基于单片机中央空调能效管理系统

　　l 引 言

　　中央空调系统主要由制冷机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统，风机盘管系统和散热水塔组成。制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷，冷冻水泵将冷冻水送到各风机风口的冷却盘管中，由风机吹送冷风达到降温的目的。在系统中，冷动泵、冷却泵、水塔风扇变频器采用开环控制，由维护人员根据季节不同和负荷的变化进行调节，在每一个房间内都安装热交换器和循环风机，通过控制风机的转速来改变热交换量的大小，达到调节房间温度的目地。

　　常见的控制方法是按“高、中、低、关”分档模式控制，其缺点是房间的温度需要手动调节，各种环境因素的变化常常会使人感到不适。风机转速控制方案，采用变频器调速控制，有效地解决了上述问题，达到了室内温度自动调节的目的，大大的节省了能源。

　　2 中央空调能效管理系统总体控制参数原理

　　室内要求控制的到的温度设定为Tsv，风箱出口温度为Tw，当前室内环境温度的测量值为Tpv，室外的温度为T0，室内的散(吸)热系数为Kv，比热容为C，由风机转动而产生的空气流量为q，其比热容为Cp，流量q正比于风机的转速n，其比例系数为Kc，根据动态能量平衡原理，可得：

　　由式(1)可知，影响室内温度的主要因素是风箱出口温度Tw，室内环境温度Tpv，室内的散(吸)热系数Kv，循环风机的转速n。其中Kv由室内环境温度、室外温度及房间密封隔热状况决定。因此选择循环风机的转速为控制参数是调节房间温度从而达到节能的最佳参数。

　　3 中央空调能效管理系统性能特点

　　中央空调能效管理系统主要有以下特点：

　　(1)使用电源为220 VAC，功耗小于5 W；

　　(2)室内温度LCD液晶显示，测温范围一5～30℃；精度士1℃，LCD8—10位显示实时温度值；

　　(3)控制电压输出功能，电压输出分辨率为10位，输出电压范围O～5 V，PID控制周期为5 min；

　　(4)运行时间累计功能，LCD1一4位显示小时，5，6位显示分钟，每小时自动存储1次，每次停止运行时间自动存储到E2PROM内，每次启动自动从E2PROM中读出上一次存储的时间值，并送LCD显示；

　　(5)现场编程功能，现场随机设定室内目标温度，控制周期和调整幅度；

　　(6)人机界面功能，10位LCD数码显示，5个操作键分别为MOD，UP，DOWN，ENTER，SlTART／END。声响提示功能，按键有效蜂鸣器响1声，输入设定数据有效蜂鸣器响2声，输入设定数据错误蜂鸣器响3声，设备故障报警蜂鸣器响5声。

　　4 系统硬件原理及设计

　　中央空调能效管理系统的硬件结构如图1所示。选择TCl047A线性电压输出的温度传感器，其输出信号(温度测量信号)通过集成运放LM358送至模／数转换器TLC0834进行A／D采样，模拟信号经过A／D变化后的数字信号通过总线送至单片机进行处理。经过处理后，输出控制信号至数／模转换器TLC5615从而实现对变频器功率的控制，大大节省了能源。显示数据通过总线送至LCD621，键盘采用键盘中断方式进行中断处理，继电器通过吸合与断开控制风机的启停，E2PROM 24C02用来存放温度的设定值以及PID参数。由此可见，与同类产品比较，该产品的硬件简单，实现了人机交换，所需器件少，用非常低的成本即可实现。

　　4．1 温度检测环节

　　4．1．1 TCl047A概述

　　TCl047A为线性电压输出的温度传感器，其输出电压与测量的温度成正比。它可精确测测量一40～+125℃范围内的温度。同时，TCl047A的工作电压范围为2．5～5．5 V。这类温度传感器的输出电压典型值为：一40℃时为100 mV，0℃时为500 mV，+25℃时为750 mV和+125℃时为1．75 V。10 mV／℃的输出电压斜率可以对宽温度范围内的温度进行准确测量。TCl047A提供3引脚SOT一23B封装，适合空间要求严格的温度测量应用。[page]

