基于单片机的水源热泵空调控制系统

基于单片机的水源热泵空调控制系统专 业 电气工程及其自动化 二零一三年六月摘要水源热泵技术是利用地球表面浅层水源中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。本文介绍了一款以STC12C5A60S2单片机为控制核心，包含温度采集模块、故障检测模块、时钟模块、人机接口模块、与开关量控制等模块组成的水源热泵空调控制器设计方案。通过对水源热泵机组的控制，实现了室内温度智能转换的基本功能，达到了可调节系统工作模式，设定时间温度等设计要求。 关键词: 单片机；水源热泵； 压缩机； PT100AbstractWater source heat pump technology is the use of the Earths surface in shallow water absorbs solar energy and geothermal energy and the formation of low-temperature low-energy resources, using heat pump principle, by a small amount of high energy input, low heat to achieve high heat transfer of a technology.This article describes a microcontroller core with STC12C5A60S2, including temperature acquisition module, fault detection module, clock module, human interface module, and switch control module consisting of water source heat pump controller design. Through the water source heat pump control unit, to achieve the conversion of the basic room temperature intelligence function, to the system working mode can be adjusted to set the time and temperature and other design requirements.Keyword: MCU；heat pump； Compressor； PT100目录第1章 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 水源热泵技术国内外研究现状21.3 水源热泵技术的基本原理和特点31.3.1 水源热泵技术基本原理31.3.2 水源热泵技术特点41.4 系统设计概述4第2章系统总体方案设计52.1总体方案设计52.2 方案的选择与论证62.2.1 CPU的选择62.2.2 按键模块72.2.3显示模块72.2.4温度采集模块82.2.5 时钟模块82.2.6 继电器输出模块9第3章 系统硬件电路设计113.1 微处理器113.1.1 STC单片机工作特性简介113.1.2 单片机内置A/D简介123.1.3 单片机硬件电路图123.2 温度采集电路133.2.1 PT100133.2.2 PT100的温度系数TCR133.2.3 PT100的接线方式及采样电路133.3 开关量采集153.4 开关量控制输出163.5 人机接口模块设计173.5.1 独立按键183.5.2 液晶显示器183.6 时钟模块设计203.6.1 DS1307的方波输出功能213.6.2 DS1307引脚介绍21第4章 软件控制系统设计234.1 软件编程设计234.2 系统流程图设计234.2.1 硬件初始化流程图244.2.2 程序主流程图244.2.3 温度采集及控制输出流程图264.2.4 报警电路流程图26第5章 水源热泵系统软硬件调试285.1 硬件调试285.2 软件调试285.3软硬联合调试285.4 总结29第6章 参考文献30致谢辞31附录一32附录二33第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义 20世纪70年代，世界能源结构已经经历了三次大转变，即从木柴转向煤炭由煤炭转向石油和天然气，继而又从以油、气为主的能源系统转向以可再生能源为基础的持久能源系统。据统计，目前全世界已经探明的煤炭、石油、天然气、油页岩等石化燃料资源的总量，大约只够人类使用100年。 目前在我国的能源构成中煤占70%以上，石油及天然气占25%，但能源利用率仅在30%以下。针对我国的能源紧缺、能源利用率低、能源浪费严重的现状，建设部于1996年下发建筑节能技术政策，明确今后我国建筑节能的任务是在保证使用功能、建筑质量和室内环境符合小康目标的前提下，采取各种有效的节能技术与管理措施降低新建房屋单位建筑面积能耗。同时对既有的建筑物进行有计划的节能改造，达到提高居住热舒适性、节约能源和改善环境的目的。 环境保护工作是摆在我们面前刻不容缓的一项重要工作。据资料估计全世界每年燃烧后排放到大气中的二氧化硫20万t,二氧化碳排放增长率达1.55ppm。资料表明：大气中二氧化碳每增长一倍就会使低层大气层年平均温度升1.5-3。在我国，每年仅建筑用能采暖燃煤就要排放二氧化碳达1.9t,排放二氧化硫达300t,排放烟尘300t左右。 随着改革开放不断向纵深发展,传统的供热方式受到不同程度的冲击。由于旧的供热体制受计划经济的约束,在国家能源政策、管理体制、收费体制、供热质量、物业管理等方面尚存在一些弊端，不适市场经济发展的要求，制约了经济的发展，同时也带来了一些社会问题。