一種與空調(diào)聯(lián)動(dòng)的室內(nèi)通風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)

謝洪

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州，545616）

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，室內(nèi)安裝空調(diào)已是人們享受生活，提高生活質(zhì)量的重要方式。然而，空氣質(zhì)量對(duì)于人的身體健康同樣至關(guān)重要。由于開啟空調(diào)時(shí)，一般情況下需要將門窗關(guān)閉，隨著時(shí)間的增加，人們呼出的二氧化碳、室內(nèi)的裝修材料和衣物棉被等所散發(fā)出的種種不潔氣體的濃度不斷增加，這將嚴(yán)重影響著人們的身體健康。有資料表明，室內(nèi)空氣污染對(duì)人體很容易造成危害，導(dǎo)致人們得“空調(diào)病”。長期在這種環(huán)境下生活和工作，輕者會(huì)使人感到精神不好，頭暈?zāi)垦＃⒁饬Σ患?，免疫力下降，重者還會(huì)引發(fā)心臟病、呼吸系統(tǒng)疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病，尤其會(huì)對(duì)嬰幼兒的發(fā)育成長產(chǎn)生長期的不良影響。

要減少甚至防止“空調(diào)病”的發(fā)生，就必須加強(qiáng)室內(nèi)通風(fēng)。要達(dá)到此目的，其方法有兩個(gè)：一是將門窗打開；二是使用換氣扇。如果簡單地使用這兩種方法，則空調(diào)的使用效果將會(huì)變得很差，并且浪費(fèi)能源。

目前，開窗方式基本是采用手動(dòng)開關(guān)，開關(guān)窗時(shí)需要人走到窗前才能操作，而現(xiàn)在使用空調(diào)機(jī)的家庭越來越多，至凌晨時(shí)室外溫度已經(jīng)下降，可以不再需要空調(diào)機(jī)工作。如果此時(shí)起床開窗且關(guān)空調(diào)機(jī)，就影響了睡眠的質(zhì)量，特別是睡眠不良者，可能會(huì)導(dǎo)致一直到天亮都無法再入睡。如果不起床開窗關(guān)閉空調(diào)機(jī)，一則浪費(fèi)電能，二則室內(nèi)的空氣變得越來越渾濁。

保持室內(nèi)空氣的良好，保證良好的睡眠環(huán)境，是保證身體健康的重要前提。本室內(nèi)通風(fēng)裝置就是為了解決這些問題而設(shè)計(jì)的。

1 裝置總體設(shè)計(jì)

本裝置是由窗戶自動(dòng)控制系統(tǒng)和定時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)組成。系統(tǒng)框圖如圖1 所示，包含遙控接收電路、按鍵電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、顯示電路、溫度與下雨感知電路、通風(fēng)控制電路、窗戶開關(guān)控制電路、單片機(jī)電路及整流電路組成。系統(tǒng)所有的控制動(dòng)作，都由單片機(jī)S3F9488 控制。

圖1 室內(nèi)通風(fēng)裝置系統(tǒng)框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 主控電路設(shè)計(jì)

圖2 是系統(tǒng)的主控電路圖，由按鍵電路、遙控電路、指示電路、顯示電路、復(fù)位電路及時(shí)鐘電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路組成。

圖2 系統(tǒng)主控電路圖

（1）按鍵電路

開關(guān)SW1、SW2、SW3 和SW4 為設(shè)置按鈕鍵，分別是確認(rèn)(取消)鍵、設(shè)置鍵、上升（增加）鍵和下降（減少）鍵。通過按鍵的操作，可以對(duì)時(shí)間及溫度值進(jìn)行人為的設(shè)置。

（2）遙控電路

遙控器的信號(hào)，通過紅外接收電路U5 接收，送到單片機(jī)U2 的引腳P03 進(jìn)行判斷。

（3）指示電路

D7 是LED 二極管，用于強(qiáng)制動(dòng)作指示。當(dāng)有強(qiáng)制動(dòng)作時(shí)，從U2 的引腳P07 輸出低電位，點(diǎn)亮D7。

