太阳能及空气源热泵热水器智能控制系统.doc

太阳能及空气源热泵热水器智能

控制系统技术说明

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目录
第一章 系统介绍 - 1 -
1.1 控制系统简介 - 1 -
1.1.1 控制系统设计背景 - 1 -
1.1.2 控制系统工作形式 - 1 -
1.2 系统实现的主要功能 - 2 -
1.2.1 系统的基本功能 - 2 -
1.2.2 系统的增强功能 - 3 -
第二章 智能控制、监测系统 - 3 -
2.1技术领域 - 3 -
2.1.1 控制系统技术领域 - 3 -
2.1.2 监控系统技术领域 - 4 -
2.2控制、监控系统的技术背景 - 4 -
2.2.1 控制系统技术背景 - 4 -
2.2.2 监控系统技术背景 - 5 -
2.3控制、监控系统的设计内容 - 6 -
2.3.1 控制系统的设计内容 - 6 -
2.3.2 监控系统的设计内容 - 7 -
2.4 控制、监控系统具体实施的方式 - 8 -
2.4.1 控制系统具体实施的方式 - 8 -
2.4.2 监控系统具体实施的方式 - 11 -
附件 系统各界面图片 - 15 -
附件A 下位机监测界面图 - 15 -
附件B 下位机控制及设置界面图 - 15 -
附件C 下位机STM32控制器主板电路图 - 16 -
附件D 下位机STM32控制器实物图 - 17 -

第一章 系统介绍

1.1 控制系统简介

1.1.1 控制系统设计背景
随着经济发展和科技的进步，能源和环境是当今世界突出的两大社会问题，这促使人们更多地意识到能源对人类的重要性，而愈来愈重视太阳能利用和节能热泵技术。太阳能工程热利用是新兴的产业，是现代控制技术和最新太阳能热利用技术相结合的产物。与家用太阳能热水器相比，大型太阳能热水工程能够在更大规模和应用领域中发挥绿色能源的突出特点。“热泵”是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低位热能，经过热泵做功，输出高位热能的设备，是一种节能、环保、清洁的采暖制冷和热水设备，是全世界倍受关注的新能源技术。随着人们对获取生活用热水的要求日趋提高，具有间断性特点的太阳能难以满足全天候供热。要解决这一问题，热泵技术与太阳能利用相结合无疑是一种好的选择方法。
随着热水器系统的不断发展，超大采光面积、大吨位储水箱的大型太阳能热水工程有着越来越多的使用。目前市场上大型太阳能热水工程的控制系统大部分只具有温度和水位显示功能，而且分段显示，对温度的控制即使具有辅助加热功能，由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费大量的电能。

1.1.2 控制系统工作形式
此系统以太阳能热水器作为主要热源，空气源热泵热水器为辅助加热设备，对它们进行微电脑智能化联动控制，以达到太阳能和空气能互补的目的，并开发远程监控软件，在监控室的计算机上能实时了解显示热水器的工作状态，并对其进行控制。该系统能满足阴雨天及冬季使用热水的要求，确保365天全天候全自动供应足量热水，控制系统以ST公司的STM32 ARM处理器为检测控制核心，具有结构简单，成本低，功能实用，使用方便等优点，实现了对水温、水温的连续测量与显示，上水与电辅热的自动控制。根据系统时钟分时段上水与电辅热，大大提高了太阳能的利用率，节约了电能。STM32处理器通过以太网通信模块和网线与监控室的计算机通信上。监控计算机可对工程现场的水位、水温、冷、热水流量信号进行实时监测、实时显示，可对现场的电加热、电磁阀和水泵等进行自动控制；还可对以上各种参数和控制设备进行远程监控及自动故障诊断；广泛应用于企事业单位、工农业、学校、医院、酒店、房地产、运动场馆等集体供热水系统。随着国家节能减排措施力度不断加大，该系统在太阳能热水的开发利用在社会经济发展具有越来越广阔的前景。

1.2 系统实现的主要功能

1.2.1 系统的基本功能
（1）、触摸屏显示水温数字、9级水位显示、时间显示及各种工作状态。
（2）、五种上水方式：
①定时上水；
②低水位自动上水；
③手动随时上水；
④定温上水；
⑤恒温逐级上水。
（3）、三种加热方式：
①太阳能定温直热；
②空气能定温直热；
③电加热定温直热。
（4）、系统温差循环加温，达到设定温度可自动启动与停止。
（5）、高温保护：水箱温度可以控制在国家热水标准范围。
（6）、低温保护：防冻自动系统循环保护及管路电伴热带保护。
（7）、热水循环：具有全自动温控洗浴热水循环控制功能。

