溫室空氣余熱熱泵調(diào)溫系統(tǒng)設(shè)計

目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 緒論1.1研究的背景及意義俗話說“民以食為天”，在高科技的現(xiàn)代，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展與物質(zhì)生活的提高，人們對作物的質(zhì)量與產(chǎn)量以及食品安全的追求越來越高，溫室大棚應(yīng)運而生。溫室大棚具有降低病蟲害、提高作物產(chǎn)量、反季節(jié)種植作物、管理方便等特點，從溫室數(shù)據(jù)平臺了解到在我國溫室總占地面積在189.4萬hm2，其中大多數(shù)類型為塑料大棚和日光溫室。用溫室來種植作物時，溫度作為最重要的一個指標，而其主要以太陽輻射為能源或者電加熱來為溫室大棚進行供暖。通過中國科學(xué)院的孫維拓前輩發(fā)表的期刊中了解到，對于使用時間比較久遠的大棚，通常在高緯度地區(qū)或者是天氣比較極端的情況下，只利用大棚本身的結(jié)構(gòu)去吸收太陽輻射是不夠的，收集的熱量完全滿足不了作物的需要[1]；在晴朗天氣集熱效果好的時候溫度又過高，需要人為的進行通風(fēng)降溫，這樣便浪費了很大部分的熱量，而且也需要大量的人工，管理也不方便。從這些方面，借鑒前輩的成果，設(shè)計了一套以單片機為微控制器，來控制空氣源熱泵對溫室進行溫度調(diào)節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計。其系統(tǒng)可以將溫室里空氣中過剩的熱量收集起來，作為系統(tǒng)中的熱源，利用循環(huán)進行溫度控制。1.2國內(nèi)外的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢目前我國最常見的溫室大棚在光照不足時，供暖系統(tǒng)大多利用燒鍋爐產(chǎn)生熱水或者熱蒸汽進行取暖或者采用電加熱的方式采暖，但是這些都需要消耗大量的一次能源煤炭或者傳統(tǒng)能源等，因其一部分具有不可再生性、效率低、污染嚴重的問題，逐漸的被淘汰。因此以環(huán)保、可再生為主要能源的調(diào)溫系統(tǒng)被逐漸重視。1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀隨著溫室結(jié)構(gòu)的逐步發(fā)展，以及結(jié)合外國先進技術(shù)的支持，國內(nèi)專業(yè)人員逐漸開始對溫室的供熱系統(tǒng)以及熱量分配的問題重視起來并且做了相應(yīng)的研究。山東建筑大學(xué)的張鋒等在2009年研發(fā)了用卵石床作為調(diào)節(jié)溫室溫度的材料，實驗結(jié)果顯示在夜間比平常沒有使用該設(shè)備的溫室溫度平均提高了5~8℃，減少了晝夜溫差[2]。2012年農(nóng)業(yè)科學(xué)院的張義等研究了在日光溫室中設(shè)置一套水幕簾蓄放熱系統(tǒng)，原理是白天通過利用水循環(huán)和蓄水池來吸收存儲太陽能的熱量，夜晚再通過水循環(huán)將熱量傳遞給溫室來達到溫室調(diào)溫的作用，實驗結(jié)果顯示應(yīng)用了該系統(tǒng)之后在夜間增溫效果是比不應(yīng)用該系統(tǒng)的溫室平均增加了5.4℃[3]。2013年中國科學(xué)院的孫維拓等設(shè)計了一套以熱泵為基礎(chǔ)的主動蓄放熱加溫系統(tǒng)，原理是利用熱泵循環(huán)將熱量存儲在蓄水池中，在夜間氣溫較低時，通過該系統(tǒng)給溫室供熱。實驗結(jié)果顯示溫室平均氣溫提升了5.26~6.64℃[4]。當溫室溫度過熱時，大部分溫室基本采用遮擋陽光以及通風(fēng)降溫，但是在夏季即使通風(fēng)降溫，這樣的降溫效果甚微，而在冬季通過通風(fēng)降溫反而把很大的一部分熱量白白的流失掉。1.2.2國外研究現(xiàn)狀在天津大學(xué)王俊杰前輩的碩士論文中了解到前輩們一直以能源高效利用來達到預(yù)期效果的目標研究著，在1977年NisbetSK和CheeKK將熱泵技術(shù)應(yīng)用在了溫室供暖系統(tǒng)中并且發(fā)現(xiàn)不僅節(jié)能而且效果顯著[5][6]；在2013年和2014年由YangSH和KimHN設(shè)計了利用空氣余熱的日光溫室熱泵加溫系統(tǒng)，將白天的室內(nèi)多余熱量儲存并轉(zhuǎn)移至夜間供熱，大大提高了空氣能的利用效率，節(jié)能效果顯著[7][8]。1.3研究內(nèi)容及章節(jié)安排本設(shè)計依托于空氣源熱泵機組原理來實現(xiàn)當溫室溫度過高時將空氣中富裕的熱量儲存起來，而當溫度降低時再給溫室升溫達到給溫室調(diào)溫的作用。本設(shè)計的主要目的是以單片機為主控制器，將溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行分析與判斷，通過主控制器對串口屏的通訊來實現(xiàn)人機操作，最終操控繼電器達到對熱泵機組各設(shè)備做出相應(yīng)的控制，并且傳回數(shù)據(jù)通過串口屏顯示，在溫室中實現(xiàn)集檢測溫度、調(diào)節(jié)溫度為一體并且具有實時性、可擴展性、操作簡單的溫室空氣余熱熱泵調(diào)溫系統(tǒng)。本文研究的主要內(nèi)容分以下幾個方面：本系統(tǒng)是基于單片機設(shè)計，故要對其相應(yīng)的模塊進行設(shè)計，實現(xiàn)利用串口屏進行人機交互，使其具有利用采集到的數(shù)據(jù)自動操作或人為主動操作設(shè)備的作用，利用串口進行數(shù)據(jù)的傳遞。