（4）顯示電路

四位LED 數(shù)碼管顯示器LED1 受單片機(jī)的端口P1、P2和P4 的控制，顯示溫度和定時(shí)時(shí)間等設(shè)置信息。

（5）復(fù)位電路及時(shí)鐘電路

R8 和C8 組成復(fù)位電路，完成對(duì)單片機(jī)U2 的復(fù)位。X1 是8MHz 的系統(tǒng)時(shí)鐘電路。C5、C7 和X2 與單片機(jī)內(nèi)部電路，構(gòu)成了32.768kHz 用于計(jì)時(shí)的時(shí)鐘電路。

（6）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

U3 是2 線串行接口的128×8 位存儲(chǔ)器24C01，用于存儲(chǔ)設(shè)定的溫度和定時(shí)數(shù)據(jù)。

■2.2 窗戶自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

窗戶外側(cè)安裝有動(dòng)力盒，通過動(dòng)力盒的雙線圈交流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同，驅(qū)動(dòng)安裝在活動(dòng)窗戶上的齒條運(yùn)動(dòng)方向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)窗戶的控制。

圖3 是窗戶控制及電源電路圖。從圖2的P1 端口連接的溫度和濕度傳感器，與電路R1、R2 串聯(lián)連接。電源電壓經(jīng)傳感器與電阻分壓，輸入到U2 單片機(jī)中，經(jīng)程序判斷。作出決定對(duì)交流電機(jī)的進(jìn)行供電控制。

圖3 窗戶控制及電源電路圖

（1）關(guān)窗戶

U2 的 P31（MOTOR）輸出高電平，經(jīng)過R4，送到Q2的基極，使Q2 導(dǎo)通，繼電器K2 給關(guān)窗戶電機(jī)供電。同時(shí)接通空調(diào)電源。當(dāng)關(guān)窗到位的時(shí)候，齒條上的撥片觸動(dòng)動(dòng)力盒上的“關(guān)窗戶”行程開關(guān)，停止給電機(jī)供電，關(guān)窗戶完成。

（2）開窗戶

U2 的P31（MOTOR）輸出低電平，經(jīng)過R4，送到Q2的基極，使Q2 截止，繼電器K2 給開窗戶電機(jī)供電。同時(shí)斷空調(diào)電源。當(dāng)開窗到位的時(shí)候，齒條上的撥片觸動(dòng)動(dòng)力盒上的“開窗戶”行程開關(guān)，停止給電機(jī)供電，關(guān)窗戶完成。

（3）電源電路

220V 交流電通過T1 降壓后，再經(jīng)過D1、D2、D3、D4 組成的整流橋，轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)C1 濾波獲得+24V 直流電，為通風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)扇提供工作電源。同時(shí)該+24V 直流電經(jīng)U1 穩(wěn)壓，得到穩(wěn)定5V 的直流電，為主控電路提供電源。

■2.3 定時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

定時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)由控制盒、軸流風(fēng)機(jī)、引風(fēng)管道、進(jìn)風(fēng)口和防蚊網(wǎng)組成，圖4 是通風(fēng)控制電路圖。

圖4 通風(fēng)控制電路圖

U2 的引腳P32（FAN）控制通風(fēng)。當(dāng)需要通風(fēng)時(shí)，P32 輸出高電平，經(jīng)過R3，送到Q1 的基極，使Q1 導(dǎo)通，繼電器K1 節(jié)點(diǎn)閉合，給U4 穩(wěn)壓集成塊LM317 提供約24V的直流電。經(jīng)穩(wěn)壓后，驅(qū)動(dòng)直流排風(fēng)電機(jī)。

開關(guān)SW5 的作用是通過接入R9 來控制穩(wěn)壓輸出的電壓值，從而控制排風(fēng)的風(fēng)量。

風(fēng)量分兩檔：輸出7.5V 電壓為經(jīng)濟(jì)檔，輸出11V 電壓為強(qiáng)風(fēng)檔。

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 窗戶自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理

