0 引言
    熱泵技術是一種以消耗少量電能或燃料能為代價，將大量無用的低溫熱能變為有用的高溫熱能的技術。目前市場上熱泵的應用主要可以分為空調和熱水2大方向?？照{方面主要指冷暖通空調，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逆勢活躍，國內各大空調公司相繼推出多款熱泵熱水器產品，這與冷暖通空調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總線的聯網式熱泵熱水器的硬件與軟件實現方法，擁有分工明確的硬件模塊和科學的軟件算法。通過模仿實時系統(Re-al-time Operating System，RTOS)的基本原理，充分利用系統的硬件資源，使復雜的控制任務在有限硬件條件下的有序進行成為可能，降低了系統成本。

1 熱泵技術概述
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熱源作為熱源，通過冷媒的物理狀態變化，進行吸收和釋放熱量，并通過循環傳遞熱量，實現熱的轉移，這樣就可以把不能直接利用的低位熱能轉換為可以利用的高位熱能，從而達到節約部分高位能的目的。

1．2 空氣源熱泵空調原理
    空氣源空調的原理如圖2所示，冷媒首先經過壓縮機壓縮做功后，變成高溫高壓的氣態；然后經過冷凝器進行冷卻，將熱量傳遞給室外空氣，液化成低溫高壓的氣液混合態；接著經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冷媒；再接著經過蒸發器，吸收室內環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。

    熱泵的原理其實與上述空調原理基本相同，不過空調是要吸收室內過高的熱量然后排到室外去，起到室內溫度調節的效果；而熱泵則是吸收環境的低溫熱量(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熱源中去供暖或者制造熱水。圖3為熱泵熱水器的原理簡圖。冷媒的循環原理與熱傳遞原理都是跟空調的一致，惟一不同的就是熱泵是將從環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，還會影響環境質量。如果將兩者取長補短，結合在一起，則其意義和效益將是極其明顯的?？諝庠礋岜每照{系統則是上面兩者結合的產物。整個系統可以分為3個區：冷區(又稱為室內風機區)、熱區(又稱為熱交換區)和冷熱區(又稱為室外風機區)。冷區是熱泵吸收外界熱量排放冷氣的區域，一般是指空調室內的冷風機；熱區則是熱泵輸出高位熱能的區域，對于本文研究的系統來說，這個區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到室內取暖；冷熱區是一個比較特殊的區域，這里既可以吸收環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機所在的區域。通過切換四通閥、冷凝器電磁閥、蒸發器電磁閥和化霜電磁閥等閥門就可以實現熱泵裝置、制冷機、熱泵制冷聯合機之間等功能以及各功能之間的轉換，而且切換靈活方便，隨時可以根據實際需要來進行功能的選用。該系統各功能模塊的冷媒循環通路如圖4所示。

