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摘 要 本文主要对热泵热水器的工作原理和流程、其控制器系统硬件的要求等进行论述，来进一步探讨热泵热水器控制器的设计要求及其应用。
关键词 热泵热水器；控制器；芯片；模块
中图分类号 TP 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)011-0149-01
热泵热水器是指利用逆卡诺原理，通过介质把热量从低温物体传递到高温的水里的设备。热泵装置通过相变介质，使其温度远低于低温热源，而自发吸收低温热源的热量；回到压缩机后的介质，会被压缩成温度比高温水更高的高压气体，又自发放热到高温热源；实现把低温热源“搬运”热量到高温热源的运作，突破能量转换100%瓶颈。
近年来，热泵的新能源技术在全球倍受关注。生活中常见的泵是一种可以提高介质（流体）位能或势能的机械装置，或是输送流体至更高压力或更高位置的机械装置，如：油泵、气泵、水泵、混凝土泵等。而热泵是一种输送热量的泵，是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，通过电力做功，给人们提供所需的高品位热能的装置。
本文中介绍的热泵控制器，其设计的核心使用S3F84I9芯片，这种设计既能使热泵运行状态达到实时监控，又能在出现故障时发出告警，并具有保护压缩机分时段运行等功能，还具备自学习和自适应功能，使热泵热水器具有了高可靠性和高效节能性。
1 热泵热水器工作原理及蒸发流程
1.1 热泵热水器的基本原理
热泵热水器的组成包括：压缩机、热交换器、轴流风扇、保温水箱、水泵、储液罐、过滤器、电子膨胀阀和电子自动控制器等。热泵热水器的基本工作原理：接通电源后，軸流风扇开始运转，室外空气通过蒸发器进行热交换，温度降低后的空气被风扇排出系统，同时，蒸发器内部的工质吸热汽化被吸入压缩机，压缩机将这种低压工质气体压缩成高温、高压气体送入冷凝器，被水泵强制循环的水也通过冷凝器，被工质加热后送去供用户使用，而工质被冷却成液体，该液体经膨胀阀节流降温后再次流入蒸发器，如此反复循环工作，空气中的热能被不断“泵”送到水中，使保温水箱里的水温逐渐升高，最后达到适合人们使用的
温度。
1.2 蒸发流程具体过程
蒸发的流程：1）过热液体媒体在蒸发器内吸收低温物体的热量，蒸发成气体媒体。2）蒸发器出来的气体媒体经过液压缩机的压缩，变为高温高压的气体媒体。3）高温高压的气体媒体在冷凝器中将热能释放给高温物体，同时自身变为高压液体媒体。
4）高压液体媒体在膨胀阀中减压，再变为过热液体媒体，进入蒸发器，循环最初的过程。
2 系统硬件设计的要求
2.1 控制器类型的选用
热泵控制器运行时应用的参数量很大，需要设置和显示参数。实际生活中，热泵控制器大多使用专用的IC芯片，但这种专用的IC芯片提高了硬件成本，系统的可靠性也会降低。热泵操作板的控制器则使用S3F84I9芯片，这是一款由SAMSUNG公司研发的芯片，基于RISC架构的微控制器，内有528字节的RAM，32K字节的FLASH ROM，8路10位
A/D转换通道，具有高性能和低价位优势，常规控制器有8位微控制器功能，而S3F84I9芯片控制器，其最大优势是它的内部集成LCD驱动器，LCD显示的内容通过对LCD RAM中的数据进行调整便能控制，进而驱动4*20段或8*16段液晶显示。还能编写程序对该控制器内部的一些FLASH进行擦除和读写，从而可以对一些重要数据进行更新和保存，通过对一段时间的这些数据进行分析和学习，可以使该电热水器达到用户最经济、最理想的工作状态。
外机板的功能是对3路温度信号进行采集，外机板的控制器使用微控制器S3F9454，这也是SAMSUNG公司的一款微控制器，性价比较高。这种控制器的模数转换（A/D）模块的优点：1）能够提供8个模拟输入通道。2）高分辨率（可高达4096阶）。3）在温度信号检查时使热泵热水器达到检测要求。
2.2 硬件总体结构的分析
热泵控制器的硬件组成：操作板和外机板。操作板使用SAMSUNG公司研发的S3F84I9芯片来实现LCD驱动，实现键盘扫描，以及实现温度数据处理等任务；外机板的作用除采集3路温度信号，发出压力警告信号外，还能控制4路继电器的输出。操作板和外机板之间的通信，通过光耦电流环通信接口得以实现。热泵控制器硬件结构分析图，如图1。