综上所述，由于节能、环境保护的需要及供热空调逐步走向市场化、商业化，供热空调方式向多元化发展，出现了诸如油炉采暖、燃气采暖、电采暖及水源热泵技术的开发研制、应用这一百花齐放的局面 。水源热泵机组以水为载体，冬季采集来自湖水、河水、地下水及地热尾水，甚至工业废水、污水的低品位热能，借助热泵系统，通过消耗部分电能，将所取得的能量供给室内取暖。在夏季，把室内的热量取出，释放到水中，以达到夏季空调的目的。该机组具有设计标准、选择优良、操作简便、安全可靠等优点。1.2 水源热泵技术国内外研究现状在国外，关于热泵的研究分属于两种热泵系统: 一种为地源热泵，一种为海水热泵。其中地源热泵真正意义的商业应用也只有近十几年的历史，但发展相当迅速。美国每年安装40万台地源热泵，其中，水源热泵占15%，降低温室气体排放100万t，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植树公顷，年节约能源费用达4.2亿美元。与美国的地源热泵发展有所不同，中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源，地下土壤埋盘管(埋深400m深)的地源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1996年的统计，在家用的供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。同时，中、北欧海水源热泵的研究和应用也比较多。中国最早在50年代，就曾在上海、天津等地尝试夏取冬灌的方式抽取地下水制冷，天津大学热能研究所吕灿仁教授就开展了我国热泵的最早研究，1965年研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。 目前，清华大学、天津大学、重庆建筑大学、天津商学院、中国科学院广州能源研究所等多家大学和研究机构都在对水源热泵进行研究。中国的水源热泵的研究和应用才刚刚起步，与国外相比，在热泵机组的优化设计和工程应用上还存在较大差距。 目前，世界特别看好中国的市场。美国能源部和科技部已签署了中美能源效率及可再生能源合议定书，其中主要内容之一是“地源热泵”，该项目中国的北京、杭州和广州3个城市各建一座采用源热泵供暖空调的商业建筑，以推广运用这种“绿技术”，缓解中国对煤炭和石油的依赖程度，从而达到能源资源多元化的目的。在未来的几年中，中国面临着巨大的能源压力。一方面，中国的经济要保持较高速度的增长;另一方面，又必须考虑环保和可持续发展问题。所以要求提高能源利用效率，要求能源结构调整。能源利用效率提高，会鼓励各种节能设备和技术的推广，能源结构调整的方向就是以煤为主转为以电为主。在中国的能源消耗中，建筑耗能的比例相当高。为了适应市场要求和参加国际竞争力，我们必须加快中国品牌的水源热泵的产业化研究开发。1.3 水源热泵技术的基本原理和特点1.3.1 水源热泵技术基本原理所谓热泵，就是一种利用人工技术将低温热能转换为高温热能而达到供热效果的机械装置。热泵由低温热源（如周围环境的自然空气、地下水、河水、海水、污水等）吸热能，然后转换为较高温热源释放至所需的空间（或其它区域）内。这种装置即可用作供热采暖设备，又可用作制冷降温设备，从而达到一机两用的目的。热泵机组的能量转换，是利用其压缩机的作用，通过消耗一定的辅助能量（如电能），在压缩机和换热系统内循环的制冷剂的共同作用下，由环境热源（如水、空气）中吸取较低温热能，然后转换为较高温热能释放至循环介质（如水、空气）中成为高温热源输出。在此因压缩机的运转做工而消耗了电能，压缩机的运转使不断循环的制冷剂在不同的系统中产生的不同的变化状态和不同的效果（即蒸发吸热和冷凝放热），从而达到了回收低温热源制取高温热源的作用和目的。水源热泵工作原理图如图11所示。图1.1 水源热泵工作原理图1.3.2 水源热泵技术特点 1 环保效益显著水源热泵是利用了地表水作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排烟污染。供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音及霉菌污染，不产生任何废渣、废水、废气和烟尘。 2 运行稳定可靠水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动，是很好的空调热源和空调冷源。水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点间题。 3 一机多用，应用范围广水源热泵系统可供暖、空调，一机多用，一套系统可以替换原来的锅护加空调的两套装置或系统。 4 自动运行水源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低。自动控制程度高，使用寿命长可达到15年以上。1.4 系统设计概述本设计的设计任务是设计一套由微控制器、液晶显示器、温度传感器、交流接触器等其他电控设备控制的水源热泵控制系统。水源热泵控制系统适用于带循环泵，井水泵、压缩机组成制冷/制热系统组成水源热泵冷热水中央空调系统。本设计主要实现了以下功能：能够实时监测故障，当有故障发生时系统停止运行，排除故障后继续运行。能够完成手动控制系统工作模式的转换，温度的设定及更改，实现室内温度的智能转换等。第2章系统总体方案设计2.1总体方案设计水源热泵空调系统主要由压缩机、四通阀、室外井水循环泵（简称井水泵）、室内负荷循环泵（简称循环泵）组成。压缩机起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用, 是热泵系统的心脏。四通阀开关的切换可以使系统进行制冷制热的转换。