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(jià)，將大量無(wú)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(chǎng)上熱泵的應(yīng)用主要可以分為空調(diào)和熱水2大方向,。空調(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(lái)，空氣源熱泵熱水器行業(yè)逆勢(shì)活躍,，國(guó)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(duì)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(shí)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(guò)模仿實(shí)時(shí)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(jìn)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(dòng)到高處,，需要水泵來(lái)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(guò)冷媒的物理狀態(tài)變化,，進(jìn)行吸收和釋放熱量，并通過(guò)循環(huán)傳遞熱量,，實(shí)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(guò)壓縮機(jī)壓縮做功后，變成高溫高壓的氣態(tài),；然后經(jīng)過(guò)冷凝器進(jìn)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(guò)膨脹閥膨脹對(duì)外做功,，溫度進(jìn)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(guò)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(jī)進(jìn)行新一輪的循環(huán)。

    熱泵的原理其實(shí)與上述空調(diào)原理基本相同,，不過(guò)空調(diào)是要吸收室內(nèi)過(guò)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(jià)值的高溫?zé)嵩粗腥ス┡蛘咧圃鞜崴D3為熱泵熱水器的原理簡(jiǎn)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(guò)熱交換器傳遞給冷水來(lái)加熱冷水，然后將冷氣排放到空氣中,。

    對(duì)比上面二者,，可以看出無(wú)論是空調(diào)還是熱泵熱水器都會(huì)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(huì)影響環(huán)境質(zhì)量,。如果將兩者取長(zhǎng)補(bǔ)短，結(jié)合在一起,，則其意義和效益將是極其明顯的,。空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)則是上面兩者結(jié)合的產(chǎn)物,。整個(gè)系統(tǒng)可以分為3個(gè)區(qū)：冷區(qū)(又稱(chēng)為室內(nèi)風(fēng)機(jī)區(qū)),、熱區(qū)(又稱(chēng)為熱交換區(qū))和冷熱區(qū)(又稱(chēng)為室外風(fēng)機(jī)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(jī),；熱區(qū)則是熱泵輸出高位熱能的區(qū)域，對(duì)于本文研究的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),，這個(gè)區(qū)域的高位熱能都是通過(guò)熱交換器來(lái)將熱量傳遞給熱水加熱,，被加熱的熱水存儲(chǔ)于熱水箱之中，同時(shí)在冬天的時(shí)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(gè)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(jī)所在的區(qū)域,。通過(guò)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(mén)就可以實(shí)現(xiàn)熱泵裝置,、制冷機(jī),、熱泵制冷聯(lián)合機(jī)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(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)進(jìn)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(diǎn)是多臺(tái)熱泵機(jī)組聯(lián)網(wǎng)控制,，因此必須具備一個(gè)功能強(qiáng)大的上位控制器,，收集全系統(tǒng)各機(jī)組的工作狀態(tài)，并根據(jù)收集回來(lái)的數(shù)據(jù)對(duì)各機(jī)組作統(tǒng)籌分析,，以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制以及節(jié)能效應(yīng),。而對(duì)于水箱以及安裝在用戶(hù)端的每臺(tái)熱泵機(jī)組，都必須配有一臺(tái)控制器,，連接在網(wǎng)絡(luò)上的控制器接收來(lái)自頂端控制器的控制命令,，以進(jìn)行對(duì)本機(jī)組中各子設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)熱泵的基本功能,。另外,，由于熱泵機(jī)組安裝在用戶(hù)端，需要配有一個(gè)用戶(hù)作交互的接口,，該接口安裝需在用戶(hù)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(hù)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(gè)系統(tǒng)的管理控制中心,，主要負(fù)責(zé)整個(gè)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(duì)環(huán)境做出判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)各熱泵機(jī)組的控制和統(tǒng)一,，并且提供一個(gè)良好的人機(jī)接口,。同時(shí)主面板也具備E2PROM數(shù)據(jù)保存、防掉電和機(jī)組出錯(cuò)報(bào)警等功能,。主面板硬件模塊示意圖如圖5所示,。

