1、太陽能及空氣源熱泵熱水器智能控制系統技術說明- 3 -目錄第一章 系統介紹- 1 -1.1 控制系統簡介- 1 -1.1.1 控制系統設計背景- 1 -1.1.2 控制系統工作形式- 1 -1.2 系統實現的主要功能- 2 -1.2.1 系統的基本功能- 2 -1.2.2 系統的增強功能- 3 -第二章 智能控制、監測系統- 3 -2.1技術領域- 3 -2.1.1 控制系統技術領域- 3 -2.1.2 監控系統技術領域- 4 -2.2控制、監控系統的技術背景- 4 -2.2.1 控制系統技術背景- 4 -2.2.2 監控系統技術背景- 5 -2.3控制、監控系統的設計內容- 6 -2.3.1

2、 控制系統的設計內容- 6 -2.3.2 監控系統的設計內容- 7 -2.4 控制、監控系統具體實施的方式- 8 -2.4.1 控制系統具體實施的方式- 8 -2.4.2 監控系統具體實施的方式- 11 -附件 系統各界面圖片- 15 -附件A 下位機監測界面圖- 15 -附件B 下位機控制及設置界面圖- 15 -附件C 下位機STM32控制器主板電路圖- 16 -附件D 下位機STM32控制器實物圖- 17 -第1章 系統介紹1.1 控制系統簡介1.1.1 控制系統設計背景隨著經濟發展和科技的進步，能源和環境是當今世界突出的兩大社會問題，這促使人們更多地意識到能源對人類的重要性，而愈來愈重視

3、太陽能利用和節能熱泵技術。太陽能工程熱利用是新興的產業，是現代控制技術和最新太陽能熱利用技術相結合的產物。與家用太陽能熱水器相比，大型太陽能熱水工程能夠在更大規模和應用領域中發揮綠色能源的突出特點?！盁岜谩笔且环N能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低位熱能，經過熱泵做功，輸出高位熱能的設備，是一種節能、環保、清潔的采暖制冷和熱水設備，是全世界倍受關注的新能源技術。隨著人們對獲取生活用熱水的要求日趨提高，具有間斷性特點的太陽能難以滿足全天候供熱。要解決這一問題，熱泵技術與太陽能利用相結合無疑是一種好的選擇方法。隨著熱水器系統的不斷發展，超大采光面積、大噸位儲水箱的大型太陽能熱水工程有著越來越多的使用

4、。目前市場上大型太陽能熱水工程的控制系統大部分只具有溫度和水位顯示功能，而且分段顯示，對溫度的控制即使具有輔助加熱功能，由于加熱時間不能控制而產生過燒，從而浪費大量的電能。1.1.2 控制系統工作形式此系統以太陽能熱水器作為主要熱源，空氣源熱泵熱水器為輔助加熱設備，對它們進行微電腦智能化聯動控制，以達到太陽能和空氣能互補的目的，并開發遠程監控軟件，在監控室的計算機上能實時了解顯示熱水器的工作狀態，并對其進行控制。該系統能滿足陰雨天及冬季使用熱水的要求，確保365天全天候全自動供應足量熱水，控制系統以ST公司的STM32 ARM處理器為檢測控制核心，具有結構簡單，成本低，功能實用，使用方便等優點

5、，實現了對水溫、水溫的連續測量與顯示，上水與電輔熱的自動控制。根據系統時鐘分時段上水與電輔熱，大大提高了太陽能的利用率，節約了電能。STM32處理器通過以太網通信模塊和網線與監控室的計算機通信上。監控計算機可對工程現場的水位、水溫、冷、熱水流量信號進行實時監測、實時顯示，可對現場的電加熱、電磁閥和水泵等進行自動控制；還可對以上各種參數和控制設備進行遠程監控及自動故障診斷；廣泛應用于企事業單位、工農業、學校、醫院、酒店、房地產、運動場館等集體供熱水系統。隨著國家節能減排措施力度不斷加大，該系統在太陽能熱水的開發利用在社會經濟發展具有越來越廣闊的前景。 1.2 系統實現的主要功能1.2.1 系統的