井水泵与循环泵起着水循环的作用，是系统的动力系统。压缩机对消耗的功(电能) 起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境中吸热, 并向高温环境散热。本设计以微控制器为核心，外围电路可以分为温度采集模块、故障检测模块、时钟模块、人机接口模块与开关量控制模块等。人机接口模块包括按键输入和LCD液晶显示，微控制器负责整个系统的数据处理，人机交互等。基于上述工作原理和控制思路，水源热泵空调系统控制器需配置以下检测与控制接口：6路温度传感器输入：1路空调循环回水温度、1路空调循环出水温度、1路井水回水温度、1路井水进水温度、1路室外环境温度、1路室内环境温度；3路保护口输入：1路空调循环水流开关、1路井水水流开关、1路压缩机高/低压保护；6路继电器输出：1路空调循环泵、1路冷却井水泵、1路热泵压缩机、1路电加热、1路冷却井水泵加引水、1路制冷/制热转换（四通阀切换）；总体设计框图如图2.1所示。时钟模块继电器输出模块微控制器温度检测模块 液晶显示模块故障检测模块蜂鸣器报警按键输入 图2.1系统总体框图2.2 方案的选择与论证2.2.1 CPU的选择单片机（CPU）是本系统工作核心，它的选择不仅关系到系统的工作效率，同时也为系统的工作提供可靠的保障，因此CPU的选择是系统的关键所在。常见的单片机有MSP430，51系列的STC12C5A60S2，AVR系列的ATMEGA16，PIC系列的PIC16F877。以下比较两种方案。方案一：STC12C5A60S2是STC宏晶公司生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。方案二：MSP430单片机是美国德州仪器生产的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。MSP430单片机具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富等特点，而且还具有方便高效的开发环境。由于本系统对功耗的要求不高，且从系统软件设计方面考虑采用STC12C5A60S2单片机，选择方案一。2.2.2 按键模块本系统按键模块主要功能就是通过按键设置温度，调节温度，确定工作模式等。常用的按键有独立按键，矩阵式键盘，固有以下选择方案：方案一：采用矩阵键盘接口设计。采用常用的扫描法对键盘进行识别。采用扫描法的优点很显著，在需要按键多的场合很实用，缺点是由于需要不断的扫描，所以这种设计容易消耗较多的系统资源。方案二：采用独立键盘接口设计。每个按键需要占用一根输入口线占用一个I/O口，独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，编程较容易。在需要按键较少或者操作速度较高的场合，或获得较好的效果。由于考虑到本设计仅需要四个按键，系统使用的单片机有较多的I/O，所以选择方案二。2.2.3显示模块本系统的显示模块主要是为了操作员显示一些基本信息，以及一些采集的参数和报警信息等。常用的显示器件有数码管，液晶显示器，点阵等。以下比较两种方案：方案一：采用传统的数码管作为显示设备。传统数码管具有亮度高、体积小、重量轻、低能耗、低功耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、放高（低）温的特点；对外界环境要求低，易于保护；同时其精度比较高，精确可靠，操作简单，程序编写容易，但是只能显示数字信息，使用时受到限制。方案二:采用液晶显示屏（LCD）显示温度和指令。液晶显示器具有轻薄短小、功耗低、无辐射危险、平面直角显示以及影像稳定等优势，液晶显示屏（LCD）具有可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强，显示内容多，字码显示柔和，串行通信，利用的I/O口少等特点。因此，只要一块液晶显示器就可以显示设计要求的全部内容。此外，液晶显示器有着良好的人机界面，控制也不是太复杂。编制易懂的中文分级菜单界面，人机交互行非常好使人一目了然。综合考虑上述因素，我们采用方案二，用液晶显示屏（LCD）进行显示。2.2.4温度采集模块温度采集模块是本系统的核心模块，它涉及到系统的各个方面，选择一个合适的温度传感器对系统的稳定性，实用性有着至关重要的作用。本系统需要采集六路温度，分别是室内温度，室外温度，井水进水温度，井水回水温度，循环进水温度，循环回水温度，温度采集范围一般在-20100。常用的温度传感器有DS18B20，铂电阻传感器，热敏电阻传感器，热电偶传感器等。以下比较两种方案：方案一：采用PT100温度传感器，PT100又叫铂电阻，热电阻。铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器,其温度系数为0.0039/，0时电阻值为100，电阻变化率为0.3851/。采用不锈钢外壳封装，内部填充导热材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧，适用于精密仪器、恒温设备、流体管道等温度的测量，非常经济实用。PT100温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200400）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计。方案二：采用DS18B20芯片。美国dallas公司推出的DS18B20数字式温度传感器与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单地变成实现9-12位的数字值读数方式，可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化为9位和12位的数字量。