研究并實現(xiàn)溫度傳感器的數(shù)據(jù)傳輸，在程序中實現(xiàn)將溫室內(nèi)和蓄水池中的溫度實時的傳輸?shù)街骺匦酒?，主控芯片將得到的?shù)據(jù)進行處理后發(fā)送給控制各個設(shè)備的繼電器完成相應(yīng)的動作。熟悉串口屏與主控芯片的相關(guān)操作，完成對溫度傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行采集和顯示并且結(jié)合人為通過對串口屏輸入相應(yīng)限制條件來達到各個設(shè)備相應(yīng)的啟停，完成對溫室內(nèi)的溫度進行調(diào)溫。最后進行模擬測試,測試其可行性與操作性。論文章節(jié)安排：第一章節(jié)首先說明了論文研究的背景及意義，進而簡述目前國內(nèi)外對溫室溫度控制的研究，并簡單敘述了論文中涉及的內(nèi)容現(xiàn)狀。第二章節(jié)經(jīng)過對系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能進行了全面的分析，確定了本設(shè)計采用的整體設(shè)計方案。第三章節(jié)主要是對系統(tǒng)硬件部分的功能介紹，其中包括主控制芯片，溫度傳感器和串口屏的介紹，以及需要設(shè)計的功能等等。本章對整個控制的設(shè)計過程進行了詳細的描述。第四章是對系統(tǒng)的軟件部分的介紹，以及涉及到的外設(shè)等方面對其在使用方面進行大體的介紹。第五章節(jié)是對系統(tǒng)進行了總體的測試與分析。并且對檢測的結(jié)果進行檢查與改進。第六章節(jié)是對整個研究對象進行總結(jié)，將目前系統(tǒng)中還存在的不足之處以及該系統(tǒng)功能的改進做出展望。

2系統(tǒng)概述2.1空氣源熱泵簡介本系統(tǒng)設(shè)計依托于空氣源熱泵技術(shù)原理實現(xiàn)對溫室大棚的溫度控制，空氣源熱泵技術(shù)具有效率高，環(huán)保，運行安全節(jié)能的特點。它根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理,采用電能驅(qū)動,通過傳熱媒介把大自然的低溫?zé)嵩粗袩o法被利用的低品熱能進行積蓄,之后將吸收回來的熱能提升至可用的高品位熱能并釋放到水中[9]；本次設(shè)計用到的空氣源熱泵主要由壓縮機、翅片換熱器、換熱器、循環(huán)水泵等部件組成，其工作原理是在給蓄水池儲存熱量階段，通過翅片換熱器充當蒸發(fā)器，低溫低壓的制冷劑通過循環(huán)進入蒸發(fā)器中，此時制冷劑會吸收外界空氣的溫度而被蒸發(fā)，形成了有一定溫度的低壓氣體，然后經(jīng)過壓縮機進行增壓增溫后會產(chǎn)生高壓高溫的氣體，通過管道進入以換熱器作為冷凝器的裝置，高溫高壓的氣體在換熱器中釋放出熱量，使得換熱器的水和制冷劑氣體進行熱量互換，此時制冷劑會因熱量散失變?yōu)橐簯B(tài)經(jīng)過膨脹閥泄壓后變?yōu)槌B(tài)的制冷劑完成一個循環(huán)；而經(jīng)過換熱過的水通過熱泵循環(huán)存儲在蓄水箱里，達到將空氣中富余的熱量儲存起來的目的。2.2系統(tǒng)實現(xiàn)目標本設(shè)計是基于單片機控制的溫室空氣余熱熱泵調(diào)溫系統(tǒng)，其實現(xiàn)的總體作用是利用單片機微控制器來控制空氣源熱泵系統(tǒng)中各個繼電器通斷進而達到溫度控制。本系統(tǒng)分為兩種模式，分別為手動模式與自動模式。2.2.1手動模式手動模式下微控制器作用是將溫度傳感器在不同地方的溫度數(shù)據(jù)進行采集與處理利用串口通訊將溫度實時顯示在人機操作界面，而用戶可以在人機操作界面根據(jù)串口屏顯示的實時溫度，人為的對空氣源熱泵系統(tǒng)中的各個繼電器進行操控。2.2.2自動模式在自動模式下微控制器的具體作用是將溫度傳感器所采集的不同地方的溫度數(shù)據(jù)進行分析，然后在人機界面通過通訊將用戶自己定義的各個溫度范圍返回給微控制器，最終由微控制器將兩大外設(shè)收集到的信息進行處理判斷，將溫度傳感器傳回的溫度數(shù)據(jù)與用戶自定義的溫度范圍進行比對，然后按照規(guī)則將空氣源熱泵系統(tǒng)的各個繼電器進行通斷。2.3系統(tǒng)設(shè)計方案本系統(tǒng)分為兩大部分，由控制部分以及人機交互部分構(gòu)成，控制部分主要包括數(shù)據(jù)信息采集裝置和控制各電器的繼電器以及主控芯片構(gòu)成；由串口屏來進行人機交互，這兩大部分通過串口進行通訊。構(gòu)成如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)方案圖2.3.1控制對象和參數(shù)的選擇圖2-2熱泵機組系統(tǒng)的控制對象為繼電器，即控制空氣源熱泵各部分電器運行的繼電器；通過人為設(shè)置溫度上下限值即溫室要控制溫度的范圍，通過設(shè)置的溫度上下限值與實際檢測地區(qū)所測得的溫度進行對比，當實際測得溫度大于最大臨界值或者小于最小臨界值時將會啟動對應(yīng)熱泵機組的電器，來對溫室進行調(diào)溫。根據(jù)圖2-2熱泵機組的原理圖分析具體調(diào)溫分為以下幾個階段（假設(shè)溫室溫度上限為A，下限為B）：集熱階段：當溫室溫度大于A時，啟動壓縮機、風(fēng)機、熱泵并打開電磁閥2（電磁閥1處于關(guān)閉狀態(tài)）此時，翅片換熱器中的冷凝劑與溫室空氣進行換熱，此時室溫會慢慢下降，冷凝劑經(jīng)過壓縮機壓縮升溫后產(chǎn)生高溫高壓的氣體通過換熱器與水進行換熱最終由膨脹閥將高壓的冷凝劑氣體降壓回到翅片換熱器中形成循環(huán)；而換熱的水通過熱泵循環(huán)被存儲在蓄水罐中。