6、基本功能（1）、觸摸屏顯示水溫數字、9級水位顯示、時間顯示及各種工作狀態。 （2）、五種上水方式：定時上水；低水位自動上水；手動隨時上水；定溫上水；恒溫逐級上水。 （3）、三種加熱方式：太陽能定溫直熱；空氣能定溫直熱；電加熱定溫直熱。 （4）、系統溫差循環加溫，達到設定溫度可自動啟動與停止。 （5）、高溫保護：水箱溫度可以控制在國家熱水標準范圍。 （6）、低溫保護：防凍自動系統循環保護及管路電伴熱帶保護。 （7）、熱水循環：具有全自動溫控洗浴熱水循環控制功能。 1.2.2 系統的增強功能（1）、故障報警：液晶圖形顯示與聲音報警。遠程報警功能。 （2）、輔助能源設備：定時啟動輔助能源設備。恒溫控

7、制輔助能源設備。 （3）、智能控制，不用人工操作：控制器全自動運行，可斷電記憶來電恢復、無人值守。（4）、遠程監控電腦采用圖形化方式顯示需要監測的各種參數及機組運行狀態，并顯示監測數據的歷史曲線圖，并生成報表。第2章 智能控制、監測系統2.1技術領域 2.1.1 控制系統技術領域對目前生活洗浴熱水需求上漲以及制熱效率低的情況，設計空氣源熱泵、太陽能熱水器聯動控制器實時監測水溫及水位, 可實現溫度、水位檢測管理, 故障及相關報警提示等功能, 利用STM32中的flash存儲器 對設置的參數保存, 具有斷電記憶功能, 斷電后, 參數無須重新設置。該款全自動太陽能熱水器控制器具有使用方便、穩定性高、

8、節能等特點，實用性高，可廣泛應用于熱水工程空氣能熱泵熱水器和太陽能熱水器的聯動自動控制中。2.1.2 監控系統技術領域 針對熱水工程中控制器通常安裝在屋頂、要了解熱水器的運行狀況及對熱水器進行參數調整，必須到現場，操作較為煩瑣，設計出一種基于以太網的熱水工程遠程監控系統。通過遠程監控可以實現現場運行數據的實時采集和快速集中，獲得現場監控數據，為遠程故障診斷技術提供了物質基礎。通過遠程監控，技術人員無須親臨現場或惡劣的環境就可以監視并控制現場設備的運行狀態及各種參數，方便地利用本地豐富的軟硬件資源對遠程對象進行高級過程控制，以維護太陽能和空氣源熱泵熱水設備的正常運營。太陽能熱水器的網絡化，有利于

9、提高熱水器產品形象，增強公司的產品競爭力，促進公司的長期可持續發展。本實用新型專利適用熱水工程系統的遠程監控。2.2控制、監控系統的技術背景 2.2.1 控制系統技術背景隨著經濟發展和科技的進步，能源和環境是當今世界突出的兩大社會問題，這促使人們更多地意識到能源對人類的重要性，而愈來愈重視太陽能利用和節能熱泵技術。目前我國太陽能的熱利用主要集中在被動式太陽房采暖和熱水器提供家用熱水上，而主動式太陽能供熱系統的開發的利用相對落后。采用節能裝置熱泵與太陽能集熱設備、蓄熱機構相聯接的系統方式，不僅能夠有效地克服太陽能本身所具有的稀薄性和間歇性，而且可以達到節約高位能和減少環境污染的目的，具有很大的開

10、發、應用潛力。熱泵技術是一種很好的節能型空調制冷供熱技術，是利用少量高品位的電能作為驅動能源，從低溫熱源高效吸取低品位熱能，并將其傳輸給高溫熱源，以達到泵熱的目的，從而轉能質系數低的能源為能質系數高的能源（節約高品位能源），即提高能量品位的技術。隨著人們對獲取生活用熱水的要求日趨提高，具有間斷性特點的太陽能難以滿足全天候供熱。要解決這一問題，熱泵技術與太陽能利用相結合無疑是一種好的選擇方法。2.2.2 監控系統技術背景 目前，能源短缺已經成為一個全球性問題，尋找和開發新型能源已經成為當務之急。在國家大力倡導建設節約型社會的今天，熱水工程中采用太陽能熱水器，結合空氣源熱泵輔助能源，采用集中采熱，