因而使用DS18B20可使系统结构更简单，可靠性更高。芯片的耗电量很小，从总线上得一点电储存在片内的电容中就可以正常工作，一般不用另加电源。DS18B20在检测点已经把被测信号数字化了，因此在单总线上出送的是数字信号，这使得系统的抗干扰性好，可靠性高，传送距离远。综上所述，由于本系统需要采集六路温度信号，且要检测水流温度，综合比较下采用PT100温度传感器。2.2.5 时钟模块本系统采用的时钟芯片要能显示出时、分、秒、年、月、日。在系统中需要根据时间来设定温度的大小，压缩机的启动与停止等。常见的时钟芯片有DS1307，DS12877,PCF8483，SB2068等。以下比较两种方案：方案一：PCF8583是PHILIPS公司制造的带有2568bitRAM的8引脚日历/时钟芯片,采用IIC两线串行总线接口,内含完整的振荡,分频,上电复位电路,并具备计时,日历,定时,闹钟和中断输出功能。数据保持和时钟工作电压16V,总线工作电压2.56V；采用8脚DIP或SO封装形式;内有振荡器,分频器和上电复位电路,可使用32.768Hz石英晶振或外部50Hz时钟;片内字节地址读写后自动加1;可用作定时器或计数器。方案二：DS1307是美国DALLAS公司生产的一款低功耗，具有56字节非失性RAM的全BCD码时钟日历实时时钟芯片，地址和数据通过两线双向的串行总线的传输，芯片可以提供秒，分，小时等信息，每一个月的天数能自动调整。并且有闰年补偿功能。AM/PM 标志位决定时钟工作于24小时或12小时模式，芯片有一个内置的电源感应电路，具有掉电检测和电池切换功能。 综上所述，从经济型，实用性，方便性等方面分析，本系统采用时钟模块DS1307，选择方案二。2.2.6 继电器输出模块输出模块在本系统中起着弱电控制强电的作用，本系统中有六路输出，分别是进水泵，循环泵，压缩机，四通阀，电加热，和加引水。常用的输出模块有固态继电器，电磁式继电器，晶闸管控制输出。有以下选择方案：方案一：固态继电器输出。固态继电器是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。固态继电器具有以下特点：（1）高寿命，高可靠：固态继电器没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，由于没有运动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。（2）灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好：固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。（3）快速转换：固态继电器因为采用固体器件，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。（4）电磁干扰小：固态继电器没有输入“线圈”，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。但是固态继电器有残留输出电压1-1.6V，输出的只能是直流或者交流，不能兼容；通常需要散热片；不能用小输出信号；存在漏电流；且只有单一触点。方案二：电磁继电器输出。电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流，较低的电压去控制较大电流。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。它的优点有：有较低的残留输出电压，不需要散热片，价格便宜，可以提供多组触点和常开常闭触点，无漏电流，可接交直流负载等。综上所述，由于固态继电器稳定性较差，而本系统需要稳定输出，故采用方案二电磁继电器输出。第3章 系统硬件电路设计3.1 微处理器本系统采用的微处理器是宏晶公司生产的STC12C5A60S2单片机。它是单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机。3.1.1 STC单片机工作特性简介1. 增强型 8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统80512. 工作电压：5.5V - 3.5V（5V单片机）3. 通用I/O口，复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏。每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA4ISP（在系统可编程）/ IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器。可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片5. 有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)6. 内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）7.时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为5% 到10% 以内)用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C 振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部R/C 振荡器频率为：5.0V 单片机为： 11MHz 17MHz3.3V 单片机为： 8MHz 12MHz精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准8.