考慮到人體熱舒適度的要求，同時(shí)兼顧能源和設(shè)備的投入，我國《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 18883-2002 規(guī)定：夏季空調(diào)房間室內(nèi)溫度的標(biāo)準(zhǔn)值為22 ℃～28 ℃。人們可在晚上睡覺時(shí)，將室外溫度設(shè)定好（一般情況下為27.5℃）。到下半夜（正是人們熟睡的時(shí)候），室外溫度下降到了設(shè)定的溫度，窗戶就會(huì)自動(dòng)打開，同時(shí)將空調(diào)機(jī)電源切斷，使人們既享受到了新鮮空氣，又不影響睡眠，同時(shí)還可以節(jié)約能源。

■3.2 定時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

當(dāng)室外溫度達(dá)不到設(shè)定的溫度時(shí)，可以通過設(shè)定定時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)行通風(fēng)，以保持室內(nèi)的空氣良好。

一旦窗戶被打開，則通風(fēng)系統(tǒng)不會(huì)被啟動(dòng)。本通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)口要求安裝在室內(nèi)的最頂部。由于熱空氣是飄浮在室內(nèi)最頂部，當(dāng)排風(fēng)風(fēng)機(jī)工作時(shí)可以把室內(nèi)最熱部分的空氣抽走，同時(shí)室外新鮮空氣經(jīng)門的底邊縫隙或?qū)ｉT設(shè)置的通風(fēng)孔補(bǔ)充到室內(nèi)，這樣室內(nèi)的空氣就不斷地得以更新。

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

■3.3 軟件工作過程

U2 單片機(jī)定時(shí)采集室外的溫度和雨量數(shù)據(jù)。如果室外溫度高于設(shè)定的溫度值，窗戶將會(huì)關(guān)閉，同時(shí)給空調(diào)供電，讓空調(diào)機(jī)正常工作。這時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)將參與工作，定時(shí)開啟和關(guān)閉排風(fēng)扇，以達(dá)到定時(shí)換氣的效果。一旦室外溫度下降到達(dá)設(shè)定的溫度值，系統(tǒng)將會(huì)切斷空調(diào)電源，并且打開窗戶，通風(fēng)系統(tǒng)不會(huì)被啟動(dòng)。

室外的雨量傳感器用于感應(yīng)是否有雨下。如果下雨，即使室外溫度低于設(shè)定的溫度值，窗戶也不會(huì)打開，同時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)會(huì)處于正常的工作狀態(tài)。在窗戶打開的狀態(tài)下，如果檢測到下雨，也會(huì)強(qiáng)行關(guān)閉窗戶，同時(shí)讓通風(fēng)系統(tǒng)重新回到正常的定時(shí)通風(fēng)工作狀態(tài)，讓室內(nèi)的空氣定時(shí)得到更新，保持清新。

■3.4 按鍵的設(shè)置

圖6 是按鍵設(shè)計(jì)流程圖。

圖6 按鍵設(shè)計(jì)流程圖

（1）設(shè)置溫度

本裝置的默認(rèn)的溫度是27.5℃，即在接通電源時(shí)，無須調(diào)節(jié)，即可在室外溫度下降到27.5℃時(shí)窗戶會(huì)自動(dòng)打開，同時(shí)關(guān)閉空調(diào)機(jī)。若需調(diào)節(jié)，可直接按上下(SW3、SW4)鍵，直到在顯示屏可看到所需要的溫度為止。

（2）設(shè)置時(shí)鐘

按下設(shè)置鍵（SW2），顯示屏顯示F1，再按上下(SW3、SW4)鍵，即可調(diào)整時(shí)鐘到當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。調(diào)整完畢可按一下確認(rèn)鍵（SW1），調(diào)整得以確認(rèn)，顯示屏回到顯示室外溫度的狀態(tài)。

（3）定時(shí)開啟通風(fēng)機(jī)

連續(xù)按設(shè)置鍵（SW2）2 次，顯示屏顯示F2，再按上下鍵，即可調(diào)整定時(shí)關(guān)閉通風(fēng)機(jī)時(shí)間。調(diào)整完畢再按一下確認(rèn)鍵，調(diào)整得以確認(rèn)，顯示屏回到顯示室外溫度的狀態(tài)。