1.2.2 系统的增强功能
（1）、故障报警：
①液晶图形显示与声音报警。
②远程报警功能。
（2）、辅助能源设备：
①定时启动辅助能源设备。
②恒温控制辅助能源设备。
（3）、智能控制，不用人工操作：控制器全自动运行，可断电记忆－来电恢复、无人值守。
（4）、远程监控电脑采用图形化方式显示需要监测的各种参数及机组运行状态，并显示监测数据的历史曲线图，并生成报表。

第二章 智能控制、监测系统

2.1技术领域

2.1.1 控制系统技术领域
对目前生活洗浴热水需求上涨以及制热效率低的情况，设计空气源热泵、太阳能热水器联动控制器实时监测水温及水位, 可实现温度、水位检测管理, 故障及相关报警提示等功能, 利用STM32中的flash存储器 对设置的参数保存, 具有断电记忆功能, 断电后, 参数无须重新设置。该款全自动太阳能热水器控制器具有使用方便、稳定性高、节能等特点，实用性高，可广泛应用于热水工程空气能热泵热水器和太阳能热水器的联动自动控制中。

2.1.2 监控系统技术领域
针对热水工程中控制器通常安装在屋顶、要了解热水器的运行状况及对热水器进行参数调整，必须到现场，操作较为烦琐，设计出一种基于以太网的热水工程远程监控系统。通过远程监控可以实现现场运行数据的实时采集和快速集中，获得现场监控数据，为远程故障诊断技术提供了物质基础。通过远程监控，技术人员无须亲临现场或恶劣的环境就可以监视并控制现场设备的运行状态及各种参数，方便地利用本地丰富的软硬件资源对远程对象进行高级过程控制，以维护太阳能和空气源热泵热水设备的正常运营。太阳能热水器的网络化，有利于提高热水器产品形象，增强公司的产品竞争力，促进公司的长期可持续发展。本实用新型专利适用热水工程系统的远程监控。

2.2控制、监控系统的技术背景

2.2.1 控制系统技术背景
随着经济发展和科技的进步，能源和环境是当今世界突出的两大社会问题，这促使人们更多地意识到能源对人类的重要性，而愈来愈重视太阳能利用和节能热泵技术。目前我国太阳能的热利用主要集中在被动式太阳房采暖和热水器提供家用热水上，而主动式太阳能供热系统的开发的利用相对落后。采用节能装置——热泵与太阳能集热设备、蓄热机构相联接的系统方式，不仅能够有效地克服太阳能本身所具有的稀薄性和间歇性，而且可以达到节约高位能和减少环境污染的目的，具有很大的开发、应用潜力。热泵技术是一种很好的节能型空调制冷供热技术，是利用少量高品位的电能作为驱动能源，从低温热源高效吸取低品位热能，并将其传输给高温热源，以达到泵热的目的，从而转能质系数低的能源为能质系数高的能源（节约高品位能源），即提高能量品位的技术。随着人们对获取生活用热水的要求日趋提高，具有间断性特点的太阳能难以满足全天候供热。要解决这一问题，热泵技术与太阳能利用相结合无疑是一种好的选择方法。

2.2.2 监控系统技术背景
目前，能源短缺已经成为一个全球性问题，寻找和开发新型能源已经成为当务之急。在国家大力倡导建设节约型社会的今天，热水工程中采用太阳能热水器，结合空气源热泵辅助能源，采用集中采热，分散供水的方式可以全天候的提供温度恒定的热水。但通常控制器安装在屋顶，要对热水器进行检查和维护都要到现场，操作较为麻烦。随着太阳能热利用产业的迅猛发展，太阳能热水工程的规模也越来越大，人们对太阳热水器智能化控制的要求越来越高，在以信息化、数字化、网络化为基础的新经济条件下，太阳热水器的网络化终将成为一个科技发展的必然趋势。远程控制技术进入太阳能行业以计算机技术、现代通讯技术、自动控制技术和NTERNET 等技术为前提，这些技术的综合运用可以实现对现场物理量的实时监测和访问及对各种参数和受控设备的远程监控，对热水系统进行统一的、系统性的控制、保护及管理。