當室溫低于A-5℃后停止集熱。此階段中翅片換熱器充當蒸發(fā)器，換熱器充當冷凝器。普通散熱階段：當夜晚來臨后，室溫會慢慢降溫直到溫度小于設(shè)定溫度B時，此時啟動熱泵、風(fēng)機打開電磁閥1，存在蓄水池中的熱水通過翅片散熱器將溫度散發(fā)給室內(nèi)起到升溫的效果，直到水溫小于25℃時停止運行。強制散熱階段：當室溫小于B且水溫小于25℃時，啟動壓縮機、風(fēng)機、熱泵并打開電磁閥1（電磁閥2處于關(guān)閉狀態(tài)）啟動四通換向閥使冷凝劑進入逆循環(huán)，使機組進入強行放熱階段，當水溫低于15℃時停止運行。此時換熱器充當蒸發(fā)器，翅片換熱器充當冷凝器。應(yīng)急輔助加熱階段：當遇見天氣不好的時候，室溫小于B且水溫小于15℃時開啟風(fēng)機與電加熱器給溫室進行應(yīng)急輔助加熱。2.3.2硬件硬件部分主要由信息采集裝置和控制裝置以及人機交互裝置構(gòu)成，信息采集裝置主要為DS18B20溫度傳感器主要采集溫室內(nèi)部溫度與熱泵機組的蓄水箱水溫；控制部分為單片機控制熱泵機組的各電氣設(shè)備通斷的繼電器；人機交互部分為串口屏，通過串口通信實現(xiàn)與控制部分互聯(lián)通訊。2.3.3軟件軟件部分主要由上位機與下位機兩部分組成，上位機部分通過實現(xiàn)人機交互界面的各項參數(shù)的修改以及把對應(yīng)的參數(shù)反饋給下位機，而下位機接受來自上位機的參數(shù)與實時采集的溫度信息對比，對應(yīng)設(shè)置溫度上下限值進行相應(yīng)控制并把控制結(jié)果顯示在上位機中。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1STM32微控制器設(shè)計3.1.1微控制器選擇對于微控制器即MCU（MicrocontrollerUnit后文均以單片機代替）的選擇本著就近取材方便的原則有以下兩款可供選擇分別為STM32F103ZET6、STC89C51RC這兩款。STC89C51RC是由宏晶公司生產(chǎn)一款的非常經(jīng)典且適合入門的單片機芯片，它的結(jié)構(gòu)簡單并且易于上手，適合新手設(shè)計一些簡單的控制系統(tǒng)使用，工作電壓在5.5V~3.3V，工作頻率在0~40MHz，其芯片共有40個引腳，擁有32個通用I/O口，兩個串行通信口，四路外部中斷，有三個十六位定時/計數(shù)器等；片上集成512字節(jié)RAM以及4K字節(jié)ROM；其核心與外設(shè)是通過一條系統(tǒng)總線連接。STM32F103ZET6是一款由ST（意法半導(dǎo)體）公司基于Cortex-M3內(nèi)核的處理器。具有高性能、低成本、低功耗程序調(diào)試方便的特點，并且STM32資料公開有官方封裝庫易于編程。其工作電壓在2.0~3.6V之間，時鐘主頻為72MHz，其片上外設(shè)豐富自帶多種通信接口如USART（UniversalSynchronous/AsynchronousReceiver/Transmitter）、I2C（Inter-IntegratedCircuit）、SPI（SerialPeripheralInterface）等，芯片有144引腳，擁有112個I/O口，內(nèi)嵌8MHz的RC振蕩電路、看門狗定時器、電源控制器、16位PWM同步AC定時器、ADC采樣通道等豐富的資源大大降低了開發(fā)的復(fù)雜性[10]。是一款適合現(xiàn)場控制用的微控制器。基于各方面考慮，也為了以后可以拓展更多功能滿總現(xiàn)場控制的要求，我選擇STM32F103ZET6這款芯片作為本設(shè)計的微控制器。3.1.2電源設(shè)計因為實際應(yīng)用場地只提供220V交流電源，所以為了能夠得到直流電源，采用了220V轉(zhuǎn)5V電路，經(jīng)過變壓器降壓后再經(jīng)過整流濾波最終通過集成穩(wěn)壓器LM7805穩(wěn)壓提供穩(wěn)定的5V直流電源，電路如圖3-1所示。圖3-1220V轉(zhuǎn)5V電路考慮到所添加的外設(shè)與實際程序燒寫的原因，控制部分電源模塊采用5V供電，5V電源方便提供，在調(diào)試過程中可以從電腦USB接口直接供電或者用手機充電器為其提供5V電源，設(shè)計中用到的溫度傳感器，繼電器，串口屏這些外部硬件都可以直接從這里獲取5V的電源供電，因為單片機需要3.3V工作電源，所以給其提供了以AMS1117-3.3為主要芯片的5V轉(zhuǎn)3.3V電路，電路圖如圖3-2所示。圖3-25V轉(zhuǎn)3.3V電路3.1.3時鐘電路時鐘系統(tǒng)是單片機的心臟，想要單片機各個部分能夠正常運行，時鐘信號是必不可少的，STM32單片機共有四個獨立的時鐘源可供選擇，有頻率為8MHz的高速內(nèi)部時鐘HSI和頻率為40KHz的低速內(nèi)部時鐘LSI以及可以自己配置的高速外部時鐘HSE和低速外部時鐘LSE。因為本設(shè)計要用到各種片上外設(shè)，而片上外設(shè)大部分掛載在AHB總線上，而AHB總線要想工作就要開啟時鐘，時鐘是由系統(tǒng)時鐘的時鐘源決定，系統(tǒng)時鐘時鐘源如圖3-3所示。圖3-3部分時鐘框圖正如圖3-3上所示，系統(tǒng)時鐘的時鐘源是由HSI、HSE以及鎖相環(huán)PLL決定，因為高速內(nèi)部時鐘是內(nèi)部RC振蕩器產(chǎn)生的頻率，也正因為是RC振蕩器產(chǎn)生的頻率是不夠穩(wěn)定的所以一般情況下不用高速內(nèi)部時鐘作為系統(tǒng)時鐘。