共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器9.3个时钟输出口，可由T0的溢出，P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出，在P3.5/T1输出时钟,独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟10.PWM(2路）/ PCA（可编程计数器阵列,2路）， 也可用来当2路D/A使用，也可用来再实现2个定时器，也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)11.A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)12.通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口3.1.2 单片机内置A/D简介STC12C5A60S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口，有8路10位高速A/D转换器，速度可达到250KHz（25万次/秒）。8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型IO口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不须作为A/D使用的口可继续作为IO口使用。单片机ADC由多路开关、比较器、逐次比较寄存器、10位DAC、转换结果寄存器以及ADC_CONTER构成。该单片机的ADC是逐次比较型ADC。主次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位（MSB）开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。需作为AD使用的口先将P1ASF特殊功能寄存器中的相应位置为1，将相应的口设置为模拟功能。3.1.3 单片机硬件电路图STC12C5A60S2单片机硬件电路图如图3.1所示。图3.1 单片机硬件电路图3.2 温度采集电路3.2.1 PT100本系统采用的温度传感器是PT100。PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50600范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将PT电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。3.2.2 PT100的温度系数TCR按IEC751国际标准， 温度系数TCR=0.，Pt100（RB0B=100）、Pt1000（RB0B=1000）为统一设计型铂电阻。TCR=(RB100B-RB0B)/ (RB0B100)。表3.1 PT100标准电阻值3.2.3 PT100的接线方式及采样电路 常用的PT电阻接法有三线制和两线制。对于二线制接法来讲，传感器电阻变化值与连接导线电阻值共同构成传感器的输出值，由于导线电阻带来的附加误差使实际测量值偏高，用于测量精度要求不高的场合，并且导线的长度不宜过长。三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。 常用的采样电路有两种：一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。本系统采用的采样电路是恒流源测温电路。恒流源测温电路原理图如图3.2所示。图3.2 恒流源测温电路原理图测温原理：电路采用TL431和电位器R3调节产生2.38V的参考电源，通过运放U1A将基准电压2.38V转换为恒流源，电流流过PT100时在其上产生压降，再通过运放U1B将该微弱压降信号放大（图中放大倍数为10），即输出期望的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。 根据虚地概念“工作于线性范围内的理想运放的两个输入端同电位”，运放U1A的“+”端和“-”端电位V+V-2.38V；假设运放U1A的输出脚14对地电压为Vo，根据虚断概念，（0-V-）/R11+（Vo-V-）/RPt1000，因此电阻PT100上的压降VPt100Vo-V-V-*RPt100/R11，因V-和R11均不变，因此图3.2中PT100左侧的电路等效为一个恒流源流过一个Pt100电阻，电流大小为V- /R11，Pt100上的压降仅和其自身变化的电阻值有关。本系统采用单片机内置的AD转换器进行模数转换，其电压范围一般在05V，而PT100在本系统中需要采集的温度范围是-20100，本系统中设定PT100在-20时对应AD端口模拟电压为0V，在100时对应AD端口模拟电压为2.5V，计算公式为：（X+20）/120*2.5=Y；X为当前温度，Y为当前温度所对应电压值。通过运放U1C完成一个减法器，使PT100在-20时，输出为0V。在100时，输出为2.5V。其运算公式为：UOUT=(UI-1.09)*5.4;UOUT为输出电压，UI为经过运放U1B放大后输出电压由于STC12C5A60S2单片机内置A/D有10位分辨率，根据系统的电压设定V基=2.5V则模拟电压转换成数字电压后的分度值为V基/1023,模拟电压信号V0与转换后的数字电压V1关系为：V1=V0*1023/V基恒流源电流可以根据欧姆定律得：I=VR/R12=1.19mA, VR 稳压管电压，为2.38v，R12=2000，铂电阻的阻值R0= V0/I，由R0值对照铂电阻阻值和温度变化表即可得到当前的温度值。