2.3控制、监控系统的设计内容

2.3.1 控制系统的设计内容
太阳能热水（系统），是一种利用太阳辐射能加热系统中循环的水，提供热量的装置组合，它由集热器、连接管路、储热水箱、水泵和其他配件以及控制部分组成。由于它依靠太阳幅射产生热量，只有控制系统需要消耗极少量电能，因此具有节能环保的优点，但对天气的依赖较高，在阴雨天不能提供足够的热水。“热泵”是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低位热能，经过热泵做功，输出高位热能的设备，是一种节能、环保、清洁的采暖制冷和热水设备，是全世界倍受关注的新能源技术。空气源热泵热水设备具有高效节能的特点，其节能效果是电热水设备的4倍，是燃气热水设备的3倍。空气源热泵热水器缺点热泵热水器几乎不受天气影响，以全天候产热水，不论刮风下雨白天黑夜，一天24小时生产供应热水。本系统提出一种智能控制系统，实现太阳能热水器和空气源热泵热水器的微电脑智能化联动控制，太阳能和空气能互补，能满足阴雨天及冬季使用热水的要求，确保365天全天候全自动供应足量热水，广泛应用于一般家庭、小单位到大企业、大集团；几十人、几百人甚至上千人的洗浴。
本控制器是以ST公司的STM32 ARM处理器为检测控制核心,以太阳能热水器作为主要加热设备以空气能热泵作为辅助加热设备，不仅实现了温度、水位两种参数的实时显示功能, 而且具有温度设定与控制功能。控制器可以根据天气情况设定每天某个时间水箱应达到的预定水位。在白天，太阳能热水器处在工作状态中，当集热装置的水温达到预定温度时向水箱注水。当阳光不够充足，在预定时间未达到预定水位，则启动在辅助加热装置，即空气能热泵，使蓄水箱内的水温达到预先设定的水位后停止工作。在晚上,太阳能热水器工作停止，由于人们用水，使得水位下降，当低于最低水位时启动空气能热泵，达到设定水位后停机，从而达到24小时供应热水的目的。实际应用结果表明, 该控制器具有性价比高、温度控制与显示精度高、使用方便和性能稳定等优点,提高了我国新能源应用领域控制水平, 具有可观的经济效益和社会效益。

2.3.2 监控系统的设计内容
太阳能热水器远程实时监控系统是用现代化的通讯技术、电子技术和自动监测仪器，对各远端太阳能热水器的水位和温度等参数进行远程实时监控，实现了太阳能供热系统管理的自动化、信息化、网络化。
该设计由热水器控制器、以太网模块、和监控计算组成。控制器由中央控制单元（即STM32处理器、水位检测电路、水温检测电路、触摸屏、驱动电路，实现了温度、水位两种参数的实时显示功能, 而且具有温度设定与控制功能。STM32处理器通过以太网通信模块和网线与监控室的计算机通信上。监控计算机可对工程现场的水位、水温、冷、热水流量信号进行实时监测、实时显示，可对现场的电加热、电磁阀和水泵等进行自动控制；还可对以上各种参数和控制设备进行远程监控及自动故障诊断；提供用户密码管理，具有系统日志功能，可对有关使用该系统的用户情况进行记录，具有电子签名功能，自动记录系统运行情况及系统操作者的任何操作，以便查阅，并自动生成系统运行记录表及日曲线。具有如下特点：
①系统可脱离上位机单独运行：监控计算机不需24小时开机，现场控制器在不与电脑连接时也可按照预定的程序运行，当需要了解现场的工作情况时，打开监控软件即可读取时时信息和存储的历史信息。
②功能扩展灵活、方便：该控制系统可根据实际情况的需要进行编程，可以满足太阳能热水工程中需要的任何功能。
③图形化的人机界面，直观明了。
④实时动画显示形象、逼真，操作简单、方便。
⑤远程查询、修改系统运行参数及诊断系统故障。