鎖相環(huán)PLL在這其實是起到倍頻器的作用，它可以選擇1~16共16種倍頻方式，它的時鐘輸入是通過兩個選擇器來選擇，外部高速時鐘可以經(jīng)過兩分頻或者不分頻作為選擇器一的時鐘輸入，選擇器一輸出的時鐘頻率可以作為選擇器二的時鐘輸入，或者通過內(nèi)部高速時鐘的兩分頻作為選擇器二的時鐘輸入，這樣選擇器二輸出的時鐘頻率可以作為鎖相環(huán)PLL的時鐘輸入來源。這樣在經(jīng)過鎖相環(huán)的倍頻輸出最終作為系統(tǒng)時鐘的始終來源。從上面分析可知，這樣高速外部時鐘的時鐘輸入是非常重要的，所以高速外部時鐘在外部要單獨接入一定振蕩頻率范圍的晶振，通常會選擇振蕩頻率為8MHz的晶振作為外部高速時鐘的輸入，外部晶振電路圖如圖3-4所示。圖3-4外部晶振電路圖3.1.4復(fù)位電路為了保證程序的可靠運行防止程序在調(diào)試過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況以及方便對運行程序的觀察，能夠使STM32回到原始狀態(tài)，核心板自帶了一按鍵復(fù)位電路如圖3-5所示。圖3-5按鍵復(fù)位電路3.1.5USB轉(zhuǎn)串口模塊圖3-6USB轉(zhuǎn)串口通訊結(jié)構(gòu)圖在前期開發(fā)過程中，要利用串口屏開發(fā)軟件模擬串口屏與單片機進行通訊實驗，如圖3-6所示單片機所用的是TTL電平而電腦是USB電平，故要用到電平轉(zhuǎn)換芯片來進行電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換芯片采用的是CH340芯片。電平轉(zhuǎn)換芯片CH340是一款普遍都在用的轉(zhuǎn)接芯片，實現(xiàn)把電腦的USB接口映射為串口。圖3-7為USB轉(zhuǎn)串口模塊電路，通過單片機片上串口腳PA9與PA10分別與CH340芯片三四引腳相連，然后USB接口再與CH340芯片模塊對應(yīng)的引腳相連即可實現(xiàn)電腦端與單片機的串口通訊通過轉(zhuǎn)接BOOT0的跳線帽可實現(xiàn)串口的一鍵下載功能可以為單片機燒入程序。圖3-7USB轉(zhuǎn)串口連接圖3.2外圍設(shè)備設(shè)計3.2.1傳感器圖3-8溫度傳感器原理圖及實物圖本設(shè)計所用到的數(shù)據(jù)測量是溫度測量，最常用的就是數(shù)字溫度傳感器DS18B20，DS18B20的實物圖如圖3-8所示，因為要測量蓄水罐的溫度以及溫室室內(nèi)的溫度，所以選擇了一款防水型（紅色為電源線，黃色為信號線，黑色為接地線）以及一款基礎(chǔ)型溫度傳感器。這兩款溫度傳感器輸出的是數(shù)字信號，測量的溫度范圍是-55℃~+125℃完全滿足系統(tǒng)的需要，其獨特的單總線操作方式可以支持多個相同型號的傳感器并聯(lián)在唯一的三線上，工作電源為3.0~5.5V（DC）；直接將信號線與單片機端口相連即可實現(xiàn)單片機與溫度傳感器的互聯(lián)，再通過簡單的設(shè)置就可以將溫度數(shù)據(jù)傳輸給單片機省去了數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，方便程序管理與維護。3.2.2屏幕選擇屏幕選擇了由淘晶馳公司生產(chǎn)的K0系列的型號為TJC4832K035_011的串口屏分辨率為480x320，這是一款易開發(fā)的觸摸屏，有專門的屏幕開發(fā)軟件，屏幕顯示樣式格式等只需在這個專門的開發(fā)軟件上設(shè)置不用像其他LCD液晶屏那樣通過單片機來給其屏幕設(shè)置顯示樣式，減輕了單片機的負擔(dān)，只需要利用串口通訊的方式就可以與單片機互聯(lián)通訊，使用方便簡潔。圖3-9串口屏接線圖3.2.3繼電器本次設(shè)計的執(zhí)行控制部分只是將空氣源熱泵機組的各個設(shè)備進行通斷即通電與斷電兩種狀態(tài)，只需要繼電器即可完成該兩種狀態(tài)的切換。電磁繼電器通常用來做自動控制中電氣設(shè)備的開關(guān)來使用，實現(xiàn)以小控大的作用即用微小的控制信號控制工頻交流電的通斷，它是由電磁鐵、銜鐵、彈簧、動靜觸點等結(jié)構(gòu)組成，控制信號電流通過電磁鐵線圈產(chǎn)生磁場從而吸引銜鐵致使動靜觸電動作。繼電器選擇的是5V兼容3.3V繼電器模塊，該繼電器模塊采用光耦隔離，使控制信號與被控電器實現(xiàn)安全的電氣隔離，從而使其兩種信號不會影響彼此，減少了信號的干擾，增加了單片機運行的安全性防止因電流過大而燒毀，單個電路結(jié)構(gòu)圖如圖3-10所示。圖3-10繼電器模塊電路圖3.3空氣源熱泵機組3.3.1制冷劑制冷劑是空氣源熱泵系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換熱量必不可少的一部分，作為熱泵系統(tǒng)中的媒介物質(zhì)，它起到傳遞熱量的作用，在熱泵系統(tǒng)中通常用\t"/item/%E5%88%B6%E5%86%B7%E5%89%82/_blank"二氟一氯甲烷R22作為制冷劑來使用，其標準的蒸發(fā)溫度大約在-40℃左右，凝固溫度大約在-160℃左右，R22其性能穩(wěn)定無色無臭，不燃燒沒有腐蝕性，其毒性較低但在安全的范圍內(nèi)，R22是一種適用范圍比較廣的制冷劑，大多數(shù)家庭空調(diào)裝置以及商用的制冷系統(tǒng)中通常被用作機組的制冷劑。