11、分散供水的方式可以全天候的提供溫度恒定的熱水。但通?？刂破靼惭b在屋頂，要對熱水器進行檢查和維護都要到現場，操作較為麻煩。隨著太陽能熱利用產業的迅猛發展，太陽能熱水工程的規模也越來越大，人們對太陽熱水器智能化控制的要求越來越高，在以信息化、數字化、網絡化為基礎的新經濟條件下，太陽熱水器的網絡化終將成為一個科技發展的必然趨勢。遠程控制技術進入太陽能行業以計算機技術、現代通訊技術、自動控制技術和NTERNET 等技術為前提，這些技術的綜合運用可以實現對現場物理量的實時監測和訪問及對各種參數和受控設備的遠程監控，對熱水系統進行統一的、系統性的控制、保護及管理。2.3控制、監控系統的設計內容2.3.1

12、控制系統的設計內容太陽能熱水（系統），是一種利用太陽輻射能加熱系統中循環的水，提供熱量的裝置組合，它由集熱器、連接管路、儲熱水箱、水泵和其他配件以及控制部分組成。由于它依靠太陽幅射產生熱量，只有控制系統需要消耗極少量電能，因此具有節能環保的優點，但對天氣的依賴較高，在陰雨天不能提供足夠的熱水。“熱泵”是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低位熱能，經過熱泵做功，輸出高位熱能的設備，是一種節能、環保、清潔的采暖制冷和熱水設備，是全世界倍受關注的新能源技術?？諝庠礋岜脽崴O備具有高效節能的特點，其節能效果是電熱水設備的4倍，是燃氣熱水設備的3倍?？諝庠礋岜脽崴魅秉c熱泵熱水器幾乎不受天氣影響，以全

13、天候產熱水，不論刮風下雨白天黑夜，一天24小時生產供應熱水。本系統提出一種智能控制系統，實現太陽能熱水器和空氣源熱泵熱水器的微電腦智能化聯動控制，太陽能和空氣能互補，能滿足陰雨天及冬季使用熱水的要求，確保365天全天候全自動供應足量熱水，廣泛應用于一般家庭、小單位到大企業、大集團；幾十人、幾百人甚至上千人的洗浴。本控制器是以ST公司的STM32 ARM處理器為檢測控制核心,以太陽能熱水器作為主要加熱設備以空氣能熱泵作為輔助加熱設備，不僅實現了溫度、水位兩種參數的實時顯示功能, 而且具有溫度設定與控制功能。控制器可以根據天氣情況設定每天某個時間水箱應達到的預定水位。在白天，太陽能熱水器處在工作狀

14、態中，當集熱裝置的水溫達到預定溫度時向水箱注水。當陽光不夠充足，在預定時間未達到預定水位，則啟動在輔助加熱裝置，即空氣能熱泵，使蓄水箱內的水溫達到預先設定的水位后停止工作。在晚上,太陽能熱水器工作停止，由于人們用水，使得水位下降，當低于最低水位時啟動空氣能熱泵，達到設定水位后停機，從而達到24小時供應熱水的目的。實際應用結果表明, 該控制器具有性價比高、溫度控制與顯示精度高、使用方便和性能穩定等優點,提高了我國新能源應用領域控制水平, 具有可觀的經濟效益和社會效益。2.3.2 監控系統的設計內容太陽能熱水器遠程實時監控系統是用現代化的通訊技術、電子技術和自動監測儀器，對各遠端太陽能熱水器的水位

15、和溫度等參數進行遠程實時監控，實現了太陽能供熱系統管理的自動化、信息化、網絡化。 該設計由熱水器控制器、以太網模塊、和監控計算組成?？刂破饔芍醒肟刂茊卧碨TM32處理器、水位檢測電路、水溫檢測電路、觸摸屏、驅動電路，實現了溫度、水位兩種參數的實時顯示功能, 而且具有溫度設定與控制功能。STM32處理器通過以太網通信模塊和網線與監控室的計算機通信上。監控計算機可對工程現場的水位、水溫、冷、熱水流量信號進行實時監測、實時顯示，可對現場的電加熱、電磁閥和水泵等進行自動控制；還可對以上各種參數和控制設備進行遠程監控及自動故障診斷；提供用戶密碼管理，具有系統日志功能，可對有關使用該系統的用戶情況進行

