基于單片機(jī)的空調(diào)節(jié)能插座的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院校園建設(shè)處 周文華

基于單片機(jī)的空調(diào)節(jié)能插座的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院校園建設(shè)處 周文華

利用單片機(jī)接收溫度傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前溫度以及電流檢測(cè)信號(hào)來(lái)自動(dòng)控制雙向可控硅的通斷（即插座通斷），從而實(shí)現(xiàn)利用空調(diào)插座實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的理念。系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，結(jié)合外圍硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)空調(diào)在空調(diào)品牌不一、應(yīng)用場(chǎng)合多變的政府機(jī)關(guān)、各類(lèi)學(xué)校等溫控能耗大戶的后期節(jié)能改造。

單片機(jī)；智能插座；溫控；密碼鎖

1 背景

各類(lèi)學(xué)校和政府機(jī)關(guān)己大量使用空氣調(diào)節(jié)器(俗稱空調(diào)),但其能耗不容小覷。為了可以落實(shí)國(guó)務(wù)院有關(guān)加大節(jié)能工作的決定,即國(guó)發(fā)2006第28號(hào)文件精神,為了最大限度節(jié)約能源、資源,減少二氧化碳的溫室氣體的排放,要對(duì)空調(diào)進(jìn)行科學(xué)、合理的使用,以此來(lái)達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。有關(guān)規(guī)定稱(國(guó)務(wù)院所頒布的辦公廳有關(guān)嚴(yán)格執(zhí)行公共建筑空調(diào)溫度控制標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)通知)：所有僅供建筑內(nèi)的單位,無(wú)論是單位、國(guó)企、個(gè)體等,除了醫(yī)院特殊單位和一些生產(chǎn)對(duì)工藝對(duì)溫度有嚴(yán)格要求的批準(zhǔn)之外,在夏季,室內(nèi)溫度設(shè)置不可低過(guò)26度,冬季,室內(nèi)溫度設(shè)置則不可高于20度［2］。

在各單位己經(jīng)大規(guī)模使用品牌不一的空調(diào)的前提下,研制一種控制空調(diào)按節(jié)能模式運(yùn)行的設(shè)備有比較現(xiàn)實(shí)的意義。

圖2.2 系統(tǒng)硬件電路

2 硬件電路設(shè)計(jì)

空調(diào)節(jié)能插座的系統(tǒng)框圖如圖2.1所示,主要以89C51單片機(jī)為控制核心,外圍電路包括：直流穩(wěn)壓電源以及電路、空調(diào)電流檢測(cè)電路、開(kāi)關(guān)電路、時(shí)鐘模塊電路、溫度測(cè)量顯示以及蜂鳴器的指示燈電路等等。

圖2.4 七段數(shù)碼管顯示電路

圖2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主要功能：

(1)室溫低于5℃或者高于30℃時(shí),自動(dòng)接通插座電源,允許空調(diào)運(yùn)行;

(2)室溫在5℃至20℃或者在26℃至30℃時(shí),插座不動(dòng)作,保持原有狀態(tài);

(3)室溫在20℃至26℃時(shí),若空調(diào)正在運(yùn)行,則蜂鳴器發(fā)出提示信息,自動(dòng)切斷插座電源,不允許空調(diào)運(yùn)行。

硬件電路如圖2.2所示。

2.1 溫度數(shù)據(jù)采集電路

電路中主要用到數(shù)字式溫度傳感器DS18B20,由單片機(jī)的P1.5口來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信,如圖2.3所示。其主要特點(diǎn)如下［3］：

(1)電壓范圍：3.0～5.5V,在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。

(2)與單片機(jī)之間的通訊只需一條數(shù)據(jù)線即可實(shí)現(xiàn)。

(3)可支持多點(diǎn)測(cè)試功能,即多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在同一根數(shù)據(jù)線上。

(4)外圍電路簡(jiǎn)單,其內(nèi)部的集成電路中包含了傳感器和轉(zhuǎn)換電路模塊。

(5)測(cè)溫范圍：—55℃～+125℃。在溫度范圍-10～+85℃時(shí),可以精確至±0.5℃。

圖2.3 溫度傳感器電路圖

(6)在可編程的程序中,分辨率為9-12位,其中,所對(duì)應(yīng)的溫度,對(duì)應(yīng)為如下：0.5、0.25、0.125、0.0625℃,精確度高,可實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確、精密的測(cè)溫工作。

(7)測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào),以一線總線的串行,傳達(dá)到CPU處,并同時(shí)還需要傳達(dá)至 CRC進(jìn)行校對(duì),其糾錯(cuò)、干擾能力比較強(qiáng)。

(8)負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí),芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀,但不能正常工作。

DS18B20單總線傳輸?shù)姆绞經(jīng)Q定了其只需一根線與單片機(jī)進(jìn)行通信。與此同時(shí),在DS18B20使用過(guò)程中要嚴(yán)格按照其使用手冊(cè)中的時(shí)序圖來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的操作。

