基于STC單片機(jī)的中央空調(diào)控制系統(tǒng)研究*

魏立明 李 晨 林 君 韓成浩

(1:吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息工程學(xué)院，長春 130118； 2:吉林大學(xué)，長春 130012)

在智能建筑高速發(fā)展的今天，中央空調(diào)是成為樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的主要監(jiān)控對(duì)象之一.由于中央空調(diào)系統(tǒng)龐大，反應(yīng)速度較慢，滯后較為嚴(yán)重，致使其每年的耗電量約占建筑物總用電量的50%～60%左右[1].目前，中央空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，幾乎所有大型新建建筑都設(shè)有中央空調(diào)系統(tǒng)，其發(fā)展趨向節(jié)能化.如何采用先進(jìn)技術(shù)對(duì)中央空調(diào)進(jìn)行控制，使其克服耗電量大的缺點(diǎn)已成為中央空調(diào)控制系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)問題.本文針對(duì)傳統(tǒng)單片機(jī)片內(nèi)資源少，性能及工作速度慢的缺陷，采用STC系列增強(qiáng)型8051單片機(jī)對(duì)中央空調(diào)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì).

1 中央空調(diào)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)

中央空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度使人們獲得較舒適的辦公環(huán)境.當(dāng)室內(nèi)人們有需求時(shí)，通過紅外線遙控裝置對(duì)中央空調(diào)內(nèi)部核心STC單片機(jī)進(jìn)行指示，單片機(jī)通過調(diào)節(jié)溫度傳感器、濕度傳感器對(duì)新風(fēng)口、回風(fēng)口溫濕度進(jìn)行檢測，當(dāng)調(diào)節(jié)閥收到檢測的反饋信號(hào)時(shí)，會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)其開度大小.此時(shí)，進(jìn)入的新風(fēng)將同室內(nèi)的回風(fēng)混合，形成混合風(fēng).當(dāng)風(fēng)管內(nèi)混合風(fēng)溫度過高時(shí)，電機(jī)會(huì)帶動(dòng)表冷器對(duì)其進(jìn)行降溫處理，冷熱水進(jìn)行PID調(diào)節(jié)；當(dāng)風(fēng)管內(nèi)混合風(fēng)體濕度不夠時(shí)，噴淋泵對(duì)其進(jìn)行加濕，此過程均有變頻器參與；當(dāng)中央空調(diào)內(nèi)混合風(fēng)溫濕度差較大時(shí)，負(fù)荷量隨之將變大，變頻器自動(dòng)增加水泵轉(zhuǎn)速.反之，減少其轉(zhuǎn)速.變頻器的加入使中央空調(diào)各個(gè)泵組和冷卻塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行跟隨負(fù)荷的變化而同步變化，可以在能夠保證負(fù)荷需求的前提下，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)的最大節(jié)能[2].經(jīng)過調(diào)節(jié)混合風(fēng)送達(dá)送風(fēng)口時(shí)，溫濕度傳感器會(huì)再一次進(jìn)行檢測，來確定送入室內(nèi)風(fēng)體溫濕度.經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將其具體溫濕度值顯示在液晶顯示屏上供人們確認(rèn).中央空調(diào)設(shè)計(jì)原理如圖1所示.

1.2 硬件選型

此次設(shè)計(jì)的硬件選型主要包括微控制器、溫度傳感器、濕度傳感器、調(diào)節(jié)閥、變頻器和風(fēng)閥執(zhí)行器等相關(guān)硬件的選型.其硬件選取清單如表1所示.

表1 中央空調(diào)硬件選取清單

本次設(shè)計(jì)選用的微控制器為STC11F08XE，相比傳統(tǒng)的8051內(nèi)核單片機(jī)而言，在片內(nèi)資源、性能以及工作速度上都有很大的改進(jìn)，尤其是采用了基于Flash的在線系統(tǒng)編程ISP技術(shù)，同時(shí)選擇片內(nèi)資源時(shí)也自動(dòng)遵循“夠用”原則，保證了單片機(jī)系統(tǒng)的高性能和可靠性.