PT100热电阻分度表见附录二。3.3 开关量采集为保证热泵工作的安全性，特别是机械装置的安全性，本系统中引入开关量检测电路。开关量采集电路采集的开关信号直接作为水泵的启动与停止控制条件。系统中引入3路开关量采集，分别采集室外水是否正常循环、室内水是否正常循环和压缩机是否正常工作。只要有一路开关量检测到故障，则系统停止运行，并提示相应故障，发出报警。到下一次重启之前，相应水泵不再工作，以达到保护机械装置的目的。运行过程中实时检测循环水流、井水水流、压缩机高/低压保护，此三路信号在系统中都是以开关量的形式采集的，由独立电源供+12V电，开关串接光电耦合器，信号送至单片机I/O口，内部程序实时检测，并结合当前系统的工作状态调用不同的逻辑处理程序，得出相应的输出结果。三路开关量检测只有在系统处于运行状态时才有意义，所以，系统待机期间、以及房间温度不满足启动条件时，此信号不予检测。而且，也不作为开机条件判断。只有当系统处于开机运行状态时才对这三路信号进行检测，系统开机时，在启动过程中，启动井水泵后井水水流开关可能由于没有抽上水而长时间不闭合，这时要继续运行井水泵和循环泵，若2分钟后井水水流开关仍没有接通，则需要自动接通“加引水”控制输出5秒钟，用于给井水泵加引水，若10分钟后仍不能接通井水水流开关，则停止井水泵、循环泵的运行，并显示“井水故障”等故障提示。只要是正常开机后发生的故障停机，到重新上电之前，系统不再以任何原因方式再次此运行。这是通过系统中多个标志位配合完成的，检修过后，故障排除，重新给系统上电方能使系统重新运行。开关量信号采集电路如图3.3所示，当被检测部件正常工作时，它的被动机械开关就会将右侧回路导通，从而使得单片机I/O口为低电平。这3路开关量采集模块由+12V供电，经过光电耦合器完成电磁隔离以及电平匹配，既能有效保证半导体器件不被击穿，又能有效滤除高频扰动信号，防止系统误动作。图3.3 开关量采集电路3.4 开关量控制输出 开关量输出主要包括水泵启停控制、压缩机开关控制、压缩机自加热控制、井水加引水控制，四通阀控制，报警电路控制。本系统采用的控制输出模块是电磁继电器。它有较低的残留输出电压，不需要散热片，价格便宜，可以提供多组触点和常开常闭触点，无漏电流，实用性强，输出稳定，可接交直流负载等。由于压缩机自加热控制以及井水加引水控制硬件与水泵控制硬件图完全一致。现以水泵的起停控制为例说明水源热泵的开关量输出，如图3.4所示。报警电路输出如图3.5所示。水泵启停控制，单片机通过I/O口输出开关信号，通过光电耦合驱动继电器以控制水泵的启停。电路左半部分是起到电磁隔离的作用，通过三极管驱动继电器线圈，IN4007是续流二极管，可将线圈电压钳位到其导通电压，主要是防止线圈断电时候的感生过电压击穿其他电路器件。图3.4 室内井水水泵开关量输出原理图故障报警电路如图3.5所示图3.5 故障报警电路3.5 人机接口模块设计本系统的人机接口模块包括按键输入和12864大小的液晶显示。3.5.1 独立按键按键模块有四个独立按键组成，分别代表设置按键、确定按键、加1按键、减1按键。加减键连接在单片机的普通I/O口上，设置按键接在P3.3口上，即接在外部中断1上，确定按键接在P3.2上，即外部中断0上。开机后如果需要调节温度则按下设置按键，程序进入外部中断1，然后进行温度的加减，确定后按下确定按键，程序进入外部中断0，通过设置标志位使程序进入主程序。3.5.2 液晶显示器液晶显示器可以通过简单程序编写显示出丰富的界面，方便操作人员进行操作。带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与数码管显示模块相比，硬件电路结构或显示程序都要简洁的多。其具有以下基本特性：（1）低电源电压（VDD+3.0+5.5V）（2）显示分辨率:12864点 （3）内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字(简繁体可选)（4）内置 128个168点阵字符 （5）2MHZ时钟频率 （6）显示方式：STN、半透、正显 （7）驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS （8）视角方向：6点 （9）背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10 （10）通讯方式：串行、并口可选 （11）内置DC-DC转换电路，无需外加负压 （12）无需片选信号，简化软件设计（13）工作温度: 0 - +55 ,存储温度: -20 - +60管脚说明如表3.3所示。表3.3 管脚说明管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC3.0+5V电源正3V0-对比度（亮度）调整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7DB0为显示数据RS=“L”,表示DB7DB0为显示指令数据5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的数据被写到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信号7-14DB0-DB7H/L三态数据线15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式16NC-空脚17/RESETH/L复位端，低电平有效18VOUT-LCD驱动电压输出端19AVDD背光源正端（+5V）20KVSS背光源负端本系统采用的液晶显示器接法为串行接法，占用较少单片机I/O口，变成较为简单，方便。独立按键与液晶显示器原理图如图3.6和图3.7所示。