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1、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 sour
2、ce 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.Th
3、is 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
4、 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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、，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
10、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404686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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