3.3.2壓縮機壓縮機是空氣源熱泵系統(tǒng)中的兩大“心臟”之一。它既要沿回路泵送制冷劑，又要按照要求適當?shù)卦黾永鋬龉べ|(zhì)的壓力，通常要求壓縮機在中等制冷劑流速下提供較高的壓力差[11]。常見壓縮機的類型有往復(fù)活塞式壓縮機、滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機、螺桿式壓縮機、渦旋式壓縮機、離心式壓縮機[12]。而渦旋式與螺桿式壓縮機為空氣源熱泵機組里最常用的兩款壓縮機類型，渦旋式壓縮機工作原理是有兩個渦旋盤相互咬合而成分為動靜兩個渦盤，動渦盤通過偏心軸驅(qū)動在靜渦盤軸心做平面回旋，氣體存在的空隙隨著偏心軸的旋轉(zhuǎn)逐漸減小而被壓縮，其獨特的結(jié)構(gòu)齪合式的動作方式，幾乎沒有磨損，使得渦旋式壓縮機要比螺桿式壓縮機使用壽命長，而且渦旋式壓縮機運行平穩(wěn)，噪聲小，震動小適合在實驗中使用，所選用的壓縮機是美國谷輪生產(chǎn)的渦旋式壓縮機ZR36K3-PFJ-522，功率為3HP；它是谷輪公司生產(chǎn)的ZR系列中高溫渦旋式壓縮機，在大多數(shù)使用情況下不需要曲軸箱加熱器和氣液分離器

；可以使用R22作為制冷劑；其名義制冷量在9kW左右輸入功率在2kW左右，電源為工頻單相220V電壓驅(qū)動。3.3.3循環(huán)水泵空氣源熱泵系統(tǒng)中另一個“心臟”就是循環(huán)水泵，它被安裝在儲水箱與冷凝器之間，通過水循環(huán)將冷凝器中高溫高壓的冷凝劑進行冷卻，并且在此過程中通過水吸收冷凝劑的溫度并且存儲在蓄水池中，達到存儲熱量的目的。選用的水泵型號為德國威樂公司生產(chǎn)的PD-180E水泵，其額定輸出功率為180W，最大揚程為5.5m,最大流量為100L/min，工作電源為工頻單相220V電壓。3.3.4風(fēng)機風(fēng)機的作用是通過強制性改變空氣中的氣體流動速度來將熱量更好的傳遞給每一部分，提高系統(tǒng)的換熱效率，風(fēng)機采用內(nèi)部的單相交流電壓為220V異步電機進行驅(qū)動。這種類型的風(fēng)機比較普遍具有控制簡單，價格便宜的特點。3.3.5換熱器件及其他器件在空氣源熱泵系統(tǒng)中的換熱元件有吸收空氣中的熱量并且將熱量轉(zhuǎn)移到制冷劑的蒸發(fā)器，還有將高溫高壓的制冷劑冷卻下來把熱量傳給另一個載體以達到儲存熱量的冷凝器。此次所采用的是翅片式換熱器與套管換熱器，翅片式換熱器采用不銹鋼高頻焊接翅片管，在管體本身纏繞厚度為0.8~1mm的帶鋼纏繞，其具有換熱能力強使用壽命長生產(chǎn)方便的特點；套管換熱器采用世紀龍科技有限公司產(chǎn)的SJLX3P286254套管換熱器，其名義換熱能力為11.4kW，采用跑道型螺紋管結(jié)構(gòu)材料提高了換熱能力。用來進行輔助加溫的電加熱器采用不銹鋼材料的W型干燒型翅片電加熱管，功率在2000W左右，工頻交流220V電源供電。為了方便將各種電器的電源統(tǒng)一化，故在用控制的各種電磁閥中均使用交流220V供電，而所采用的管道均采用直徑為32mm的PVC管，管道外加保溫套防止熱量散失。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1軟件開發(fā)環(huán)境軟件設(shè)計部分是一個自動控制系統(tǒng)中的核心部分，相當于整個系統(tǒng)的心臟，軟件開發(fā)的好壞、程序優(yōu)化的問題在到整個控制系統(tǒng)能否正常運行，能否按照操作要求執(zhí)行操作，能否發(fā)揮最好的性能起到重要作用。此次是以C語言為基礎(chǔ)以KeiluVision5軟件為平臺進行軟件上的開發(fā)設(shè)計。單片機的軟件開發(fā)一般都是以C語言和匯編語言進行開發(fā)，而C語言的普及范圍廣，在大學(xué)期間都會開設(shè)這一門課程，并且很多學(xué)校以C語言計算機二級證書作為畢業(yè)條件，所以在單片機軟件開發(fā)中以C語言進行程序的編寫是最主流的。它具有移植性強、使用靈活、結(jié)構(gòu)思路清晰、表達能力強等特點。尤其是結(jié)構(gòu)化編程中C語言提供了一套較為基礎(chǔ)的函數(shù)庫為用戶提供使用，不但用戶可以自己根據(jù)需求進行庫函數(shù)開發(fā)方便程序運行與維護，而且一段定義好的函數(shù)就是一個程序塊，程序移植方面大大的提高了方便性節(jié)約了時間，對程序的優(yōu)化也方便許多。KeiluVision5軟件是Keil公司在13年推出的一款針對ARM公司生產(chǎn)的各種嵌入式處理器尤其是Cortex-M內(nèi)核的控制器的集成開發(fā)軟件，它向下兼容KeiluVision4版本的文件在程序移植方面起到了很重要的作用，我所使用的是Cortex-M3內(nèi)核的STM32F1系列微控制器，只需要在官網(wǎng)安裝對應(yīng)的器件安裝包就可以對STM32F1系列微控制器進行開發(fā)并且完美兼容芯片廠商所提供的基礎(chǔ)固件庫，極大程度上減輕了軟件開發(fā)的時間周期。KeiluVision5軟件的開發(fā)流程一般有以下幾個步驟：打開軟件后新建一個工程，選好被開發(fā)芯片所對應(yīng)的型號序列，根據(jù)需求添加配置文件。編寫程序代碼即編寫想要系統(tǒng)實現(xiàn)的功能所對應(yīng)的程序。將編寫好的程序代碼生成能夠在芯片內(nèi)部執(zhí)行的文件，并將文件通過系統(tǒng)仿真進行試運行查看運行情況。針對仿真過程中出現(xiàn)的問題對程序進行修改與優(yōu)化。最后將最終的程序執(zhí)行文件燒入單片機中。