（4）定時(shí)關(guān)閉通風(fēng)機(jī)

連續(xù)按設(shè)置鍵（SW2）3 次，顯示屏顯示F3，再按上下鍵，即可調(diào)整定時(shí)關(guān)閉通風(fēng)機(jī)時(shí)間。調(diào)整完畢再按一下確認(rèn)鍵，調(diào)整得以確認(rèn)，顯示屏回到顯示室外溫度的狀態(tài)。

遇到停電再來電時(shí)定時(shí)設(shè)置和溫度設(shè)置可以保持不變，時(shí)間需重新調(diào)整。

（5）強(qiáng)制開關(guān)窗戶

在室外溫度沒有達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，若需開窗，則按一下SW3 鍵，窗戶打開，再按一下SW3 鍵，窗戶關(guān)閉（在窗戶打開時(shí)，空調(diào)機(jī)將不能啟動(dòng)）。

（6）強(qiáng)制開關(guān)通風(fēng)機(jī)

在需要強(qiáng)行開啟通風(fēng)機(jī)時(shí)，則按一下SW4 鍵，通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，再按一下SW4 鍵，通風(fēng)機(jī)停止。

在任何強(qiáng)制狀態(tài)下，控制盒面板上的LED 燈D7 被點(diǎn)亮，此時(shí)自動(dòng)控制無效。若需恢復(fù)自動(dòng)控制，則按一下取消鍵SW1，此時(shí)控制盒面板上的LED 熄滅，表示系統(tǒng)取消強(qiáng)制狀態(tài)，恢復(fù)到自動(dòng)控制狀態(tài)。

（7）通風(fēng)風(fēng)量設(shè)置

將控制盒面板上的撥動(dòng)開關(guān)SW5 置于左側(cè)，則通風(fēng)風(fēng)量為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量；將控制盒面板上的撥動(dòng)開關(guān)置于右側(cè)，則通風(fēng)風(fēng)量為節(jié)約風(fēng)量。

4 通風(fēng)裝置的制作與實(shí)踐

■4.1 通風(fēng)裝置的制作

根據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖通過軟件畫出如圖7 所示的PCB 圖。通過焊接及組裝，形成圖8 所示的通風(fēng)裝置實(shí)物圖。

圖7 控制電路PCB 圖

圖8 通風(fēng)裝置實(shí)物圖

■4.2 通風(fēng)裝置的實(shí)踐

圖9 是通風(fēng)裝置安裝外形的示意圖，圖10 是通風(fēng)裝置安裝的側(cè)視圖。動(dòng)力盒安裝在窗戶外側(cè)，其輸出的動(dòng)力帶動(dòng)安裝在活動(dòng)窗頁上的齒條機(jī)構(gòu)。當(dāng)溫度傳感器感知室外溫度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度時(shí)，控制盒發(fā)出指令，使動(dòng)力盒帶動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)，從而使窗戶自動(dòng)開關(guān)；同時(shí)控制盒內(nèi)的繼電器將空調(diào)的電源斷開。由于動(dòng)力盒是安裝在窗戶外面，因此不會(huì)影響室內(nèi)裝修，也不影響紗窗的使用。

圖9 通風(fēng)裝置安裝外形示意圖

圖10 通風(fēng)裝置安裝側(cè)視圖

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)研究了一種與空調(diào)聯(lián)動(dòng)的室內(nèi)通風(fēng)裝置，通過以單片機(jī)為核心的控制電路和溫度傳感器、雨量探測器的協(xié)同工作，控制空調(diào)電源、窗戶和通風(fēng)系統(tǒng)。當(dāng)室外溫度高于設(shè)定的溫度值時(shí)，能夠向空調(diào)提供電源，關(guān)閉窗戶，同時(shí)能定時(shí)通風(fēng)；當(dāng)室外溫度低于設(shè)定的溫度值時(shí)，能關(guān)閉空調(diào)、打開窗戶，保持舒適的環(huán)境。本裝置在實(shí)際應(yīng)用中，能穩(wěn)定地運(yùn)行于各種不同的場合。