2.2 顯示電路

顯示電路由四位共陽(yáng)極LED七段數(shù)碼管顯示,經(jīng)單片機(jī)P0口驅(qū)動(dòng),P2.4-P2.7口控制其公共端來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)字的顯示。

共陽(yáng)極數(shù)碼管中即其中每一個(gè)發(fā)光的二級(jí)管的“+”極都是連接在一起的,此法稱為數(shù)碼管共陽(yáng)極接法,也稱為共陽(yáng)極數(shù)碼管。一般來(lái)說(shuō)共陽(yáng)數(shù)碼管應(yīng)用時(shí),要把公共極COM接到高電平,即+5V,當(dāng)某字段發(fā)光二級(jí)管“-”極為低電平,相應(yīng)的字段就會(huì)點(diǎn)亮,并根據(jù)相應(yīng)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí),相應(yīng)字段就不亮［4］。此時(shí),如需讓數(shù)碼管亮度顯示正常,則需根據(jù)外接電源接通時(shí)的額定電流在確定相應(yīng)的限流電阻,與此同時(shí)還得確保流過(guò)電流不能小于0.5mA。

七段數(shù)碼管(如圖2.4所示)內(nèi)四個(gè)數(shù)碼管一個(gè)用了a～dp8根數(shù)據(jù)線,人們使用起來(lái)非常方便。四個(gè)數(shù)碼管有四個(gè)公共端,與a～dp一起組成了12個(gè)引腳,下圖為共陰四位數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,如果是共陽(yáng)的,則與此圖相反。引腳排列從左下角,即1腳起,逆時(shí)方式,依次為1-12腳,上圖數(shù)字一一與之對(duì)應(yīng)。

2.3 開(kāi)關(guān)控制電路

雙向可控硅亦稱雙向晶閘管,屬于一種功率半導(dǎo)體的器件,在單片機(jī)的控制系統(tǒng)當(dāng)中可作為功率驅(qū)動(dòng)的器件,再加上因?yàn)殡p向可控硅未有反賂的耐壓?jiǎn)栴},所以控制電路比較簡(jiǎn)單,常用于作為交流開(kāi)關(guān)器件使用。同時(shí),由于其耐壓值高,峰值電流大,因此雙向可控硅往往用在一些功率比較大的電器設(shè)備當(dāng)中,連接在強(qiáng)電網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中,同時(shí)還要注意其觸發(fā)電路的抗干擾的問(wèn)題,一般情況是通過(guò)光電耦合器,把單片機(jī)控制系統(tǒng)中的觸發(fā)信號(hào)加載至可控硅的控制極,用一驅(qū)雙向的可控制性的硅導(dǎo)通。為了可最大限度減少驅(qū)動(dòng)功率以及可控硅觸發(fā)時(shí)所產(chǎn)生一定的干擾,在交流電路中雙向可控硅所觸發(fā)時(shí),一般是運(yùn)用過(guò)零觸發(fā)的電路。這里的意思指的是在交流電壓過(guò)0,或是過(guò)0點(diǎn)附近時(shí)可達(dá)到瞬間接通。由于本設(shè)計(jì)中只需控制交流電的導(dǎo)通與關(guān)斷,因此為簡(jiǎn)便設(shè)計(jì),不需要考慮交流電的過(guò)零檢測(cè)電路,直接通過(guò)光耦驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)可控硅的導(dǎo)通。

電路如圖2.5所示,圖中MOC3061 為其中光電耦合器的一種,所起到的作用有兩種,第一種為隔離保護(hù)作用,第二種為驅(qū)動(dòng)雙向可控硅U3,R15和R17作用不同,前者為發(fā)限流電阻,后者為雙向可控硅U3門(mén)極電阻,所起到的作用是用來(lái)誤觸發(fā)的過(guò)程,并提升抗干擾的能力。單片機(jī)如果STR89C52RC的P2.3引腳輸出低電平信號(hào)時(shí)三極管Q6導(dǎo)通,此時(shí)光耦器MOC3061也導(dǎo)通,同時(shí)給出觸發(fā)信號(hào),使雙向可控硅U3導(dǎo)通,接通交流負(fù)載工作。與此同時(shí),雖然雙向可控硅可以反向?qū)?但也容易擊穿,故在使用時(shí)的反向電壓必須小于雙向可控硅最大能能承受的范圍。在實(shí)際使用過(guò)程中,我們還可以在雙向可控硅兩極間并聯(lián)一個(gè)RC阻容吸收電路,實(shí)現(xiàn)雙向可控硅過(guò)電壓保護(hù)［5］。圖2.5為本系統(tǒng)控制開(kāi)關(guān)電路的電路圖。