2.4 控制、监控系统具体实施的方式

2.4.1 控制系统具体实施的方式
太阳能热水器整体结构分为五大部分：中央控制单元、水位检测电路、水温检测电路、触摸屏、驱动电路，如图2.4-1所示。

图2.4-1 系统整体结构组成
热水工程系统执行部分由太阳能集热器、增压泵、保温水箱、温度传感器、水位传感器、循环泵、空气能热泵、管路配件等有机组合而成。
中央控制单元，采用STM32处理器作为控制核心。STM32系列32位闪存微控制器基于突破性的ARM Cortex-M3 内核,这是一款专为嵌入式应用而开发的内核。STM32系列产品得益于Cortex-M3在架构上进行的多项改进,包括提升性能的同时又提高了代码密度的Thumb-2指令集,大幅度提高的中断响应,而且所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平。STM32系列产品的目的是为MCU用户提供新的自由度。它提供了一个完整的32位产品系列,在结合了高性能、低功耗和低电压特性:的同时保持了高度的集成性能和简易的开发特性。STM32内部集成程序存储器、内存、AD采样和多个定时器，能使得系统的外围部件最少，电路简单，提高工作可靠性。
水位测量电路用于采集水位水温信号给单片机，是热水器控制器最关键的部位。本设计采用一种类似键盘电路的分档水位传感器，其原理图如图2.4-2所示。

图2.4-2 水位测试电路示意图
用9根不锈钢针分别置于水箱内的9种不同高度的位置，当某个钢针不接触水面时，其输出为高电平；当其与水面接触时则输出低电平。它们的输出接至电子开关CD4069，经过CD4069反向并经74LS244驱动后分别接入STM32的输入引脚。CPU对这些引脚进行判断后，送去显示相应的水位值。显示共分9档，每档为满水位的1/9 。这种方法简单，易实现，省去了传统的 A／D转换器，成本低，虽然不精确但可以满足使用要求。
水温测量电路，用于采集水温信号给单片机。温度传感器都选用NTC负温度系数热电阻，如图2.4-3所示。A/D转换式水温传感器的原理是，利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性，将随温度变化的电阻信号转化为变化的电压信号，然后将这个电压信号经运放放大处理成0—3.3V的电压信号。因为STM32处理器自带AD转换口，可将电压信号直接接入处理器的AD输入口，转换变成数字信号，这种电路测量比较精确。

图2.4-3 热电阻A/D转换电路原理
触摸屏，用于系统和人的信息交互，用于时间、水位、温度显示和对热水工程的各种参数进行设置。本设计选用的是四线制电阻式触摸屏，是在强化玻璃表面分别涂上两层透明氧化金属导电层，利用压力感应进行控制。当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化。在X 和Y 两个方向上产生信号，然后传送到触摸屏控制器RA8806。控制器侦测到这一接触并计算出（X，Y）的位置，再根据模拟鼠标的方式动作。
驱动电路：包括上水电磁阀、循环泵、报警电路，是整个系统的执行部分。驱动电路采用光藕进行隔离，如图2.4-4所示。

图2.4-4 光藕隔离电路
图中L41，L52，L63，L74和STM32的输出端口相连。当STM32的输出端口为高电平时，使光藕的输入端通过电流，发光二极体发光，光敏元件受到光照后产生电流，使得输出端导通。光藕的输出端D4、D5、D6、D7接继电器，从而控制上水电磁阀、循环泵、增压泵和空气能热泵的启动和停止。光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。
系统还拥有密码验证功能，能够防止任意串改设置，密码设置界面如图2.4-5所示。

图2.4-5 密码验证界面

2.4.2 监控系统具体实施的方式
监控系统采用STM32处理器单片机与以太网控制器芯片ENC28J60实现以太网接口电路的设计与编程方法。以太网控制芯片ENC28J60则符合IEEE 802.3协议,可通过SPI接口与主控制器通讯, 因而可大大简化相关设计, 减小占板空间, 从而可为嵌入式应用提供低引脚数、低成本且高效易用的远程通讯解决方案。
ENC28J60 是Microchip Technology公司推出的10Mbps以太网控制芯片, 它的主要特点如下:
符合IEEE 802.3协议, 内置10 Mbps以太网物理层器件(PHY) 及媒介接入控制器(MAC),可按业界标准以太网协议收发信息包数据。
具有可编程过滤功能, 内含特殊的过滤器, 包括Microchip的可编程模式匹配过滤器, 可自动评价、接收或拒收Magic Packet、单播(Unicast)、多播(Multicast) 或广播(Broadcast) 信息包, 以减轻主控单片机的处理负荷。
10 Mbps SPI接口为业界标准的串行通讯端口, 它可使低引脚数的8位单片机具有网络连接功能;内含可编程8 KB双端口SRAM缓冲器, 可以以高效方式进行信息包的存储、检索和修改,以减轻主控单片机的内存负荷, 同时可提供灵活可靠的数据管理机制ENC28J60以太网控制器的SPI接口可充当主控制器和芯片之间的通信通道, 以便通过总线接口对SPI接收的数据和命令进行解析。控制寄存器用于控制和监视ENC28J60, 8 KByte 双端口RAM缓冲器则用于接收和发送数据包, 判优器可在DMA、发送和接收模块发出请求时对RAM缓冲器的访问进行控制。MAC (Medium Access Control) 模块可实现符合IEEE 802.3 标准的MAC逻辑。PHY (物理层) 模块可对双绞线上的模拟数据进行编码和译码。此外, 该芯片还包括振荡器、片内稳压器、电平变换器(提供可以接受5 V电压的I/O引脚) 和系统控制逻辑等,以太网接口则主要由ENC28J60、网络变压器、RJ45接口构成,其接口硬件连接电路见图2.4-6所示。