16、記錄，具有電子簽名功能，自動記錄系統運行情況及系統操作者的任何操作，以便查閱，并自動生成系統運行記錄表及日曲線。具有如下特點：系統可脫離上位機單獨運行：監控計算機不需24小時開機，現場控制器在不與電腦連接時也可按照預定的程序運行，當需要了解現場的工作情況時，打開監控軟件即可讀取時時信息和存儲的歷史信息。功能擴展靈活、方便：該控制系統可根據實際情況的需要進行編程，可以滿足太陽能熱水工程中需要的任何功能。圖形化的人機界面，直觀明了。實時動畫顯示形象、逼真，操作簡單、方便。遠程查詢、修改系統運行參數及診斷系統故障。2.4 控制、監控系統具體實施的方式2.4.1 控制系統具體實施的方式 太陽能熱水器整

17、體結構分為五大部分：中央控制單元、水位檢測電路、水溫檢測電路、觸摸屏、驅動電路，如圖2.4-1所示。圖2.4-1 系統整體結構組成熱水工程系統執行部分由太陽能集熱器、增壓泵、保溫水箱、溫度傳感器、水位傳感器、循環泵、空氣能熱泵、管路配件等有機組合而成。中央控制單元，采用STM32處理器作為控制核心。STM32系列32位閃存微控制器基于突破性的ARM Cortex-M3 內核,這是一款專為嵌入式應用而開發的內核。STM32系列產品得益于Cortex-M3在架構上進行的多項改進,包括提升性能的同時又提高了代碼密度的Thumb-2指令集,大幅度提高的中斷響應,而且所有新功能都同時具有業界最優的功耗水

18、平。STM32系列產品的目的是為MCU用戶提供新的自由度。它提供了一個完整的32位產品系列,在結合了高性能、低功耗和低電壓特性:的同時保持了高度的集成性能和簡易的開發特性。STM32內部集成程序存儲器、內存、AD采樣和多個定時器，能使得系統的外圍部件最少，電路簡單，提高工作可靠性。水位測量電路用于采集水位水溫信號給單片機，是熱水器控制器最關鍵的部位。本設計采用一種類似鍵盤電路的分檔水位傳感器，其原理圖如圖2.4-2所示。圖2.4-2 水位測試電路示意圖用9根不銹鋼針分別置于水箱內的9種不同高度的位置，當某個鋼針不接觸水面時，其輸出為高電平；當其與水面接觸時則輸出低電平。它們的輸出接至電子開關C

19、D4069，經過CD4069反向并經74LS244驅動后分別接入STM32的輸入引腳。CPU對這些引腳進行判斷后，送去顯示相應的水位值。顯示共分9檔，每檔為滿水位的1/9 。這種方法簡單，易實現，省去了傳統的 AD轉換器，成本低，雖然不精確但可以滿足使用要求。水溫測量電路，用于采集水溫信號給單片機。溫度傳感器都選用NTC負溫度系數熱電阻，如圖2.4-3所示。A/D轉換式水溫傳感器的原理是，利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性，將隨溫度變化的電阻信號轉化為變化的電壓信號，然后將這個電壓信號經運放放大處理成03.3V的電壓信號。因為STM32處理器自帶AD轉換口，可將電壓信號直接接入處理器的AD輸入

20、口，轉換變成數字信號，這種電路測量比較精確。圖2.4-3 熱電阻A/D轉換電路原理觸摸屏，用于系統和人的信息交互，用于時間、水位、溫度顯示和對熱水工程的各種參數進行設置。本設計選用的是四線制電阻式觸摸屏，是在強化玻璃表面分別涂上兩層透明氧化金屬導電層，利用壓力感應進行控制。當手指觸摸屏幕時，兩層導電層在觸摸點位置就有了接觸，電阻發生變化。在X 和Y 兩個方向上產生信號，然后傳送到觸摸屏控制器RA8806?？刂破鱾蓽y到這一接觸并計算出（X，Y）的位置，再根據模擬鼠標的方式動作。驅動電路：包括上水電磁閥、循環泵、報警電路，是整個系統的執行部分。驅動電路采用光藕進行隔離，如圖2.4-4所示。圖2.4