图3.6 独立按键原理图图3.7 液晶显示原理图3.6 时钟模块设计本系统的时钟模块采用的是美国DALLAS 公司生产的DS1307。DS1307的主要特点是低功耗、两线制串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关掉充电功能。采用普通的32.768KHZ晶振。它提供秒、分、小时、星期、日期、月和年等时钟日历数据。另外它还集成了如下几点功能： （1）56 字节掉电时电池保持的NV SRAM 数据存储器 （2）可编程的方波信号输出（3）掉电检测和自动切换电池供电模式3.6.1 DS1307的方波输出功能方波信号输出功能从SQW/OUT 引脚输出设置频率的方波，CONTROL 寄存器用于控制SQW/OUT 脚的输出，其地址为07，每位的内容如表3.4。表3.4 CONTROL寄存器位BIT7（OUT）：此位表示在方波输出被禁止时（BIT4=0），SQW/OUT引脚的逻辑电平，在BIT4=0(SQWE=0方波输出禁止)时，若BIT7（OUT）为1则SQL/OUT引脚为高电平，反之亦然。BIT4(SQWE)方波输出允许/禁止控制位，SQWE=1允许方波输出（有效）；BIT4=0禁止方波输出。BIT0(RS0)、BIT1（RS1）与设定输出波形的频率，如表35。表3.5 CONTROL寄存器说明由于DS1307的方波输出脚为集电极开路，故要在外部加上上拉电阻。3.6.2 DS1307引脚介绍DS1307引脚功能及引脚图如图3.9所示。图3.9 DS1307引脚图及功能介绍与单片机连接电路图如图3.10所示。图3.10 DS1307接口原理图第4章 软件控制系统设计4.1 软件编程设计在单片机控制系统中，软件的重要性与硬件同等重要。硬件是躯体，软件是灵魂，但系统的硬件电路确定之后，系统的主要功能还要靠软件来实现，而且软件的设计很大程度上决定了系统的性能。整体数据处理在这里起到承上启下的作用，是单片机采集的各个模块的数据，进行统筹判断，按一定逻辑、一定顺序，分别执行各个程序模块。具体地说，程序经检测传感器传输的数据，得到相应逻辑。外部输入信号整体采集完成，只要进行算法比对，得到所需运行结果输出即可。通过按键扫描，切换相应界面，设置温度，工作模式等。本系统的软件设计采用功能强大的C语音编程，利用单片机及其外围电路实现其功能，开发软件是常用的Keil uVision4编程软件，该软件调试简单，编程方便，能跟踪程序的执行，方正的功能，极大地为我们的调试提供了便利，而C语言功能丰富，表达能力强，目标程序效率高，可移植性好，即具有高级语言的优点，又具有低级语言的许多特点，两者的完美结合，很好的实现了软件功能。4.2 系统流程图设计为了实现水源热泵空调的功能,软件可划分为:功能操作模块及系统错误检测模块。系统功能操作模块的主要功能是:为系统与操作人员之间提供友好的交互界面,对系统进行有效的管理。因此该功能模块为水源热泵空调控制系统的核心部分。主功能管理模块主要包括LCD实时显示模块、PT100温度检测模块、温度设定模块、开关量输出模块、日历时钟显示功能模块。系统错检测模块主要包括蜂鸣器报警模块，开关量采集模块。系统初始化包括硬件初始化和软件流程，硬件初始化主要对系统各个模块进行初始化操作，软件初始化主要对温度传感器进行初始化，防止检测数据检测不正确。4.2.1 硬件初始化流程图系统开始运行后，首先要对系统所有硬件模块进行初始化，硬件初始化流程图如图4.1 所示。图4.1 硬件初始化流程图DS1307初始化中设置系统初始时间以及年月日，同时可以从单片机中将初始化信息发送到DS1307中，使其开始正常工作。EEPROM中主要存储了系统上次设置的温度，以及工作模式，初始化单片机内置的EEPROM使其工作。中断初始化是为了打开中断，一边操作按键。液晶初始化将LCD的一些命令进行设置，例如开光标、清屏等指令。4.2.2 程序主流程图主流程图如图4.2所示图4.2 系统主流程图程序流程图说明：Pump_four：四通阀开关，1为制热，0为制冷。Stream_well：井水水流检测，1为正常，0为故障。Stream_round：循环水流检测，1为正常，0为故障。Engine_check：压缩机保护监测，1为正常，0为故障。程序运行说明：当系统一上电运行时，首次检测四通阀的开关状态，确定系统的工作模式（制冷或者制热，在这两种状态下系统工作情况大致形同，现以制热状态为例简述工作运行情况），如果Pump_four=1，即系统处于制热模式，要先启动井水泵，等两分钟后检测井水水流开关状态（即Stream_well是1还是0），如果检测开关是关闭的则需要启动加引水装置，等5分钟后关闭加引水，再检测水流开关状态，如果开关打开则启动循环泵，如果还是关闭状态，则继续加引水，如此反复检测五次，若果开关状态还是关闭的则在液晶显示屏上显示“井水故障”，同时蜂鸣器发出报警。五次检测中只要有一次开关状态打开，则启动循环泵。等五秒钟后检测循环水流快关（即Stream_round是1还是0），开关关闭则在液晶显示屏显示循环泵故障，同时发出报警；开关打开，则检测压缩机保护开关。保护开关如果是关闭的则在液晶显示屏上显示“压缩机故障“，同时蜂鸣器发出报警；保护开关打开则判断系统是否满足压缩机启动条件，如果满足则启动压缩机，如果不满足，则压缩机不动作。4.2.3 温度采集及控制输出流程图温度采集及控制输出流程图如图3.4所示。图4.3 温度采集及控制输出流程图系统上电后，单片机首先判断系统工作模式，在制热模式习下，根据温度传感器传输过来时温度参数判断是否满足电加热的条件，如果满足则启动电加热开关，不满足则继续判断是否满足压缩机启动条件，满足则启动压缩机，反之压缩机不动作。在制冷模式下则不需要判断电加热条件，直接进行压缩机启动条件判断，满足启动，反之不动作。