图2.4-6 ENC28J60等网络接口
ENC28J60内置的10Mbps以太网物理层器件(PHY) 只要外接网络变压器即可, 本设计选用集成有以太网隔离变压器和RJ45 插座的HR901170A。ENC28J60内部的模拟电路需要在RBIAS引脚和地之间跨接一个2 kΩ精度为1%的偏置电阻。部分数字电路可工作在2.5 V以降低功耗; 器件内部集成的2.5 V调节器可产生所需的电压, 但需在VCAP引脚和地之间接10μF的电容以保证供电的稳定性(该2.5 V调节器不是为外部负载设计的)。ENC28J60 所有的供电引脚(VDD、VDDOSC、VDDPLL、VDDRX、VDDTX) 应接在外部的同一个3.3 V电源上; 同理, 所有的地(VSS、VSSOSC、VSSPLL、VSSTX) 也应接在同一个外部地上。每个供电引脚和地之间均应接一个0.1μF的陶瓷电容, 电容尽可能接近供电引脚。由于驱动双绞线接口需要较大的电流, 所以电源线应尽可能宽些, 且与引脚的连接尽可能短, 以降低电源线的内阻消耗。
TCP / IP协议种类繁多, 相互之间交互作用复杂,按照传统的单任务执行方式很难发挥TCP / IP协议的特点,为了在单片机上更好的实现TCP / IP协议栈,弥补单任务操作系统实时性上的不足,系统使用了事件驱动机制,该机制的引入,使得系统在保证具有高效的语言代码效率的同时,实时响应性也得到了大幅提高系统初始化完成后,进入事件循环体,不断查询STM32处理器的事件队列是否有事件,一旦事件队列非空,则读取事件标志字,判断事件类型,而后调用对应事件处理子程序。处理子程执行完毕后,仍然返回到事件循环体中。事件标志字由中断直接或者间接驱动,当某个事件发生后,只需在中断服务程序中将状态字的对应位置位。中断不断向事件队列中添加事件, STM32处理器处理程序则不停地从事件队列中读取事件标志字,处理事件。
这种方法实现的以太网通信接口硬件电路简单、可靠性高、成本低，具有很好的实用价值。
上位机的监控程序（监控主界面如图2.4-7所示）采用Visual C++开发工具编程，用FLASH制作的动画形象地实时显示水温和水位，并可对下位的各种参数进行设置。
图2.4-7 上位机监控主界面

参考文献
【1】、《STM32系列ARM Cortex-M3核微控制器开发与应用》喻金钱，喻斌编著.--北京：清华大学出版社，2011.4 ISBN 978-7-302-24442-4
【2】、《C语言程序设计》蒋明清主编；向德生，何宏编著.--北京：人民邮电出版社.
2008.4 ISBN 978-7-115-17502-1
【3】、《单片机原理及应用》杨恢先，黄辉先主编.--北京：人民邮电出版社，2006.10 ISBN978-7-115-14952-7
【4】、《嵌入式系统开发原理与实践》陈文智等编著.--北京：清华大学出版社，2005.8
ISBN 978-7-302-11600-4

附件 系统各界面图片

附件A 下位机监测界面图

附件B 下位机控制及设置界面图

附件C 下位机STM32控制器主板电路图

附件D 下位机STM32控制器实物图