21、-4 光藕隔離電路圖中L41，L52，L63，L74和STM32的輸出端口相連。當STM32的輸出端口為高電平時，使光藕的輸入端通過電流，發光二極體發光，光敏元件受到光照后產生電流，使得輸出端導通。光藕的輸出端D4、D5、D6、D7接繼電器，從而控制上水電磁閥、循環泵、增壓泵和空氣能熱泵的啟動和停止。光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯系，也沒有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾雜訊都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號的產生。光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當外部設備出現故障，甚至輸入信號線短接時，也不會損壞儀表。因為光

22、耦合器件的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。系統還擁有密碼驗證功能，能夠防止任意串改設置，密碼設置界面如圖2.4-5所示。圖2.4-5 密碼驗證界面2.4.2 監控系統具體實施的方式監控系統采用STM32處理器單片機與以太網控制器芯片ENC28J60實現以太網接口電路的設計與編程方法。以太網控制芯片ENC28J60則符合IEEE 802.3協議,可通過SPI接口與主控制器通訊, 因而可大大簡化相關設計, 減小占板空間, 從而可為嵌入式應用提供低引腳數、低成本且高效易用的遠程通訊解決方案。ENC28J60 是Microchip Technology公司推出的10Mbps以太網控制芯片,

23、 它的主要特點如下:符合IEEE 802.3協議, 內置10 Mbps以太網物理層器件(PHY) 及媒介接入控制器(MAC),可按業界標準以太網協議收發信息包數據。具有可編程過濾功能, 內含特殊的過濾器, 包括Microchip的可編程模式匹配過濾器, 可自動評價、接收或拒收Magic Packet、單播(Unicast)、多播(Multicast) 或廣播(Broadcast) 信息包, 以減輕主控單片機的處理負荷。10 Mbps SPI接口為業界標準的串行通訊端口, 它可使低引腳數的8位單片機具有網絡連接功能;內含可編程8 KB雙端口SRAM緩沖器, 可以以高效方式進行信息包的存儲、檢索和

24、修改,以減輕主控單片機的內存負荷, 同時可提供靈活可靠的數據管理機制ENC28J60以太網控制器的SPI接口可充當主控制器和芯片之間的通信通道, 以便通過總線接口對SPI接收的數據和命令進行解析。控制寄存器用于控制和監視ENC28J60, 8 KByte 雙端口RAM緩沖器則用于接收和發送數據包, 判優器可在DMA、發送和接收模塊發出請求時對RAM緩沖器的訪問進行控制。MAC (Medium Access Control) 模塊可實現符合IEEE 802.3 標準的MAC邏輯。PHY (物理層) 模塊可對雙絞線上的模擬數據進行編碼和譯碼。此外, 該芯片還包括振蕩器、片內穩壓器、電平變換器(提供

25、可以接受5 V電壓的I/O引腳) 和系統控制邏輯等,以太網接口則主要由ENC28J60、網絡變壓器、RJ45接口構成,其接口硬件連接電路見圖2.4-6所示。圖2.4-6 ENC28J60等網絡接口ENC28J60內置的10Mbps以太網物理層器件(PHY) 只要外接網絡變壓器即可, 本設計選用集成有以太網隔離變壓器和RJ45 插座的HR901170A。ENC28J60內部的模擬電路需要在RBIAS引腳和地之間跨接一個2 k精度為1%的偏置電阻。部分數字電路可工作在2.5 V以降低功耗; 器件內部集成的2.5 V調節器可產生所需的電壓, 但需在VCAP引腳和地之間接10F的電容以保證供電的穩定性(該2.5 V調節器不是為外部負載設計的)。ENC28J60 所有的供電引腳(VDD、VDDOSC、VDDPLL、VDDRX、VDDTX) 應接在外部的同一個3.3 V電源上; 同理, 所有的地(VSS、VSSOSC、VSSPLL、VSSTX) 也應接在同一個外部地上。每個供電引腳和地之間均應接一個0.1F的陶瓷電容, 電容盡可能接近供電引腳。由于驅動雙絞線接口需要較大的電流, 所以電源線應盡可能寬些, 且與引腳的連接盡可能短,