2．2 用戶(hù)面板
    用戶(hù)面板(副面板)是可選的功能板，其主要功能是通過(guò)模擬串口與熱泵控制板通信,，對(duì)熱泵控制板進(jìn)行空調(diào)功能的控制與設(shè)定,。同時(shí)也需用來(lái)探測(cè)室內(nèi)的溫度。另外,，副面板也要求具有良好的操作接口,、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、E2PROM數(shù)據(jù)保存和防掉電等功能,。每塊副面板均對(duì)應(yīng)一臺(tái)熱泵機(jī)組,。用戶(hù)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(duì)蓄水箱進(jìn)行水路循環(huán)泵,、補(bǔ)水閥的控制和對(duì)水位,、水流,、過(guò)流、電源相序和熱水溫度等進(jìn)行探測(cè),，以實(shí)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(tái)熱泵空調(diào)機(jī)組,，通過(guò)改變各個(gè)閥的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)冷媒流通的管路不同，以實(shí)現(xiàn)功能切換,。熱泵控制板既可以實(shí)現(xiàn)空調(diào)功能的控制,，也可以實(shí)現(xiàn)熱泵熱水器的實(shí)現(xiàn)，而且也可以熱泵熱水器和熱泵空調(diào)的功能同時(shí)實(shí)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(jī)、控制室外風(fēng)機(jī),、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(cè)過(guò)流保護(hù)開(kāi)關(guān)、檢澍壓縮機(jī)壓力,、檢測(cè)外風(fēng)機(jī)溫度,、決定是否進(jìn)行化霜、控制空調(diào)室內(nèi)機(jī)的開(kāi)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(duì)冷凝溫度,、排氣溫度,、壓縮機(jī)溫度、化霜溫度,、冷媒壓力,、電源相序等進(jìn)行探測(cè)和監(jiān)控，以確保系統(tǒng)安全運(yùn)行將上面的幾部分通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信聯(lián)合在一起就可以組成一個(gè)龐大的熱泵控制系統(tǒng),，最多可以達(dá)到32臺(tái)熱泵機(jī)組,。這個(gè)熱泵機(jī)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(dú)的熱泵機(jī)組與副面板的連接用RS488總線連接,。

3 系統(tǒng)軟件算法的實(shí)現(xiàn)
3．1 控制軟件流程
    該系統(tǒng)共四套控制軟件，分別對(duì)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(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信,、液晶顯示,、鍵盤(pán)輸入以及多級(jí)用戶(hù)菜單等功能,。主面板還需實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有分機(jī)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(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信、溫度采集,、各種安全檢測(cè)以及子設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(shí)際的工程應(yīng)用中,，閥門(mén)開(kāi)關(guān)組合與電機(jī)開(kāi)關(guān)組合的切換有一定的先后順序，這主要是出于保護(hù)壓縮機(jī)的考慮,。壓縮機(jī)關(guān)閉之后必須至少延時(shí)3 min的時(shí)間才能再啟動(dòng),；而壓縮機(jī)關(guān)閉之后，水泵也必須至少延時(shí)30 s再關(guān)閉,，從而通過(guò)水路循環(huán)帶走熱交換機(jī)中的余熱以冷卻機(jī)組,。作為一個(gè)符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的控制系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換控制的同時(shí)還要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各種安全檢測(cè),，例如冷媒壓力過(guò)高,、冷媒壓力偏低、電流過(guò)大,、水路沒(méi)有水流,、壓縮機(jī)溫度過(guò)高、水位探頭故障以及溫度探頭故障等,。如果系統(tǒng)探測(cè)到以上的安全警報(bào),，就會(huì)停機(jī)報(bào)警以保護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)作?？諝庠礋岜每照{(diào)的控制動(dòng)作轉(zhuǎn)換因此變得十分繁雜,。
    為了使系統(tǒng)對(duì)各個(gè)閥門(mén)的控制任務(wù)有序地實(shí)現(xiàn)，引入了輪詢(xún)法多任務(wù)調(diào)度的方法以及軟件定時(shí)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(xún)法多任務(wù)調(diào)度
    輪詢(xún)法多任務(wù)調(diào)度模仿了實(shí)時(shí)系統(tǒng)(Real-timeOperating System,，RTOS)的原理,。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)是，如果邏輯和時(shí)序出現(xiàn)偏差，將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的后果,，這一點(diǎn)與熱泵系統(tǒng)具有繁多任務(wù)的特點(diǎn)相符,。輪詢(xún)法多任務(wù)調(diào)度的宗旨是使各個(gè)任務(wù)盡快地執(zhí)行，不要求限定某一任務(wù)在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)完成,。輪詢(xún)法多任務(wù)調(diào)度中,，各個(gè)任務(wù)具有同樣的優(yōu)先級(jí)。允許一個(gè)任務(wù)優(yōu)先確認(rèn)一段時(shí)間,，然后切換給另一個(gè)任務(wù),。其中，時(shí)間段的計(jì)時(shí)由軟定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn),，具體實(shí)施方法如下,。
    在水箱控制器以及熱泵控制器中，包含多項(xiàng)子設(shè)備的控制,。該系統(tǒng)針對(duì)每個(gè)獨(dú)立子設(shè)備的控制設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的軟件控制模塊,，工程應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際需要裁剪所需的模塊組合，如圖12所示,。每個(gè)軟件功能模塊,，都采用狀態(tài)機(jī)的方式，每次運(yùn)行至某一個(gè)模塊,，如果該模塊的當(dāng)
前狀態(tài)未完成,，則切換至另一個(gè)模塊，直到下次切換回該模塊,，且當(dāng)前狀態(tài)完成,，才進(jìn)入下一狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。每個(gè)掛載在主程序中的功能模塊,，等于是程序中的任務(wù),，對(duì)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(wèn)題，所以給每個(gè)任務(wù)每一狀態(tài)分配的代碼執(zhí)行時(shí)間不長(zhǎng),，任務(wù)內(nèi)部也并不需要進(jìn)行占用資源較大的運(yùn)算等操作,。大多數(shù)時(shí)間任務(wù)處于延時(shí)等待狀態(tài)，因此,，當(dāng)某一任務(wù)進(jìn)入延時(shí)進(jìn)程中,，控制程序就可以去查詢(xún)執(zhí)行其他的任務(wù)，等延時(shí)完成再執(zhí)行該任務(wù)的處理程序即可,。由此可以實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)的任務(wù)循環(huán)切換,。功能模塊內(nèi)部狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖13所示,。

