开源低成本热泵控制器设计

便宜的热泵控制器-CHPC-项目开发

在能源成本不断攀升、环保要求日益严格的今天，越来越多家庭和小型商业场景开始转向高效节能的热泵系统。但一个现实问题摆在面前：市面上原厂或商用热泵控制器动辄数百甚至上千元，功能封闭、扩展性差，还常常“黑箱操作”，用户连最基本的运行数据都拿不到。对于DIY爱好者、小型工程商或教学实验来说，这无疑是一道高门槛。

有没有可能用不到一杯咖啡的价格，搭建出一套真正可用、还能联网远程控制的热泵控制器？答案是肯定的——这就是 CHPC（Cheap Heat Pump Controller） 项目的初衷：用开源精神打破垄断，用通用元件实现专业控制，把热泵的大脑掌握在自己手里。

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整个系统的核心是一块不到30元的ESP32模块。别看它便宜，这块集成了Wi-Fi和蓝牙的双核处理器，足以胜任复杂的实时控制任务。我们让它同时干两件事：一个核心专注采集温度、执行压缩机启停逻辑；另一个处理网络通信，上传数据到MQTT服务器或者响应手机APP的指令。这种分工让系统既稳定又智能。

最妙的是它的外设支持。GPIO足够多，可以直接接DS18B20这样的数字传感器，无需额外ADC电路；自带One-Wire协议驱动，一条总线挂上五六个温度点都不成问题——进水、回水、蒸发器表面、环境温度，统统能监控。更不用说还有I²C、SPI接口可以后续接入压力变送器、水流开关等更多传感器。

下面这段代码，就是CHPC的灵魂所在：

#include <WiFi.h>
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

#define ONE_WIRE_BUS 4
#define COMPRESSOR_PIN 12

const char* ssid = "your_wifi_ssid";
const char* password = "your_wifi_password";

OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);

float targetTemp = 45.0;
float hysteresis = 1.0;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(COMPRESSOR_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(COMPRESSOR_PIN, LOW);

  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("\nWi-Fi connected");
  sensors.begin();
}

void loop() {
  static unsigned long lastReadTime = 0;
  if (millis() - lastReadTime > 2000) {
    sensors.requestTemperatures();
    float currentTemp = sensors.getTempCByIndex(0);

    Serial.print("Current Temp: ");
    Serial.print(currentTemp);
    Serial.println(" °C");

    if (currentTemp < targetTemp - hysteresis) {
      digitalWrite(COMPRESSOR_PIN, HIGH);
      Serial.println("Compressor ON");
    } else if (currentTemp >= targetTemp + hysteresis) {
      digitalWrite(COMPRESSOR_PIN, LOW);
      Serial.println("Compressor OFF");
    }

    lastReadTime = millis();
  }
}

看起来简单？但它已经包含了完整控制链路：连接Wi-Fi、读取温度、判断是否启动压缩机。而且结构清晰，后期加个除霜逻辑、做个网页配置界面、对接Home Assistant，都非常方便。最关键的是，所有逻辑你都能改——这才是开放系统的魅力。

说到温度测量，为什么选DS18B20而不是常见的NTC热敏电阻？这里有个实际经验：模拟信号在工业环境中太容易受干扰了。尤其是从室外机拉一根线回来，几米长的导线就像天线一样，电压波动、电磁噪声全引入进来，读数跳来跳去。而DS18B20是数字输出，抗干扰能力强得多。每个传感器还有唯一ID，插上去自动识别，不用拨码开关也不用区分顺序，维护起来省心很多。

当然也有注意事项。比如必须加4.7kΩ上拉电阻，否则通信不稳定；长距离布线建议用屏蔽双绞线；如果现场有大功率变频器，最好再加光耦隔离。这些细节决定了系统能不能长期可靠运行。

至于执行端，也就是怎么控制压缩机、水泵这些220V设备，我们用了继电器模块。这里有两种选择：传统电磁继电器和固态继电器（SSR）。前者便宜，两三块钱一个，适合动作频率不高的场景，比如每天启停几次的压缩机；后者无触点、寿命长、响应快，但贵不少，还要考虑散热问题。

我自己的做法是：压缩机用优质电磁继电器（比如Songle SRD系列），毕竟启停不多；而如果要做PWM调速的循环水泵，则上SSR，避免机械触点频繁开合烧毁。无论哪种，都要记得并联RC吸收电路或续流二极管，抑制断开瞬间产生的反向电动势，保护主控板。

整个系统的架构其实很清晰：

[温度传感器阵列] → [ESP32主控板]
                             ↓
                    [继电器驱动模块]
                             ↓
           [压缩机][水泵][四通阀][风机] ← 接入220V AC电源
                             ↓
                     [人机交互界面]
                             ↓
                   [手机APP / Web页面]

从感知层到决策层再到执行层，最后通过Wi-Fi把状态传出去。你可以用Node-RED画个仪表盘，实时看温度曲线；也可以接Home Assistant，实现“回家前自动启动热水”这类场景联动。所有数据都在你手上，想怎么分析就怎么分析。

这个方案真正解决了几个痛点：

首先是 成本 。整套物料算下来，MCU约28元，几个DS18B20共10元，继电器模块5~10元，电源模块5元，PCB打样批量做的话几毛钱一块……总成本压到50元以内完全可行。相比之下，原厂控制器随便一个替换件都要几百。

其次是 透明度 。你能看到每一个温度值、每一条控制逻辑的触发条件，甚至记录下每次除霜的持续时间和效果。这对调试和优化特别有用。比如发现某次除霜后出水温度回升慢，可能是四通阀切换不到位，下次就可以调整延时时间。

再就是 灵活性 。你想加个太阳能辅助加热？没问题，在代码里加个判断条件就行。想根据电价峰谷时段智能启停？加上RTC模块和时间策略即可。甚至可以把多个CHPC组成小型局域网，实现多台热泵协同调度。

当然，安全永远是第一位的。我的建议是：强电部分独立安装，控制板只留低压接口；所有高压走线保持3mm以上间距，必要时开槽隔离；加入硬件级温控保护，比如当检测到出水超60°C时，不管软件有没有响应，都通过独立温控开关切断电源。另外，软件层面加上看门狗，防止程序跑飞导致设备一直运行。

还有一个容易被忽视但极其重要的功能：OTA升级。一旦设备装好了，谁也不想拆机刷固件。ESP32原生支持空中升级，只要连着网络，随时可以推送新版本。哪怕发现了一个小bug，也能远程修复，这对实际部署意义重大。

参数存储也得靠谱。别指望每次断电重启都重新设置目标温度。用EEPROM或Preferences API把关键配置存下来，下次上电自动加载，用户体验立马不一样。

回头想想，CHPC的意义不只是省了几百块钱。它代表了一种可能性：普通人也能拥有专业级的控制系统，而且是完全可控、可理解、可修改的。在学校里，它可以作为嵌入式与能源管理的教学平台；在农场温室中，能实现低成本恒温控制；在老旧小区改造中，帮助住户提升供暖效率的同时降低电费支出。

未来还可以走得更远。比如引入模糊PID算法，让温度控制更平稳；增加Modbus RTU接口，兼容现有楼宇自控系统；甚至结合气象预报数据，提前预判除霜时机，进一步提升能效。

这不是一个终点，而是一个起点。当硬件足够便宜、软件足够开放、社区足够活跃时，真正的创新才会发生。CHPC或许只是其中一颗火种，但它点燃的方向，值得我们共同奔赴。