所以，為了縮短開發(fā)周期，方便管理，選擇KeiluVision5軟件作為溫室空氣余熱熱泵調(diào)溫系統(tǒng)設(shè)計的軟件開發(fā)平臺。KeiluVision5軟件開發(fā)界面如圖4-1所示。圖4-1KeiluVision5軟件開發(fā)界面本次設(shè)計用到的是淘晶馳公司生產(chǎn)的串口屏，該公司生產(chǎn)的串口屏有專門的屏幕開發(fā)軟件USARTHMI，這款軟件操作簡單易上手，有專門的自定義圖庫與字庫可以根據(jù)自己需求設(shè)置背景圖片與文字效果，使得串口屏在實際使用中更加個性美；在軟件的工具箱區(qū)域有文本、按鈕、進度條、滑塊等多種界面控件可以選擇，提高了可操作性；在事件編輯方面公司給了專門的指令集，通過這些簡單的指令集可以在屏幕操作時如切換頁面、觸碰反應(yīng)等方面不用通過單片機的指令調(diào)用，僅僅靠屏幕本身內(nèi)部的處理就可以實現(xiàn)，減少了占用單片機運行內(nèi)存。在調(diào)試方面軟件自帶仿真功能，通過單片機與電腦進行串口連接即可在電腦上進行串口屏的調(diào)試，使用戶開發(fā)更加方便，開發(fā)流程一般如下：打開軟件新建工程，根據(jù)屏幕款式進行相應(yīng)配置。添加所需要的字庫圖庫。對頁面進行編輯，并且根據(jù)所需在事件區(qū)域進行指令編寫。連接單片機進行仿真調(diào)試。根據(jù)仿真結(jié)果反復(fù)修改最終達到想要結(jié)果后拷貝文件，利用內(nèi)存卡對串口屏進行數(shù)據(jù)傳輸。圖4-2USARTHMI軟件開發(fā)界面4.2核心部件軟件開發(fā)介紹4.2.1溫度傳感器DS18B20因其是一個三端原件，信號線只有一根，所以利用半雙工的通訊方式與單片機通訊，他共有六種信號類型分別為復(fù)位脈沖，應(yīng)答脈沖，寫0和寫1時序以及讀0和讀1時序；這六種信號除了應(yīng)答脈沖是溫度傳感器自身發(fā)出外，其他信號都是由單片機發(fā)出信號，并且發(fā)出的所有信號里都是以低位的字節(jié)在前。圖4-3DS18B20讀取溫度流程圖首先要對溫度傳感器信號線所接在單片機的輸入輸出接口進行配置；然后根據(jù)圖4-4可知在溫度傳感器初始化過程中包括了復(fù)位脈沖與應(yīng)答脈沖。單片機要給傳感器一個時長至少要480μs的低電平之后單片機會釋放總線一段時間進入等待溫度傳感器應(yīng)答脈沖；（在此期間因為單片機與傳感器信號端是以上拉電阻相連，所以在釋放總線階段就是高電平階段）此時溫度傳感器會認為復(fù)位脈沖到來，然后在單片機釋放總線15μs至60μs后溫度傳感器會給單片機傳輸響應(yīng)信號即拉低總線時長在60μs至240μs的時間，此時單片機認為溫度傳感器連接在單片機上。圖4-4初始化時序圖對傳感器進行寫時序的時候是先從低位開始寫，寫時序包括寫0與寫1，根據(jù)圖4-5所示的時序圖可知，在對溫度傳感器的寫0時，單片機要拉低總線即輸出時長為60μs的低電平然后再釋放總線即輸出時長為2μs的高電平；同理在對溫度傳感器寫1時，單片機同樣首先拉低總線但是時長為2μs，之后同樣的要釋放總線，但是時長為60μs。這樣就完成了對傳感器的寫時序。圖4-5寫時序圖根據(jù)圖4-6所示的時序圖可知，在對溫度傳感器進行讀數(shù)據(jù)時首先要讓單片機拉低總線至少1μs的時間，之后單片機釋放總線在此期間溫度傳感器開始向單片機輸出數(shù)據(jù)，此時單片機輸入輸出端口配置為輸入模式，并且向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)要在15μs內(nèi)的時間進行，否則所發(fā)送的數(shù)據(jù)無法被單片機接收到。單片機在對溫度傳感器讀取每位數(shù)據(jù)時至少需要60μs的時間，并且在每位數(shù)據(jù)的讀取之間至少要延時1μs來進行恢復(fù)。圖4-6讀時序圖4.2.2串口屏開發(fā)串口屏有專門的開發(fā)軟件，在本章的剛開始有介紹，串口屏的主要作用是用來顯示溫度并且能夠在屏幕上輸入?yún)?shù)傳給單片機然后做出相對應(yīng)的繼電器操作。圖4-7串口屏任務(wù)功能示意圖所設(shè)計的頁面共有四頁，分別為初始化首頁，模式選擇頁以及自動模式界面和手動模式界面，對應(yīng)圖4-7可知，初始化運行時會首先進入首頁，點擊屏幕跳轉(zhuǎn)到模式選擇頁面，此時可以進行選擇。在手動模式界面下，用戶可以根據(jù)自己需求自行對任意階段進行開啟與關(guān)閉，同樣也可以檢測到室內(nèi)與水箱內(nèi)的實時溫度，而且還可以通過屏幕反饋回來的信息了解每個模式下各主要電器的狀態(tài)。在自動模式界面下，首先要設(shè)置自動操作時所需要的溫度上下限值，然后會將數(shù)據(jù)反饋給單片機，然后單片機通過設(shè)置的溫度上下限值與實際的溫度進行對比將處理結(jié)果顯示在屏幕的“機組當前狀態(tài)”一欄，并且與手動模式一樣顯示機組各大主要電器的實時狀態(tài)。具體設(shè)計如下：首先是對界面的設(shè)置，因其獨特的開發(fā)環(huán)境，可以做出比較美觀的界面，從圖庫中導(dǎo)入了圖片做為首頁命名為“F”并且標明相應(yīng)的信息。圖4-8首頁畫面在背景這一頁事件欄里的按下事件輸入操作指令“pageopt”（模式選擇頁面名稱為opt）這樣就可以點擊背景進入選擇模式界面。在選擇模式界面添加兩個模式的按鈕，在手動模式這個按鈕的按下事件欄里輸入操作指令“printh650001FFFFFF”和“pageSD”達到切換到手動模式頁面（頁面名稱為SD）的同時向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)讓單片機開啟手動模式。