2.3 模块显示的分析
上述 S3F84I9芯片，它内部的LCD驱动器其电压方式既支持R方式，也支持C方式（仅1/3偏压时）。两者提供LCD电源和偏压的区别：R方式使用外部电路；C方式使用内部电荷泵。本文的热泵热水器系统用的是C方式。S3F84I9芯片与LCD之间的链接使用的外围元件很少，如图2所示，既降低了成本，又避免了外围电路带来的影响。
2.4 模拟量输入模块的原理
模拟量输入模块主要使用 S3F9454片的A/D来运行，主要作用是采集水箱温温度，采集外机温度及采集排气温度。温度传感器由NTC热敏电阻组成，但热敏电阻的阻值变化与温度变化的以非线性关系显示，所以，温度的显示只能通过ROM预先保存V-T温度数据，用查表法反映采集的电压。
2.5 开关量输出模块原理
热泵热水器控制器中的继电器，主要是完成对压缩机、四通阀及风机等控制点的驱动。单片机的I/O接口不具备较大的带负载能力，为提高系统的带负载能力，通常在继电器和单片机之间加入ULN2003，其具有高耐压、大电流达林顿阵列的特点。
3 结束语
近年来，热泵的新能源技术在全球倍受关注。新型热泵热水器控制器的人机界面操作简便，能够丰富显示各种运行状态、参数以及故障信息，它的成功开发必能在一些大型小区空气源热泵系统中大大应用，其智能化等设置更大大提高了热泵运行的安全性。
参考文献
[1]熊俊俏,沈浩,杨志芳,刘增华.基于AFS600的太阳能热水器通用控制器设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2010,05.
[2]王怀龙,许晓光.分体式太阳能热水器控制系统的优化设计[J].计算机测量与控制,2010,03.
[3]赵振虎,吴金强.基于DS18B20&DS12C887的热水器智能控制器的设计[J].机械工程与自动化,2010,02.
[4]侯志敏,夏薇,黄波.大型太阳能热水工程控制系统设计[J].现代电子技术,2011,18.
[5]应进平.太阳能热水器自动控制系统设计[J].计算机测量与控制,2006,12.
关键词 热泵热水器；控制器；芯片；模块
中图分类号 TP 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)011-0149-01
热泵热水器是指利用逆卡诺原理，通过介质把热量从低温物体传递到高温的水里的设备。热泵装置通过相变介质，使其温度远低于低温热源，而自发吸收低温热源的热量；回到压缩机后的介质，会被压缩成温度比高温水更高的高压气体，又自发放热到高温热源；实现把低温热源“搬运”热量到高温热源的运作，突破能量转换100%瓶颈。
近年来，热泵的新能源技术在全球倍受关注。生活中常见的泵是一种可以提高介质（流体）位能或势能的机械装置，或是输送流体至更高压力或更高位置的机械装置，如：油泵、气泵、水泵、混凝土泵等。而热泵是一种输送热量的泵，是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，通过电力做功，给人们提供所需的高品位热能的装置。
本文中介绍的热泵控制器，其设计的核心使用S3F84I9芯片，这种设计既能使热泵运行状态达到实时监控，又能在出现故障时发出告警，并具有保护压缩机分时段运行等功能，还具备自学习和自适应功能，使热泵热水器具有了高可靠性和高效节能性。
1 热泵热水器工作原理及蒸发流程
1.1 热泵热水器的基本原理
热泵热水器的组成包括：压缩机、热交换器、轴流风扇、保温水箱、水泵、储液罐、过滤器、电子膨胀阀和电子自动控制器等。热泵热水器的基本工作原理：接通电源后，軸流风扇开始运转，室外空气通过蒸发器进行热交换，温度降低后的空气被风扇排出系统，同时，蒸发器内部的工质吸热汽化被吸入压缩机，压缩机将这种低压工质气体压缩成高温、高压气体送入冷凝器，被水泵强制循环的水也通过冷凝器，被工质加热后送去供用户使用，而工质被冷却成液体，该液体经膨胀阀节流降温后再次流入蒸发器，如此反复循环工作，空气中的热能被不断“泵”送到水中，使保温水箱里的水温逐渐升高，最后达到适合人们使用的
