個任務(wù)每一狀態(tài)分配的代碼執(zhí)行時間不長,，任務(wù)內(nèi)部也并不需要進行占用資源較大的運算等操作。大多數(shù)時間任務(wù)處于延時等待狀態(tài),，因此,，當(dāng)某一任務(wù)進入延時進程中，控制程序就可以去查詢執(zhí)行其他的任務(wù),，等延時完成再執(zhí)行該任務(wù)的處理程序即可,。由此可以實現(xiàn)在短時間內(nèi)的任務(wù)循環(huán)切換。功能模塊內(nèi)部狀態(tài)機結(jié)構(gòu)如圖13所示,。

3．2．2 軟定時器算法的實現(xiàn)
    在該系統(tǒng)中,，延時也是系統(tǒng)輸出的一個重要部分。但是在傳統(tǒng)的延時算法里面,，大多是讓CPU執(zhí)行空語句,，這樣非常浪費系統(tǒng)資源。這里采用單循環(huán)隊列定時器算法,。理論上可以把一個定時器擴展成任意多個定時器,，以滿足系統(tǒng)需求,。
    單循環(huán)隊列計時原理如下：
    可以通過聲明一個具有n個元素的數(shù)組來拓展得到n個軟件定時器。同時,，定義一個指向數(shù)組元素的循環(huán)計時隊列指針,。每當(dāng)定時中斷發(fā)生時，循環(huán)計時隊列指針?biāo)赶虻亩〞r器元素減1,，并且移向下一個元素,。當(dāng)某個元素(軟件定時器)的值減到0時，置位與該元素相應(yīng)的定時器標(biāo)志位,，以便在程序中查詢定時時間是否已到,。當(dāng)然，也可以在程序中通過查詢該數(shù)組元素是否為0來確定,。由上可見定時器的定時時間計算如下：
    定時時間=中斷時間間隔×定時器元素數(shù)量
    一個軟件定時器的簡單例子如圖14所示,。

    該系統(tǒng)所采用的這種單循環(huán)隊列定時器算法，實現(xiàn)簡單,，而且每個計時周期只需進行一次減法操作,，突破了硬件定時器中的數(shù)量限制。從系統(tǒng)資源占用的角度來看,，是最有效的定時器算法,。

4 系統(tǒng)抗干擾措施
    在該系統(tǒng)中，壓縮機,、水泵,、外風(fēng)機等都是大功率強電設(shè)備，而且距離控制器比較近,，這就使得控制板工作在一個比較惡劣的電磁環(huán)境中,；另外，各控制器一般都是安裝在戶外環(huán)境,，容易受到環(huán)境因素的影響,，一個突出的影響來自雷電。因此,，增強控制板的抗干擾能力是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要途徑,。
    為此，該系統(tǒng)采用了隔離技術(shù),，即CPU通過繼電器隔離控制交流接觸器,；而水箱控制板，熱泵控制板分別具有3個電平區(qū)域,，包括單片機電平區(qū)(5 V),、通信電平區(qū)(5 V),、繼電器控制電平區(qū)(24 V),，它們之間均設(shè)置了光耦進行隔離,。
    另外，該系統(tǒng)中采用了多種保護器件,，包括自恢復(fù)保險絲PPTC,、瞬變電壓抑制器TVS和壓敏電阻MOV。
    在RS 485通信模塊中,，采用TI公司的75LBC184,。該芯片與普通的RS 485收發(fā)器相比的顯著特點是片內(nèi)A、B引腳接有高能量順變干擾保護裝置,，可以承受峰值為400 W的過壓順變,，因此能顯著提高器件的可靠性。其驅(qū)動器設(shè)計成限斜率方式輸出,，使輸出信號邊沿不會過陡,，有效的抑制傳輸線上的噪聲高頻分量。而且該芯片能承受高達(dá)8 kV的靜電放電沖擊,，具有一定的防雷能力,。對一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護元件,。而CAN總線自身抗電磁干擾性高,，傳輸距離遠(yuǎn)和可靠的錯誤處理和檢測機制，也加強了系統(tǒng)通訊的可靠性,。該系統(tǒng)采用自帶CAN總線控制模塊的dspic30F5011,，以及PCA82C250作為CAN收發(fā)器。

5 結(jié)語
    基本完成了整個熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件和軟件的實現(xiàn),。通過RS 485或CAN通信實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的通信控制,，做到真正的大規(guī)模聯(lián)網(wǎng),。對機組外部環(huán)境的多種因素進行探測,，設(shè)計出一套根據(jù)實際情況進行模式轉(zhuǎn)換，關(guān)機報警等動作的可靠系統(tǒng),。輪詢法多任務(wù)調(diào)度以及軟件定時器的引入提高了系統(tǒng)效率,，突破了中央處理器的硬件局限。多種抗干擾措施更增強了系統(tǒng)對惡劣外部環(huán)境的適應(yīng)能力,。