同樣在自動模式按鈕的事件欄里輸入指令“printh650001FFFFFF”發(fā)送數(shù)據(jù)讓單片機進入自動模式，輸入“pageZD”讓頁面切換至自動模式頁面（頁面名稱為ZD）。圖4-9選擇模式圖4-10手動模式在手動模式頁面，單片機將溫度傳感器傳回的溫度數(shù)據(jù)進行處理然后發(fā)送給串口屏，使其溫度顯示在室內(nèi)溫度與水溫后面的空白處，之后在下面的每個階段后面設(shè)置一個按鈕，并且在每個按鈕事件欄里輸入相應(yīng)的指令參數(shù)，實現(xiàn)每個階段可以單獨操作，并且在屏幕中可以看到重要電器的當前運行狀態(tài)（默認全部為關(guān)閉狀態(tài)）。在自動模式界面下，與手動模式的畫面大同小異，在此界面可以設(shè)置自動操作時所需要的溫度上下限值（默認溫度上下限值為30℃與20℃）當輸入完溫度后點擊確認按鈕，然后會將兩個臨界值傳回給單片機，最終經(jīng)過處理后會在屏幕的“機組當前狀態(tài)”一欄顯示當前的狀態(tài)，并且與手動模式一樣顯示機組各主要電器的實時狀態(tài)。圖4-11自動模式界面與串口屏進行數(shù)據(jù)傳輸時，串口屏想要接收到命令并且執(zhí)行需要對發(fā)送的數(shù)據(jù)末尾加三個“0XFF”這樣串口屏才會認為已收到單片機發(fā)過來的數(shù)據(jù)，所以選用了串口打印的方式對串口屏發(fā)送命令，而為了區(qū)分單片機接收到不同命令，在串口中斷中利用數(shù)據(jù)包接收的方式將接收到的數(shù)據(jù)緩存起來通過分析包頭和包尾以及中間的數(shù)據(jù)不同來做出相應(yīng)的動作。以下為各數(shù)據(jù)所代表的含義：“650000FFFFFF”代表停止發(fā)送溫度數(shù)據(jù)；“650001FFFFFF”代表切換至手動模式操作方式；“650002FFFFFF”代表單片機切換至自動模式操作方式；“650003FFFFFF”代表手動模式下集熱階段開啟；“650004FFFFFF”代表手動模式下集熱階段關(guān)閉；“650005FFFFFF”代表手動模式下普通散熱階段開啟；“650006FFFFFF”代表手動模式下普通散熱階段關(guān)閉“650007FFFFFF”代表手動模式下強制散熱階段開啟；“650008FFFFFF”代表手動模式下強制散熱關(guān)閉“650009FFFFFF”代表手動模式下應(yīng)急加熱開啟；“650010FFFFFF”代表手動模式下應(yīng)急加熱關(guān)閉。圖4-12串口中斷程序圖4-13利用串口打印顯示到串口屏4.3控制算法自動控制這一理論，已經(jīng)完全融入到了我們的生活當中，小到日常生活中洗澡水溫度調(diào)節(jié)，大到導(dǎo)彈制導(dǎo)，從家電制造到軍工制造等等，無一不體現(xiàn)自動控制的重要性，如今自動控制蓬勃發(fā)展算法也多種多樣諸如PID算法、Fuzzy模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、Optimal優(yōu)化控制等控制算法。4.3.1二位式控制算法二位式控制算法是最傳統(tǒng)的一種算法，也是最簡單好理解并且在實際工作當中經(jīng)常用到的一種算法。圖4-14二位式控制算法在圖4-14中，可以看到位式控制算法有兩個輸入分別為用戶所期望的目標值SV以及傳感器反饋的當前值PV。在算法當中利用不同的方式對輸入進行分析判斷以及運算，最終將結(jié)果進行輸出作為控制信號OUT，控制信號只會輸出高電平與低電平兩個狀態(tài)，故稱之為二位式控制算法。該算法的特點是只考察當前的狀態(tài)并且輸出信號單一只有高電平與低電平兩種狀態(tài)，相當于讓執(zhí)行部件對控制對象進行開和關(guān)，使控制對象處在工作與不工作的狀態(tài)下；算法的輸出結(jié)果僅僅依靠當前值PV與設(shè)定值SV進行比較來輸出，這樣使得控制對象要么處在全功率運行狀態(tài)要么處在斷電狀態(tài)，最終使得當前值一直在設(shè)定值上下波動不穩(wěn)定，無法標準的達成想要的設(shè)定結(jié)果。4.3.2PID算法PID算法是利用比例積分微分運算將過去的狀態(tài)與當前狀態(tài)結(jié)合起來進行分析，對將來可能出現(xiàn)的狀態(tài)進行提前的判斷，提前進行控制使得最終結(jié)果可以穩(wěn)定在預(yù)期的設(shè)定值。圖4-15PID算法圖中可以看出SV代表用戶設(shè)定的一個目標值，PV代表通過傳感器反饋控制對象當前的狀態(tài)值，算法結(jié)構(gòu)與位式算法差不多都是利用了這兩個值進行運算分析，而PID算法是通過SV與PV相減得到一個偏差信號用E表示；將開機運行后到當前時間的所有偏差記錄在歷史偏差中，并且將當前時間的前幾個時刻的偏差記錄在最近偏差當中，連同當前的偏差進行線性疊加輸出一個控制信號，所以PID算法不僅考慮了當前的偏差狀態(tài)還考慮了歷史偏差狀態(tài)，這樣相對于之前的位式控制算法能夠達到比較理想的控制效果。 POUT=PID算法包括比例控制算法和積分控制算法以及微分控制算法，其計算出的輸出信號不再是位式控制算法那樣只有高和低的結(jié)果而是類似于PWM的周期信號，通過一個系數(shù)與當前的偏差E相乘（偏差E的正負代表是否達標，E為正數(shù)代表當前已達標，若為負數(shù)則未達標），使得輸出的結(jié)果與偏差信號成比例關(guān)系，如果當前偏差過大即實際狀態(tài)與目標值差值過大就會使輸出控制信號在一個周期內(nèi)導(dǎo)通時間變長，這樣使得最終當前值向目標值靠近，但是因為公式的特性導(dǎo)致，在越接近目標值時當前值的變化越緩慢最終導(dǎo)致在純比例作用下存在靜態(tài)偏差。 