空調(diào)節(jié)能控制器的設(shè)計

楊曉

青島市第三人民醫(yī)院 器械科，山東青島 266041

空調(diào)節(jié)能控制器的設(shè)計

楊曉

青島市第三人民醫(yī)院 器械科，山東青島 266041

本文針對醫(yī)院機房及病房等裝備空調(diào)場所對溫度控制的要求，設(shè)計了一種采用區(qū)間溫度調(diào)控思路的新型空調(diào)節(jié)能控制器。該控制器基于紅外檢測、數(shù)字溫度檢測及單片機控制技術(shù)，具有指令自學(xué)習(xí)功能；能夠根據(jù)設(shè)定溫度及環(huán)境溫度，合理控制空調(diào)運行時間及溫度區(qū)間，從而達到節(jié)能目的。長期試驗表明，使用該空調(diào)節(jié)能控制器后，避免了空調(diào)根據(jù)遙控器設(shè)定溫度值頻繁開啟、關(guān)閉的弊端，節(jié)電率約達20%左右。

空調(diào)節(jié)能控制器；空調(diào)；溫度補償技術(shù)；仿人控制理論

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷增長和人民生活水平的不斷提高，空調(diào)已經(jīng)十分普及，產(chǎn)量與日俱增?？照{(diào)在給人們帶來舒適的室內(nèi)環(huán)境的同時，也帶來了嚴(yán)峻的電力緊張和環(huán)境污染問題[1]。尤其對于像我國這種主要依靠火力發(fā)電的國家，經(jīng)濟的高速增長背后是能源的高消耗，而能源的消耗使得環(huán)境污染日益嚴(yán)重，因此，節(jié)能是我國社會發(fā)展中需要重點考慮的問題。節(jié)能不僅要從轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式、淘汰高耗能技術(shù)等大層次上入手，也應(yīng)該在日常生活中的點點滴滴中體現(xiàn)節(jié)能意識，舒適、節(jié)能也就成了空調(diào)的流行主題。

醫(yī)院機房及病房是空調(diào)耗電較大的部門，往往溫度被人為設(shè)定得很低，致使空調(diào)長期處于高負(fù)荷運行狀態(tài)。普通空調(diào)在到達設(shè)定制冷溫度后，停止工作，但當(dāng)環(huán)境溫度升高1℃左右時，空調(diào)室外機就重新啟動。普通空調(diào)室外機的通常狀態(tài)下的開啟與停止，雖然有一定的節(jié)能效果，但是由于開啟與停止間隔時間不長，節(jié)能效果不明顯，且室外機的頻繁啟動，也減少了空調(diào)的使用壽命。

本文設(shè)計的空調(diào)節(jié)能控制器，采用實時自動溫度補償技術(shù)和溫度區(qū)間控制技術(shù)，可通過鍵盤設(shè)定溫度的上限和下限溫度區(qū)間開閉空調(diào)，體現(xiàn)仿人控制理論，實現(xiàn)控制過程的優(yōu)化，將節(jié)能體現(xiàn)在每一個細節(jié)，力求實現(xiàn)最大限度的節(jié)能。

1 硬件設(shè)計

空調(diào)節(jié)能控制器選用ATmega16作為控制芯片，系統(tǒng)由液晶顯示、紅外發(fā)射接收、外部存儲、溫度檢測、實時時鐘、按鍵等組成（圖1）。其中，選用1602字符型液晶進行信息顯示、24C256作為外部E2PROM進行遙控器指令存儲，并配有DS1302實時時鐘提供精確時間及DS18B20對環(huán)境溫度進行檢測。

圖1 硬件架構(gòu)圖

1.1 紅外指令學(xué)習(xí)與發(fā)射

醫(yī)院裝備的空調(diào)廠家、型號各異，要對各種空調(diào)都能實現(xiàn)精確的控制，空調(diào)節(jié)能控制器必須要獲得并“學(xué)習(xí)”到其紅外遙控指令代碼，并在需要的時候?qū)⒅噶睢安シ拧背鋈ィ瑥亩鴮崿F(xiàn)對空調(diào)的控制[2-4]。

紅外指令接收與發(fā)射電路（圖2）的紅外接收頭型號是HS0038B，其環(huán)氧包裝可以作為紅外過濾片，即使在強干擾環(huán)境中，也能夠很穩(wěn)定地輸出。發(fā)射電路采用2個850nm紅外二極管，由9013三極管進行驅(qū)動。