圖2.5 可控硅過(guò)零觸發(fā)電路

2.4 密碼鎖

單片機(jī)系統(tǒng)既需要專(zhuān)業(yè)人員的操作,又要避免非專(zhuān)業(yè)人員的誤操作［6］。在很多公共場(chǎng)合,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)許多設(shè)備非專(zhuān)業(yè)人員誤操作而造成的意外后果,但是如何避免呢?在本設(shè)計(jì)中,使用一個(gè)簡(jiǎn)單的密碼鎖,利用按鍵之間的規(guī)律來(lái)完成,通過(guò)單片機(jī)的中斷計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。硬件電路圖如圖2.6所示。

圖2.6 密碼鎖電路

當(dāng)需要切換其他功能的時(shí)候則需要通過(guò)這個(gè)密碼鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。使用方式如下：

(1)強(qiáng)制導(dǎo)通：按鍵1按一下,接著按鍵2按一下,連續(xù)循環(huán)操作5次;

(2)強(qiáng)制關(guān)斷：按鍵1按一下,接著按鍵2連續(xù)按兩下,連續(xù)循環(huán)操作5次;

(3)恢復(fù)正常：按鍵1按一下,接著按鍵2連續(xù)按三下,連續(xù)循環(huán)操作5次。

使用要求：每次按鍵間隔時(shí)間不能超過(guò)1S,否則將無(wú)效,回到原來(lái)狀態(tài);如果沒(méi)有規(guī)范使用密碼鎖按鍵也將無(wú)效。

3 程序設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)中,控制程序是keil軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)下,運(yùn)用C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編程,以此完成最基本的功能。和匯編進(jìn)行比較,C語(yǔ)言在功能、結(jié)構(gòu)、可讀性等方面,包括維護(hù)性上都有著明顯的優(yōu)點(diǎn),學(xué)與用也極為方便［7］。

在程序執(zhí)行階主要有5個(gè)溫度結(jié)點(diǎn),主要是通過(guò)溫度的不同執(zhí)行相應(yīng)的操作。程序流程圖如圖3.1所示：

圖3.1 程序流程圖

3.1 溫度讀取及控制程序設(shè)計(jì)

溫度傳感器的使用過(guò)程中,需要先進(jìn)行初始化,然后寫(xiě)數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù),最后將讀取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,變成大家都熟悉的十進(jìn)制數(shù)。

圖3.2為整個(gè)數(shù)據(jù)顯示的程序流程圖：

圖3.2 顯示程序流程圖

3.2 密碼鎖

然后根據(jù)相應(yīng)按鍵操作選擇不用的操作。在上節(jié)中闡述密碼鎖硬件電路部分時(shí),用到了兩個(gè)按鍵同時(shí)來(lái)進(jìn)行操作。雖然這樣做能夠更加安全、不易被破壞,但是在軟件實(shí)現(xiàn)部分可能不是很穩(wěn)定,因此在實(shí)物設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇了一個(gè)按鍵計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。該部分的程序流程圖如圖3.3所示。

圖3.3 密碼鎖程序流程圖

4 實(shí)際應(yīng)用

一個(gè)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮在現(xiàn)實(shí)狀態(tài)下的應(yīng)用可能。筆者也認(rèn)為最理想的狀態(tài)是各大空調(diào)生產(chǎn)廠商能能夠根據(jù)實(shí)際情況給用戶提供特定環(huán)境下的控制程序,也就是說(shuō),我們用戶買(mǎi)到的空調(diào)就可以選擇本次設(shè)計(jì)所具備的功能。但基于現(xiàn)狀,本次設(shè)計(jì)的方案還是能夠解決我們的燃眉之急。

整個(gè)硬件系統(tǒng)可以封裝在一個(gè)16A三項(xiàng)插座里面,能夠滿足各個(gè)單位管理空調(diào)的日常管理,單片機(jī)空調(diào)節(jié)能插座的溫度控制要求如表4.1所示,主要是根據(jù)讀取的溫度及空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)操作。同時(shí)還具有按鍵密碼鎖功能,只限于管理人員控制插座的運(yùn)行狀態(tài)及日常維護(hù)。

表4.1 系統(tǒng)功能闡述

[1]艾默生．制冷技術(shù)[J]．信息與動(dòng)態(tài),2007(02):33．

[2]楊義軍,王斌．基于PIC單片機(jī)的空調(diào)節(jié)能插座[J]．電子世界,2012(05):44-46．

[3]樊強(qiáng),張敏,李霞．基于DS18B20的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．農(nóng)機(jī)化研究,2012(12):161-164．

[4]徐偉,姜元建．智能插座在智能家居中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J]．中國(guó)儀器儀表,2010(10):45-47．

[5]于新潮．雙向可控硅過(guò)零觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)[J]．包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2009(03):13-14．

[6]蔡菲娜,單片微型計(jì)算機(jī)原理和應(yīng)用[M]．杭州:浙江大學(xué)出版社,2009．

[7]魏寧宇．基于AT89S52單片機(jī)控制的電器定時(shí)插座的設(shè)計(jì)[J]．信息通信,2012(03):66．

[8]魏寧宇,基于AT89S52單片機(jī)控制的電器定時(shí)插座的設(shè)計(jì)[J]．信息通信,2012(03):66．