3．2．2 軟定時(shí)器算法的實(shí)現(xiàn)
    在該系統(tǒng)中，延時(shí)也是系統(tǒng)輸出的一個(gè)重要部分,。但是在傳統(tǒng)的延時(shí)算法里面,，大多是讓CPU執(zhí)行空語(yǔ)句，這樣非常浪費(fèi)系統(tǒng)資源,。這里采用單循環(huán)隊(duì)列定時(shí)器算法,。理論上可以把一個(gè)定時(shí)器擴(kuò)展成任意多個(gè)定時(shí)器，以滿(mǎn)足系統(tǒng)需求,。
    單循環(huán)隊(duì)列計(jì)時(shí)原理如下：
    可以通過(guò)聲明一個(gè)具有n個(gè)元素的數(shù)組來(lái)拓展得到n個(gè)軟件定時(shí)器,。同時(shí)，定義一個(gè)指向數(shù)組元素的循環(huán)計(jì)時(shí)隊(duì)列指針,。每當(dāng)定時(shí)中斷發(fā)生時(shí),，循環(huán)計(jì)時(shí)隊(duì)列指針?biāo)赶虻亩〞r(shí)器元素減1,，并且移向下一個(gè)元素,。當(dāng)某個(gè)元素(軟件定時(shí)器)的值減到0時(shí)，置位與該元素相應(yīng)的定時(shí)器標(biāo)志位,，以便在程序中查詢(xún)定時(shí)時(shí)間是否已到,。當(dāng)然，也可以在程序中通過(guò)查詢(xún)?cè)摂?shù)組元素是否為0來(lái)確定,。由上可見(jiàn)定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間計(jì)算如下：
    定時(shí)時(shí)間=中斷時(shí)間間隔×定時(shí)器元素?cái)?shù)量
    一個(gè)軟件定時(shí)器的簡(jiǎn)單例子如圖14所示,。

    該系統(tǒng)所采用的這種單循環(huán)隊(duì)列定時(shí)器算法，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,，而且每個(gè)計(jì)時(shí)周期只需進(jìn)行一次減法操作,，突破了硬件定時(shí)器中的數(shù)量限制。從系統(tǒng)資源占用的角度來(lái)看,，是最有效的定時(shí)器算法,。

4 系統(tǒng)抗干擾措施
    在該系統(tǒng)中，壓縮機(jī),、水泵,、外風(fēng)機(jī)等都是大功率強(qiáng)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(gè)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(hù)外環(huán)境,，容易受到環(huán)境因素的影響,，一個(gè)突出的影響來(lái)自雷電。因此,，增強(qiáng)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(guò)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(gè)電平區(qū)域，包括單片機(jī)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(jìn)行隔離,。
    另外,，該系統(tǒng)中采用了多種保護(hù)器件，包括自恢復(fù)保險(xiǎn)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(diǎn)是片內(nèi)A,、B引腳接有高能量順變干擾保護(hù)裝置，可以承受峰值為400 W的過(guò)壓順變,，因此能顯著提高器件的可靠性,。其驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)成限斜率方式輸出，使輸出信號(hào)邊沿不會(huì)過(guò)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(duì)一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場(chǎng),，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)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(cuò)誤處理和檢測(cè)機(jī)制,，也加強(qiáng)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(yǔ)
    基本完成了整個(gè)熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)RS 485或CAN通信實(shí)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(duì)機(jī)組外部環(huán)境的多種因素進(jìn)行探測(cè)，設(shè)計(jì)出一套根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換,，關(guān)機(jī)報(bào)警等動(dòng)作的可靠系統(tǒng),。輪詢(xún)法多任務(wù)調(diào)度以及軟件定時(shí)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(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)惡劣外部環(huán)境的適應(yīng)能力,。