圖2 紅外接收與發(fā)射電路

當(dāng)接收到紅外脈沖調(diào)制信號時，HS0038B內(nèi)的紅外敏感元件將紅外脈沖調(diào)制光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過內(nèi)部的前置放大器和自動增益控制電路進行放大處理，再通過帶通濾波器進行濾波，對濾波后的信號進行解調(diào)，最后由輸出電路進行反向放大并輸出低電平。沒有接收到載波信號時，電路HS3008B輸出高電平，這樣就將脈沖調(diào)制信號解調(diào)成一列連續(xù)的方波信號，單片機再通過內(nèi)部計時器計算這列方波各高、低電平的寬度并將方波時序和方波個數(shù)保存在E2PROM中，紅外遙控指令也就被“學(xué)習(xí)”到控制器中?？刂破黝A(yù)留了足夠大的存儲空間，適用于遙控指令長度不同的各種空調(diào)[5-7]。

發(fā)射遙控指令時，單片機通過內(nèi)部定時器模擬生成一列38kHz的載波信號，先讀取遙控指令方波個數(shù)n，再將記錄在E2PROM中的時序保存在數(shù)組InfraCode[n]中，然后進行還原原始脈沖信號：若n%2為0，表示原始信號中為高電平，紅外二極管持續(xù)發(fā)送38kHz方波直到計時器從0變化到InfraCode[n]；若n%2為1，表示原始信號中為低電平，紅外二極管保持關(guān)閉直到計時器從0變化到InfraCode[n]。

1.2 液晶顯示電路

液晶用于顯示設(shè)定的上下限溫度、當(dāng)前溫度、時間等信息。由于信息量較少，因此采用了1602字符型液晶，能夠同時顯示2行共計32個字符。其內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，包括阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號和日文假名等。每一個字符都有1個固定的代碼，1602識別的是ASCII碼，可以用ASCII碼直接賦值，在單片機編程中也可以用字符型常量或變量賦值。

為了達到最大限度的節(jié)能，在在液晶顯示電路中添加了一個NE555定時電路（圖3）。通過調(diào)節(jié)圖中電阻R2和電容E3的值可以改變液晶的背光時間，本文設(shè)置的液晶背光時間為20s，超過20s沒有任何操作控制器將自動關(guān)閉液晶背光燈，如遇按鍵操作，控制器將再次點亮液晶背光，這樣就可以保證在液晶背光僅在需要的時候才點亮，從而達到節(jié)能的目的。

圖3 LCD液晶顯示電路

1.3 實時時鐘電路

除了根據(jù)設(shè)定的上下限溫度進行開關(guān)機控制外，還可以針對某些夜間不需要制冷的場合進行時間層面上的開關(guān)機控制，如公共場所、大廳等。因此，需要由實時時鐘保證控制器運行。

實時時鐘芯片選用美國DALLAS公司推出的高性能、低功耗、帶RAM的DS1302，可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5～5.5V，采用3線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式1次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有1個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器，具有涓流充電能力，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能。實時時鐘電路圖，見圖4。其中，32.768K晶振配有2個高精度6.8pF電容進行補償，以確保時鐘精確計時。在斷電或者電壓過低時還可以使用備用電池為其供電，保證時鐘正常運行。

圖4 實時時鐘電路圖

1.4 溫度傳感器

溫度傳感器的種類繁多，DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20具備小體積和低硬件開消，抗干擾能力強、精度高，適用于高精度、高可靠性的場合。主要特征為：全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出、精度可達±0.5℃、最高12位分辨率、檢測溫度范圍為-55～+125℃[8]等，完全滿足本文設(shè)計要求。關(guān)于DS18B20的原理及應(yīng)用，已有諸多文獻進行了說明，這里不再贅述。