温度。
1.2 蒸发流程具体过程
蒸发的流程：1）过热液体媒体在蒸发器内吸收低温物体的热量，蒸发成气体媒体。2）蒸发器出来的气体媒体经过液压缩机的压缩，变为高温高压的气体媒体。3）高温高压的气体媒体在冷凝器中将热能释放给高温物体，同时自身变为高压液体媒体。
4）高压液体媒体在膨胀阀中减压，再变为过热液体媒体，进入蒸发器，循环最初的过程。
2 系统硬件设计的要求
2.1 控制器类型的选用
热泵控制器运行时应用的参数量很大，需要设置和显示参数。实际生活中，热泵控制器大多使用专用的IC芯片，但这种专用的IC芯片提高了硬件成本，系统的可靠性也会降低。热泵操作板的控制器则使用S3F84I9芯片，这是一款由SAMSUNG公司研发的芯片，基于RISC架构的微控制器，内有528字节的RAM，32K字节的FLASH ROM，8路10位
A/D转换通道，具有高性能和低价位优势，常规控制器有8位微控制器功能，而S3F84I9芯片控制器，其最大优势是它的内部集成LCD驱动器，LCD显示的内容通过对LCD RAM中的数据进行调整便能控制，进而驱动4*20段或8*16段液晶显示。还能编写程序对该控制器内部的一些FLASH进行擦除和读写，从而可以对一些重要数据进行更新和保存，通过对一段时间的这些数据进行分析和学习，可以使该电热水器达到用户最经济、最理想的工作状态。
外机板的功能是对3路温度信号进行采集，外机板的控制器使用微控制器S3F9454，这也是SAMSUNG公司的一款微控制器，性价比较高。这种控制器的模数转换（A/D）模块的优点：1）能够提供8个模拟输入通道。2）高分辨率（可高达4096阶）。3）在温度信号检查时使热泵热水器达到检测要求。
2.2 硬件总体结构的分析
热泵控制器的硬件组成：操作板和外机板。操作板使用SAMSUNG公司研发的S3F84I9芯片来实现LCD驱动，实现键盘扫描，以及实现温度数据处理等任务；外机板的作用除采集3路温度信号，发出压力警告信号外，还能控制4路继电器的输出。操作板和外机板之间的通信，通过光耦电流环通信接口得以实现。热泵控制器硬件结构分析图，如图1。
2.3 模块显示的分析
上述 S3F84I9芯片，它内部的LCD驱动器其电压方式既支持R方式，也支持C方式（仅1/3偏压时）。两者提供LCD电源和偏压的区别：R方式使用外部电路；C方式使用内部电荷泵。本文的热泵热水器系统用的是C方式。S3F84I9芯片与LCD之间的链接使用的外围元件很少，如图2所示，既降低了成本，又避免了外围电路带来的影响。
2.4 模拟量输入模块的原理
模拟量输入模块主要使用 S3F9454片的A/D来运行，主要作用是采集水箱温温度，采集外机温度及采集排气温度。温度传感器由NTC热敏电阻组成，但热敏电阻的阻值变化与温度变化的以非线性关系显示，所以，温度的显示只能通过ROM预先保存V-T温度数据，用查表法反映采集的电压。
2.5 开关量输出模块原理
热泵热水器控制器中的继电器，主要是完成对压缩机、四通阀及风机等控制点的驱动。单片机的I/O接口不具备较大的带负载能力，为提高系统的带负载能力，通常在继电器和单片机之间加入ULN2003，其具有高耐压、大电流达林顿阵列的特点。
3 结束语
近年来，热泵的新能源技术在全球倍受关注。新型热泵热水器控制器的人机界面操作简便，能够丰富显示各种运行状态、参数以及故障信息，它的成功开发必能在一些大型小区空气源热泵系统中大大应用，其智能化等设置更大大提高了热泵运行的安全性。
参考文献
[1]熊俊俏,沈浩,杨志芳,刘增华.基于AFS600的太阳能热水器通用控制器设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2010,05.
[2]王怀龙,许晓光.分体式太阳能热水器控制系统的优化设计[J].计算机测量与控制,2010,03.
[3]赵振虎,吴金强.基于DS18B20&DS12C887的热水器智能控制器的设计[J].机械工程与自动化,2010,02.
[4]侯志敏,夏薇,黄波.大型太阳能热水工程控制系统设计[J].现代电子技术,2011,18.
[5]应进平.太阳能热水器自动控制系统设计[J].计算机测量与控制,2006,12.