4.2.4 报警电路流程图报警电路流程图如图4.4所示图4.4 报警电路流程图程序运行中实时监测系统的三路保护，分别是井水水流检测保护，循环水流检测保护，压缩机故障保护。当有一路保护出现错误是就报警，同时停止故障所有水泵以及压缩机的运行，直至故障排除才重新启动系统。第5章 水源热泵系统软硬件调试根据方案设计的要求，测试过程共分为三大部分：硬件调试、软件调试和软硬件联合调试。电路按模块调试，各模块逐个调通后，再进行联合调试。先调试好单片机主控芯片,确保单片机最小系统电路正常工作后，再与其它硬件系统联合调试。5.1 硬件调试硬件调试，查看硬件模块电路的连线是否与逻辑图一致，用万用表检测有无短路或断路现象，器件的规格、极性、电阻选择的大小是否有误。检查完毕，用万用表测量一下电路板正负电源端之间的电阻，排除电源短路的可能性。电源模块通电后，在万用表输出端测量能否得到5V直流电压，如果不能输出5V直流电压则检查电路直至能够调节输出。5.2 软件调试本系统的软件调试因STC12C5A60S2核心模块的使用而变得相对容易，Keil软件开发环境，能判断语法差错和逻辑差错，判断程序无误后，可以直接通过STC_ISP_V480软件烧录到单片机中进行调试。5.3软硬联合调试在软件和硬件都基本调通的情况下，进行系统的软硬件联合调试。按照由上向下，模块化设计的理念对模块逐个调试：首先，通过ISP在线下载，使写好的程序能够正常地下载到单片机里，接着单独调试LCD液晶模块，DS1302模块，并单独为各个模块写调试程序，为最后整个系统的整合打下良好的基础。5.4 总结本论文用51系列的STC12C5A60S2单片机做成水源热泵空调温度控制器，通过温度采集，CPU控制，然后通过LCD液晶显示，开关量检测，开关量输出等一系列硬件功能和软件功能，共同完成温度的智能控制。由于MCS-51单片机技术成熟，应用广泛，而且比其他单片机简单,通过此单片机做成的水源热泵空调温度控制器成本低廉，操作简便，有一定的实用性。本论文设计系统从硬件和软件两方面对地下水源热泵的控制部分进行讨论，着重于热泵的温度采集和开光量输入输出模块的分析，目的是以价格低廉的控制器替代昂贵的控制系统或者人工控制系统，实现性价比高、功能多、抗扰能力强、实时好的人性化控制，以便满足更多用户的实际需要。通过本次毕业设计我收获很多，当自己拿到一个题目，要全面的分析它的设计要求，完成它的软硬件设计，综合考虑设计的可操作性。我还在本次设计中学到了一些工程设计的思想，这得益于老师的指导。这将会为后来的学习、工作带来方便。在本次设计中采用模块化设计，这为设计减少了很大难度，也为调试带来方便。这一思想是至关重要的，将会为后来从事本专业的工作带来极大方便。第6章 参考文献1陈海宴 51单片机原理及应用基于keil C与Proteus 北京航空航天大学出版社 2010.2陈桂友 增强型8051单片机使用开发技术 北京航空航天大学出版社 2010.3严天峰 单片机应用系统设计与仿真调试 航空航天大学出版社 2005 4李莉 C语言程序设计教程 科学出版社. 20075何利民 MCS一51系列单片机应用系统设计 北京航空航天大学出版社，19926徐科军 传感器与检测技术 电子工业出版社 20087侯玉宝 基于Proteus的51系列单片机设计与仿真 电子工业出版社 20088陈晓鸽 昂军 胡仁喜 Protel99SE标准实例教程 机械工业出版社 20109刘坤 高征 Protel99SE电路设计实例教程 清华大学出版社 200810黎小桃 刘祖明 周福明 Protel99SE入门与提高 电子工业出版社 200911Bjame W.Olesen,Eric Michel. Heat Exchange Coefficient Between Floor Surface and Space by Floor Cooling-Theory or a Question of Defintion.ASHRAE Transaction:Symposia DA-00-8-2 12M.Maroni,B Seifert.T Lindball.Indoor Air Quality M.Netherland: Elsevier Science B V 1995致谢辞毕业设计暂告收尾，这也意味着我在大学学习生活即将结束。回首既往，自己一生的最宝贵时光能在这样的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实事荣幸之至。在这四年的时间里，我在学习上和思想上都受益匪浅。这除了自身努力之外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在这里,我首先要感谢指导老师，为我们提供了一个良好的学习平台。没有像老师这样奉献的工作者，我们就少了一个积累途径。在做毕业设计的过程中，刚开始时我的设计思路很混乱，可以说是无从下手，经过姚老师的耐心讲解，终于确定的设计方向与思路。在这几个多月的时间里我积极收集资料，消化、吸收。学到了很多东西，并且耐心的调试，现在毕业设计已基本完成。同时也感谢学校对毕业生的关心，为我们提供良好的学习环境。感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的老师和同学，以及在设计中被我引用或参考的著作的作者。将以更加务实态度对待工作和学习，以此感谢。附录一附录二PT100热电阻分度表温度 0123456789电阻值（）-40-30-20-10084.2788.2292.1696.09100.0083.8787.8391.7795.6999.6183.4887.4391.3795.3099.2283.0887.0490.9894.9198.8382.6986.6490.5994.5298.4482.2986.2590.1994.12