　　4．1．2 TLC0834概述

　　TLC0834是TI公司生产的8位逐次逼近模／数转换器，具有输入可配置的多通道多路器和串形输入／输出方式。其多路器可由软件配置为单端或差分输入，也可以配置为伪差分输入。另外，其输入基准电压大小可以调整。在全8位分辨率下，它允许任意小的模拟电压编码间隔。由于TLC0834采用的是串行输入结构，因此封装体积小，可节省51系列单片机I／0资源，价格也较适中。其主要特点如下：8位分辨率；易于和微处理器接口或独立使用；可满量程工作；可用地址逻辑多路器选通4输入通道；单5 V供电，输入范围为O～5 V；当输入和输出与TTL，CMOS电平兼容时钟频率为250 kHz时，其转换时间为32μs；可以和美国国家半导体公司的ADC0834和ADC0838进行替换，但它内部不带齐纳稳压器网络；总调整误差为±1 LSB。
　4．2 信号处理单元P87LPC764 8位0TP单片机

　　P87LPC764系列单片机是Philips公司为满足低成本，高集成场合而开发的芯片，该芯片采用加速51内核，在相同的时钟频率下，其速度是标准51的2倍，内含A／D，UART串口、自带振荡器、I2C总线接口等，可以满足许多方面的性能要求。

　　P87LPC764包含中央处理单元、128 B内部数据存储器RAM，4 kB的OTP程序存储器、15个I／O口和1个输入口、2个16位独立的代溢出触发功能的定时／计数器、8个键盘中断输入和两个外部中断输入。此外，P87LPC764还有上电复位、空闲掉电模式、低电平中断唤醒功能。掉电模式下，电流仅位1μA。若选择片内振荡器，则无需外接元件，仅接上正电源及地线即可。独立的看门狗振荡电路，因而它可侦测时钟源的工作状态。32 B用户代码区可用来存放序列码及设置参数，4个中断优先级。

　　5 系统软件设计

　　主程序流程图如图2所示，采用人性化设计，用户不必做任何操作，智能运行。开机上电，系统进入初始化程序，对单片机P87LPC764，LCD，E2PROM分别进行初始化。实时采集室内温度并显示，然后单片机进行睡眠状态，等待方波发生器产生的外部中断或键盘中断的发生。

　　当方波发生器每O．5 s产生1个中断唤醒单片机时，主程序调用累计时间处理子程序，对系统运行时间进行累加，每小时自动存储一次时间数据到E2PROM内。

　　键盘中断后，程序进入按键中断服务程序，执行按键操作功能，完成对工作模式，控制周期和调整幅度的设定。中断程序执行结束后，系统测量实时温度并显示温度。系统共有5个温度控制状态，方波发生器每O．5 s产生一个外部中断后，系统就查询一次系统温度控制状态，并根据相应的状态进行相应的调整。

　　状态0是未启动状态，表示主机刚刚启动运行，室内温度和目标温度相差可能较大，这时系统全功率运行5 min，使室内温度在最短的时间内到达目标温度。

　　状态l是启动状态，这时要判断采样到的室内温度与用户设定温度值的大小关系，室内采样温度大于用户设定温度时，系统进入状态2提速状态，提高数／模转换器的输出电压，从而实现提高电机功率，加速制冷。当室内采样温度小于用户设定温度时，系统进入状态3减速状态，降低数／模转换器的输出电压，从而达到降低电机功率目地。当室内采样温度等于用户设定时，系统进入平衡状态，保持电机功率不变。从而使室温维持在用户所期望的恒定温度，让人感到舒适满意，更重要的是其节能效果高达30％以上。

　　6 结 语

　　程序在经过调试后，在实际的应用中有良好的效果。在实际的测试中，有2点值得注意：

　　(1)工业采集要求的是准确的基础上灵敏，但这2点有时是相互冲突的。在实际的应用中，一般采集64次完全可以保证精度与灵敏性。

　　(2)由于比较的参数可以通过E2PROM存贮，只要对电路稍加改动，即可适用于其他场合和工矿的要求。因此，这款成本低，精度高的温控节能装置具有更强的竞争力，对于购销双方都是有利的。

　　本系统采用P87LPC764单片机控制，外围电路少、系统稳定、功能强、操作方便、低成本、值得推广。