2 系統結構
    該系統的特點是多臺熱泵機組聯網控制，因此必須具備一個功能強大的上位控制器，收集全系統各機組的工作狀態，并根據收集回來的數據對各機組作統籌分析，以實現統一控制以及節能效應。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，連接在網絡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備的控制，實現熱泵的基本功能。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。綜上所述，本熱泵控制系統劃分成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
    主面板是整個系統的管理控制中心，主要負責整個系統的通信和協調，綜合水箱控制板與熱泵控制板的反饋狀況對環境做出判斷，實現對各熱泵機組的控制和統一，并且提供一個良好的人機接口。同時主面板也具備E2PROM數據保存、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功能的控制與設定。同時也需用來探測室內的溫度。另外，副面板也要求具有良好的操作接口、實時時鐘、E2PROM數據保存和防掉電等功能。每塊副面板均對應一臺熱泵機組。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，以實現水箱的熱水循環加熱控制，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中的單臺熱泵空調機組，通過改變各個閥的開關實現冷媒流通的管路不同，以實現功能切換。熱泵控制板既可以實現空調功能的控制，也可以實現熱泵熱水器的實現，而且也可以熱泵熱水器和熱泵空調的功能同時實現。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、控制室外風機、控制四通閥換向、控制蒸發器電磁閥、冷凝器電磁閥、化霜電磁閥、檢測過流保護開關、檢澍壓縮機壓力、檢測外風機溫度、決定是否進行化霜、控制空調室內機的開關及決定高中低空調風檔。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控，以確保系統安全運行將上面的幾部分通過網絡通信聯合在一起就可以組成一個龐大的熱泵控制系統，最多可以達到32臺熱泵機組。這個熱泵機組控制系統的結構連接圖如圖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 系統軟件算法的實現
3．1 控制軟件流程
    該系統共四套控制軟件，分別對應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聯網通信、液晶顯示、鍵盤輸入以及多級用戶菜單等功能。主面板還需實現對網絡中所有分機的數據收集和統籌控制。水箱控制板和熱泵控制板的控制軟件主要就是實現聯網通信、溫度采集、各種安全檢測以及子設備驅動等功能。
    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
    在實際的工程應用中，閥門開關組合與電機開關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。壓縮機關閉之后必須至少延時3 min的時間才能再啟動；而壓縮機關閉之后，水泵也必須至少延時30 s再關閉，從而通過水路循環帶走熱交換機中的余熱以冷卻機組。作為一個符合工業標準的控制系統，在實現轉換控制的同時還要對系統進行各種安全檢測，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。如果系統探測到以上的安全警報，就會停機報警以保護系統的安全運作。空氣源熱泵空調的控制動作轉換因此變得十分繁雜。
    為了使系統對各個閥門的控制任務有序地實現，引入了輪詢法多任務調度的方法以及軟件定時器，節省了中央控制器硬件資源的不足，提高了系統的處理效率。
3．2．1 輪詢法多任務調度
    輪詢法多任務調度模仿了實時系統(Real-timeOperating System，RTOS)的原理。實時系統的特點是，如果邏輯和時序出現偏差，將會出現嚴重的后果，這一點與熱泵系統具有繁多任務的特點相符。輪詢法多任務調度的宗旨是使各個任務盡快地執行，不要求限定某一任務在多長時間內完成。輪詢法多任務調度中，各個任務具有同樣的優先級。允許一個任務優先確認一段時間，然后切換給另一個任務。其中，時間段的計時由軟定時器來實現，具體實施方法如下。
    在水箱控制器以及熱泵控制器中，包含多項子設備的控制。該系統針對每個獨立子設備的控制設計了專門的軟件控制模塊，工程應用中可根據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，都采用狀態機的方式，每次運行至某一個模塊，如果該模塊的當
前狀態未完成，則切換至另一個模塊，直到下次切換回該模塊，且當前狀態完成，才進入下一狀態繼續運行。每個掛載在主程序中的功能模塊，等于是程序中的任務，對于不同任務之間的管理與調度，關乎程序的執行效率。程序中，考慮到任務切換的問題，所以給每個任務每一狀態分配的代碼執行時間不長，任務內部也并不需要進行占用資源較大的運算等操作。大多數時間任務處于延時等待狀態，因此，當某一任務進入延時進程中，控制程序就可以去查詢執行其他的任務，等延時完成再執行該任務的處理程序即可。由此可以實現在短時間內的任務循環切換。功能模塊內部狀態機結構如圖13所示。

3．2．2 軟定時器算法的實現
    在該系統中，延時也是系統輸出的一個重要部分。但是在傳統的延時算法里面，大多是讓CPU執行空語句，這樣非常浪費系統資源。這里采用單循環隊列定時器算法。理論上可以把一個定時器擴展成任意多個定時器，以滿足系統需求。
    單循環隊列計時原理如下：
    可以通過聲明一個具有n個元素的數組來拓展得到n個軟件定時器。同時，定義一個指向數組元素的循環計時隊列指針。每當定時中斷發生時，循環計時隊列指針所指向的定時器元素減1，并且移向下一個元素。當某個元素(軟件定時器)的值減到0時，置位與該元素相應的定時器標志位，以便在程序中查詢定時時間是否已到。當然，也可以在程序中通過查詢該數組元素是否為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×定時器元素數量
    一個軟件定時器的簡單例子如圖14所示。

    該系統所采用的這種單循環隊列定時器算法，實現簡單，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量限制。從系統資源占用的角度來看，是最有效的定時器算法。

4 系統抗干擾措施
    在該系統中，壓縮機、水泵、外風機等都是大功率強電設備，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境中；另外，各控制器一般都是安裝在戶外環境，容易受到環境因素的影響，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穩定性的重要途徑。
    為此，該系統采用了隔離技術，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個電平區域，包括單片機電平區(5 V)、通信電平區(5 V)、繼電器控制電平區(24 V)，它們之間均設置了光耦進行隔離。
    另外，該系統中采用了多種保護器件，包括自恢復保險絲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收發器相比的顯著特點是片內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。其驅動器設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8 kV的靜電放電沖擊，具有一定的防雷能力。對一些環境比較惡劣的現場，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，傳輸距離遠和可靠的錯誤處理和檢測機制，也加強了系統通訊的可靠性。該系統采用自帶CAN總線控制模塊的dspic30F5011，以及PCA82C250作為CAN收發器。

5 結語
    基本完成了整個熱泵空調控制系統的硬件和軟件的實現。通過RS 485或CAN通信實現了遠距離的通信控制，做到真正的大規模聯網。對機組外部環境的多種因素進行探測，設計出一套根據實際情況進行模式轉換，關機報警等動作的可靠系統。輪詢法多任務調度以及軟件定時器的引入提高了系統效率，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對惡劣外部環境的適應能力。