氣源熱泵熱水機組控制器設計

2．1 主控芯片ATmega16介紹
ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS／MHz，通過將8位RISC CPU與系統(tǒng)內可編程的FLASH集成在一個芯片內，ATmega16成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案。
ATmega16具有如下特點：16 KB的系統(tǒng)內可編程FLASH(具有同時讀寫的能力)，512 B E2PROM，1 KB SRAM，32個通用I／O口線，確保足夠的I／O口線可以用于開關量采集和開關量控制；用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內調試與編程；三個具有比較模式的靈活定時器／計數(shù)器(T／C)，其中之一具有獨立振蕩器，可以用于實現(xiàn)實時時鐘(RTC)，從而簡化外圍電路設計，節(jié)省了空間，也提高了效率；三個片外中斷源，可以靈活使用；一個可編程串行USART，用于RS 485通信；8路10位具有可選差分輸入級可編程增益的ADC，用于溫度模擬量的采集；六個可以通過軟件進行選擇的省電模式，面向低功耗應用。另外還有兩線串行接口(TWI)，一個SPI串行端口，便于系統(tǒng)的更新升級。
2．2 溫度采集模塊
系統(tǒng)的溫度傳感器輸入信號使用同樣的調理電路，用模擬開關器件輪流選擇每一通道，以達到分時采樣的目的。這樣既簡化了外圍電路，也節(jié)省了有限的ADC通道。使用的溫度傳感器類型為負溫度系數(shù) (NTC)熱敏電阻，型號為MF51C 3470-502和MF51C3470-103，阻值精度±1％，前者用于對溫度變化范圍較小的環(huán)境溫度和盤管溫度的檢測，后者用于對水溫和排氣溫度的檢測。
熱水器的最大使用概率溫度約為45℃(318．15 K)，取一個電阻R，其阻值為45℃時的熱敏電阻值，將熱敏電阻R，與R串聯(lián)。隨著溫度的改變，熱敏電阻的阻值變化，兩端電壓也隨之變化，45℃時對應的電壓正好為參考電壓的1／2，從而在參考電壓范圍內更好地測量溫度。轉換成的電壓信號經(jīng)由模擬開關選通，進入放大器構成的一階低通濾波電路，用于消除噪聲干擾和提高阻抗特性。最后輸人ATmega16的ADC管腳，轉換為數(shù)字信號供控制器做后續(xù)處理。
2．3 驅動控制模塊
熱泵熱水機組控制器所控制的壓縮機、風機、循環(huán)水泵等設備的工作電壓均為220 V，50 Hz，根據(jù)實際要求選用型號為JQX-36F的繼電器(線圈電壓12 V，觸點負載220 V Ac 10 A)來控制強電。由于輸出控制信號較多，采用集成多路驅動芯片ULN2003構成驅動電路來控制線圈得電或是斷電，從而簡化電路。芯片內部電路如圖3所示，芯片引腳1～7是信號輸入端(I1～I7)，10～16是輸出信號(01～07)，8接地，9接電源，繼電器線圈接在電源與輸出之間(9和01～07之間)。

根據(jù)ULN2003的輸入、輸出特性，當2003輸入端為高電平時，對應的輸出口輸出低電平，繼電器線圈通電，繼電器觸點吸合；當2003輸入端為低電平時，繼電器線圈斷電，繼電器觸點斷開；在2003內部已集成起反向續(xù)流作用的二極管，用于繼電器線圈感性電路的瞬態(tài)抑制。
2．4 RS 485通信模塊
所有控制器與線控面板通過RS 485總線實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信，控制信號和機組狀態(tài)等數(shù)據(jù)通過RS 485總線進行傳送。RS 485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點使其成為首選的串行接口。因為RS 485接口組成的半雙工網(wǎng)絡，一般只需二根連線，所以Rs 485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。