STC11F08XE單片機(jī)集成了增強(qiáng)型8051CPU、8KB Flash程序存儲(chǔ)器、1280字節(jié)的RAM、全雙工異步串行接口UART和MAX810專用復(fù)位電路及硬件看門狗.溫度傳感器DS18b20是全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出的傳感器，具有先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信，最高分辨率可達(dá)到12位，可選用寄生的工作方式，方便多機(jī)掛接，可以適應(yīng)不同的硬件系統(tǒng).濕度傳感器SHT11是一款數(shù)字濕度傳感器，其高度集成可將濕度感測、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成一體，提供濕度補(bǔ)償測量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能.MICROMASTER430變頻器模型具有6個(gè)可編程的帶電位隔離數(shù)字輸入，2個(gè)模擬輸入，2個(gè)可編輯的模擬輸出，3個(gè)可編輯的觸電器輸出，具有啟動(dòng)和滑差補(bǔ)償?shù)墓δ?，?nèi)置高級(jí)PID調(diào)節(jié)器.混水機(jī)調(diào)節(jié)開度反饋和冷水調(diào)節(jié)開度反饋選用的是Danfoss調(diào)節(jié)閥，其驅(qū)動(dòng)器可接收4mA～20mA的控制信號(hào)，輸出信號(hào)為0～10V，輸入信號(hào)具有分段功能.閥門帶有行程自檢功能，能夠自動(dòng)檢測閥桿的最高位和最低位，并分配給相應(yīng)電壓信號(hào).同時(shí)，閥位還具有現(xiàn)實(shí)開度位置的功能.風(fēng)閥執(zhí)行器GBB161.2E中帶有內(nèi)置選項(xiàng)，同時(shí)具有偏差、定位信號(hào)、閥位顯示、反饋電位計(jì)以及可調(diào)的輔助開關(guān).

2 PID參數(shù)優(yōu)化

PID調(diào)節(jié)大量應(yīng)用于中央空調(diào)冷熱水調(diào)節(jié)控制方面.當(dāng)中央空調(diào)內(nèi)置溫濕度傳感器測量到新風(fēng)溫濕度時(shí)，將其轉(zhuǎn)化成(4～20)mA電流信號(hào)，經(jīng)過STC11F08XE單片機(jī)內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換單元，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字量信號(hào)，并通過軟件編程實(shí)現(xiàn)PID控制，從而由單片機(jī)帶動(dòng)混水機(jī)組對(duì)新風(fēng)量進(jìn)行溫濕度處理達(dá)到人們滿意的要求.中央空調(diào)系統(tǒng)龐大，控制回路較多，傳統(tǒng)PID算法就參數(shù)整定很難滿足其要求[3].本次設(shè)計(jì)選用蟻群算法來優(yōu)化PID控制的參數(shù).蟻群算法是一種針對(duì)離散優(yōu)化問題的啟發(fā)式算法，它是利用一群人工螞蟻的協(xié)作來尋找最好的解.其主要部分是把計(jì)算機(jī)資源分配到一群相對(duì)簡單的人工螞蟻上，人工螞蟻之間通過媒介進(jìn)行間接通信.蟻群算法以嵌入式操作系統(tǒng)為框架，經(jīng)過多次的迭代逐漸逼近最優(yōu)的結(jié)果，解決了傳統(tǒng)PID算法上存在的參數(shù)整定滯后、不精確的缺點(diǎn).應(yīng)用于中央空調(diào)中PID參數(shù)優(yōu)化時(shí)，主要算法如下：

首先將PID控制參數(shù)問題轉(zhuǎn)化為蟻群算法適用的組合優(yōu)化問題，使一組參數(shù)(kp，Ti，Td)和一個(gè)長度為15位的數(shù)字相對(duì)應(yīng)，建立目標(biāo)函數(shù)：

(1)

其次，構(gòu)建所需路徑.假設(shè)每只人工螞蟻都在初始點(diǎn)(xi-1，yi′)上，并且按照一個(gè)隨機(jī)比例規(guī)則的行為概率來選擇規(guī)則，設(shè)爬到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)(xi，yi)，直至每只螞蟻到達(dá)(15，yi″)上為一次循環(huán).所按的隨機(jī)比例規(guī)則：

(2)

最后，進(jìn)行信息索的更新.螞蟻從初始點(diǎn)完成一次循環(huán)后結(jié)點(diǎn)上的信息會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)以下公式進(jìn)行信息索的更新：

τ(xi，yj，t+15)=ρτ(xi，yj，t)+Δτ(xi，yj)

(3)

(4)

(5)

其具體流程圖如圖2所示.