SK= IOUT=為了解決靜態(tài)偏差，引入積分控制算法，通過利用PID算法當中存儲的歷史偏差，將所有的偏差進行加和記作Sk，積分控制算法的輸出為Sk與一個系數(shù)相乘，Sk為正數(shù)說明從開機以來過去的時間內(nèi)大多數(shù)時間內(nèi)是未達標的，這時輸出應(yīng)該對當前的輸出信號進行加強；反之說明大多數(shù)時間已經(jīng)超標則應(yīng)該對當前的輸出信號進行削減。在只有比例和積分算法時因為積分控制算法只考慮歷史偏差數(shù)據(jù)，利用歷史數(shù)據(jù)來對控制信號進行修正，這樣導(dǎo)致了在開機后第一次到達目標值后因為之前的所有偏差信號均為正數(shù)，這樣會繼續(xù)對控制信號進行加強，這樣會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，之后會慢慢恢復(fù)正常。 DK= DOUT=微分控制算法則是利用最近的兩次偏差之差記作DK進行分析，反映了偏差的變化趨勢，受控制對象的影響往往這種變化趨勢會具有延續(xù)性，所以通過分析偏差的變化趨勢來預(yù)測出下次偏差變化的趨勢提前進行控制；若DK為正數(shù)，說明將來可能會有一個增大的偏差變化趨勢則輸出的控制信號要進行加強，反之進行削減。PID=KP基于前三個公式（公式4.1和公式4.3以及公式4.5），將三個公式進行組合，形成簡單的PID數(shù)學(xué)模型（公式4.6）。4.3.3基于單片機的PID控制算法 SK= DK=T為采樣周期即計算周期，Ti為積分常數(shù)Td為微分常數(shù)；要保證輸出結(jié)果準確T值和Ti值以及Td值在編寫程序時要隨著實際工況下進行不斷地調(diào)整；因為會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，此時往往會在開機第一次到達目標值之前將積分常數(shù)設(shè)置的很大來減小過程現(xiàn)象。依據(jù)上節(jié)的PID簡單數(shù)學(xué)模型分析基于單片機的PID算法。 OUT=KP上式得出的結(jié)果可以直接代表著PID輸出信號PWM脈沖寬度。此算法適用于于沒有記憶功能的如繼電器雙向可控硅等執(zhí)行器件，對于有記憶功能的如步進電機等執(zhí)行器件可以使用增量式PID。 ?OUT=KP4.3.4參數(shù)整定在參數(shù)的整定過程中，大部分情況下采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)法，此方法是前輩們經(jīng)過大量的實驗總結(jié)出來的一種快捷的整定方法；對于控制對象的選擇不同，其在應(yīng)用PID算法時整定的參數(shù)也不相同，這時可以用經(jīng)驗數(shù)據(jù)作為參考對參數(shù)進行適當修改以達到控制要求。根據(jù)公式（4.9）的基于單片機的位式PID控制算法，在程序中定義一個結(jié)構(gòu)體用來存放所有需要的參數(shù)；在各項參數(shù)中，Ek為當前偏差其值可由用戶定義的設(shè)定值SV與當前傳感器傳回的數(shù)值SV計算得出，T為計算周期，其值根據(jù)實際情況設(shè)定；在經(jīng)驗數(shù)據(jù)中以溫度作為控制對象的算法中比例系數(shù)Kp一般為1.6~5；而積分時間常數(shù)Ti為3min~10min；微分時間常數(shù)Td為0.5min~3min；其中在比例系數(shù)進行整定時，將積分作用和微分作用去除即根據(jù)公式（4.9）可知將積分時間常數(shù)調(diào)大，微分時間常數(shù)調(diào)零。此時只會有比例作用根據(jù)參數(shù)范圍由小到大進行修改，觀察此時系統(tǒng)的響應(yīng)，當系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩時再逐漸減小比例系數(shù)直到震蕩剛好消失，此時取比例系數(shù)的0.6~0.8倍作為PID算法中的比例系數(shù)Kp。之后加入積分作用，積分時間常數(shù)根據(jù)參數(shù)范圍由大到小進行調(diào)試，當系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩時，再將積分時間常數(shù)進行增大，系統(tǒng)振蕩消失后此時的積分時間常數(shù)取其值的1.5~1.8倍作為積分時間常數(shù)Ti。微分時間常數(shù)的參數(shù)整定與比例系數(shù)相同首先根據(jù)參數(shù)范圍由小到大進行調(diào)試，在系統(tǒng)震蕩消失穩(wěn)定時取當前值的0.3倍作為算法中的微分時間常數(shù)Td。

5系統(tǒng)測試5.1傳感器部分測試將兩個溫度傳感器接到單片機開發(fā)板提供的3.3V電源與地，信號接到PG11上，單片機通電后自動開啟，每隔100ms采集一次溫度數(shù)據(jù)，因為與串口屏采用普通串口的通訊方式所以首先用串口調(diào)試助手測試溫度傳感器采集到的溫度。圖5-1串口調(diào)試從串口調(diào)試助手顯示界面可知，兩個溫度傳感器在同一室溫下所采集到的溫度，存在較小的誤差可以忽略不計。圖中所顯示的t2.txt=“數(shù)值”為串口屏獨特的修改界面文本數(shù)值的命令字符其含義是將代