2 軟件設(shè)計

控制器通電后首先進行初始化，讀取E2PROM存儲的系統(tǒng)設(shè)定信息，確定控制器的工作時間段、溫度上下限等。初始化結(jié)束后，控制器讀取實時時鐘芯片中的時間信息，同時檢測環(huán)境溫度，通過LCD進行顯示。然后判斷是否處于用戶設(shè)定的控制器工作時間段：若處于非工作時間，控制器將持續(xù)測量顯示實時溫度和時間；若處于工作時間，控制器先判斷有沒有按鍵操作，如果有按鍵操作，控制器將執(zhí)行用戶按鍵設(shè)置，此時用戶可以設(shè)定控制器工作時間段、溫度上下限、矯正溫度及學(xué)習(xí)遙控指令。如果處于工作時間并且沒有按鍵操作，控制器將自動檢測溫度來確定是否需要開啟空調(diào)，當(dāng)溫度超過用戶設(shè)定的限制時，控制器將自動開啟空調(diào)，待環(huán)境溫度恢復(fù)到正常的溫度時再關(guān)閉空調(diào)，以此來減少空調(diào)運行時間，從而達到節(jié)能的目的。軟件工作流程，見圖5。

圖5 軟件工作流程圖

3 測試結(jié)果

通過比對院內(nèi)兩個機房環(huán)境溫度變化情況及機房用電電流變化情況，可以發(fā)現(xiàn)：安裝空調(diào)控制器后，機房的環(huán)境溫度有明顯的規(guī)律性波動（在符合設(shè)備本身對機房環(huán)境容忍度的前提下），機房電流也隨著空調(diào)的運轉(zhuǎn)情況有明顯的上下波動。當(dāng)空調(diào)停止運轉(zhuǎn)，機房溫度處于上升狀態(tài)時，用電電流明顯降低，當(dāng)機房空調(diào)啟動，機房溫度處于下降狀態(tài)，用電電流升高。而沒有安裝控制器的機房，由于空調(diào)自身的溫度調(diào)控系統(tǒng)原因，機房環(huán)境溫度與用電電流沒有太大變化，始終處于較高狀態(tài)。表1為安裝控制器前、后機房用電量對比。

表1 安裝控制器前、后的機房用電量對比

由表1可見，空調(diào)節(jié)能控制器，有效利用了設(shè)備本身對機房環(huán)境的容忍程度以及機房建筑物本身的保溫性能，精準(zhǔn)地對空調(diào)運轉(zhuǎn)狀態(tài)進行控制，有效降低了機房空調(diào)的運行時間，節(jié)約了用電支出。

4 結(jié)束語

本文研制了一種具有自學(xué)習(xí)功能的空調(diào)節(jié)能控制器，采用實時自動溫度補償技術(shù)和溫度區(qū)間控制技術(shù)，能夠通過鍵盤設(shè)定溫度的上限和下限溫度區(qū)間開閉空調(diào)，體現(xiàn)仿人控制理論，實現(xiàn)了控制過程的優(yōu)化。實際運行表明，空調(diào)節(jié)能控制器能夠精準(zhǔn)地對空調(diào)運轉(zhuǎn)狀態(tài)進行控制，有效降低空調(diào)的運行時間，節(jié)約用電支出。同時，控制器操作簡單、使用方便、人機交互界面友好，尤其適合大型機房、辦公室等場所使用。

[1] 覃曉凡,李浩.基于PIC單片機的空調(diào)節(jié)能控制器設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2009,(11):30-33.

[2] 嚴(yán)后選,孫健國,張?zhí)旌?無線紅外智能遙控器的設(shè)計[J].測控技術(shù),2003,(22):54-56.

[3] 李楠,鄭建立.基于單片機的紅外遙控自學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化與儀器儀表,2008,(6):43-45.

[4] 方宏.自學(xué)習(xí)紅外遙控器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子工程師,2003,(4):32-33.

[5] 徐志,何明華,林武,等.一類基于軟件載波的學(xué)習(xí)型遙控器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009(2):36-38.

[6] 薛廷強,等.用于MRI設(shè)備的集成式冷卻系統(tǒng)[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2009,24(8):49-51.

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The Design for Energy-saving Air Conditioning Controller

YANG Xiao
Equipment Department, The Third People's Hospital of Qingdao, Qingdao Shandong 266041, China

In this paper, we designed a new type enegy saving controller for air condition in a temperature control thought in order to meet the demand of the temperature control in hospital. It is based on the infrared detection, testing and control the temperature of MCU technology, which can study the remote instruction. It can control the interval and temperature of the air condition based on setting temperature and environment temperature in order to save energy. Long-term experiment suggests that energy-saving air conditioning controller prevent air condition from switch on-off too frequently. It can save energy about 20%.

energy-saving air conditioning controller; air condition; temperature compensation technology;humanoid control theory

1674-1633(2011)10-0030-03

2011-05-20

作者郵箱：yangxiao5518@126.com

TB657.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.10.008