圖2 蟻群算法的PID參數(shù)優(yōu)化流程

圖3 中央空調(diào)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

3 中央空調(diào)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次軟件設(shè)計(jì)的主要部分是中央空調(diào)的溫濕度控制，其流程如圖3所示.所以對(duì)電機(jī)控制和模數(shù)轉(zhuǎn)換溫濕度檢測進(jìn)行軟件編程.首先，用Ptotel軟件繪制設(shè)計(jì)原理圖[4-5]，主要包括：主電路部分、USB下載部分、外擴(kuò)引腳部分和電源部分；其次，選取Keil uvision軟件對(duì)溫濕度控制進(jìn)行編程，包括溫度檢測、濕度檢測、PID調(diào)節(jié)和各個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)停止等；最后，使用ISP-STC燒錄軟件將編輯好的程序燒錄到計(jì)算機(jī)中.在ISP-STC中選定單片機(jī)型號(hào)，點(diǎn)擊“打開文件”并在對(duì)話框內(nèi)找到編譯好的程序文件進(jìn)行下載，手動(dòng)按下電源開關(guān)便即可把可執(zhí)行文件寫入單片內(nèi)部.最終與焊接好的硬件版相連，板上的液晶顯示器顯示當(dāng)前室內(nèi)溫濕度，本設(shè)計(jì)的軟件部分采用C語言與匯編語言相結(jié)合編程.

4 遙控與顯示設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)也選用紅外線遙控來控制中央空調(diào)中STC11F08XE單片機(jī)運(yùn)行即電機(jī)啟停和溫濕度檢測.當(dāng)然此紅外線遙控上需配備一個(gè)紅外線發(fā)射管，當(dāng)與電器的紅外線接收端形成對(duì)射的狀態(tài)時(shí)，就會(huì)達(dá)到遙控的作用.此次紅外遙控采用555電路產(chǎn)生脈沖信號(hào)，其振蕩電路所產(chǎn)生的特有的頻率脈沖會(huì)通過驅(qū)動(dòng)紅外線發(fā)射管所發(fā)出的相同頻率的信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)紅外線控制.其設(shè)計(jì)框圖如圖4所示.

圖4 紅外線遙控設(shè)計(jì)框圖

圖5 溫濕度檢測實(shí)物

當(dāng)中央空調(diào)將調(diào)節(jié)好的新風(fēng)由送風(fēng)口送入室內(nèi)時(shí)，前風(fēng)量的溫濕度會(huì)由液晶顯示屏顯示.液晶顯示屏有兩塊板構(gòu)成，當(dāng)給其內(nèi)部液晶施加一個(gè)電場，會(huì)改變其內(nèi)部分子排列，從而使液晶層中的液滴形成屏幕上的像素.此次設(shè)計(jì)將液晶顯示屏與溫濕度檢測電路板相連，配合軟件編程可讀出室內(nèi)當(dāng)前溫濕度.其溫濕度檢測實(shí)物圖如圖5所示.

5 結(jié)語

本文以STC11F08XE單片機(jī)為控制核心對(duì)中央空調(diào)進(jìn)行硬件與軟件設(shè)計(jì)，在控制上采取傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)與嵌入式蟻群仿生算法相結(jié)合的方法對(duì)中央空調(diào)的冷熱水調(diào)節(jié)和溫濕度檢測進(jìn)行控制，紅外線遠(yuǎn)程遙控機(jī)組動(dòng)作，液晶屏顯示中央空調(diào)控制結(jié)果.通過本文的中央空調(diào)系統(tǒng)控制研究，為辦公樓宇中央空調(diào)的智能化控制奠定了一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

參 考 文 獻(xiàn)

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