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(jì)
楊曉
青島市第三人民醫(yī)院 器械科,山東青島 266041
本文針對(duì)醫(yī)院機(jī)房及病房等裝備空調(diào)場(chǎng)所對(duì)溫度控制的要求,設(shè)計(jì)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(cè)、數(shù)字溫度檢測(cè)及單片機(jī)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(yùn)行時(shí)間及溫度區(qū)間,從而達(dá)到節(jié)能目的。長期試驗(yàn)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(dá)20%左右。
空調(diào)節(jié)能控制器;空調(diào);溫度補(bǔ)償技術(shù);仿人控制理論
隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí),也帶來了嚴(yán)峻的電力緊張和環(huán)境污染問題[1]。尤其對(duì)于像我國這種主要依靠火力發(fā)電的國家,經(jīng)濟(jì)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(huì)發(fā)展中需要重點(diǎn)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(diǎn)點(diǎn)滴滴中體現(xiàn)節(jié)能意識(shí),舒適、節(jié)能也就成了空調(diào)的流行主題。
醫(yī)院機(jī)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(yùn)行狀態(tài)。普通空調(diào)在到達(dá)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(shí),空調(diào)室外機(jī)就重新啟動(dòng)。普通空調(diào)室外機(jī)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(shí)間不長,節(jié)能效果不明顯,且室外機(jī)的頻繁啟動(dòng),也減少了空調(diào)的使用壽命。
本文設(shè)計(jì)的空調(diào)節(jié)能控制器,采用實(shí)時(shí)自動(dòng)溫度補(bǔ)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(shí)現(xiàn)控制過程的優(yōu)化,將節(jié)能體現(xiàn)在每一個(gè)細(xì)節(jié),力求實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能。
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(chǔ)、溫度檢測(cè)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、按鍵等組成(圖1)。其中,選用1602字符型液晶進(jìn)行信息顯示、24C256作為外部E2PROM進(jìn)行遙控器指令存儲(chǔ),并配有DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供精確時(shí)間及DS18B20對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)。
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(hào)各異,要對(duì)各種空調(diào)都能實(shí)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(shí)候?qū)⒅噶睢安シ拧背鋈ィ瑥亩鴮?shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)是HS0038B,其環(huán)氧包裝可以作為紅外過濾片,即使在強(qiáng)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(gè)850nm紅外二極管,由9013三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
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(hào)時(shí),HS0038B內(nèi)的紅外敏感元件將紅外脈沖調(diào)制光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),然后通過內(nèi)部的前置放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理,再通過帶通濾波器進(jìn)行濾波,對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行解調(diào),最后由輸出電路進(jìn)行反向放大并輸出低電平。沒有接收到載波信號(hào)時(shí),電路HS3008B輸出高電平,這樣就將脈沖調(diào)制信號(hào)解調(diào)成一列連續(xù)的方波信號(hào),單片機(jī)再通過內(nèi)部計(jì)時(shí)器計(jì)算這列方波各高、低電平的寬度并將方波時(shí)序和方波個(gè)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(chǔ)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(shí),單片機(jī)通過內(nèi)部定時(shí)器模擬生成一列38kHz的載波信號(hào),先讀取遙控指令方波個(gè)數(shù)n,再將記錄在E2PROM中的時(shí)序保存在數(shù)組InfraCode[n]中,然后進(jìn)行還原原始脈沖信號(hào):若n%2為0,表示原始信號(hào)中為高電平,紅外二極管持續(xù)發(fā)送38kHz方波直到計(jì)時(shí)器從0變化到InfraCode[n];若n%2為1,表示原始信號(hào)中為低電平,紅外二極管保持關(guān)閉直到計(jì)時(shí)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(shí)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(shí)顯示2行共計(jì)32個(gè)字符。其內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器(CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)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(hào)和日文假名等。每一個(gè)字符都有1個(gè)固定的代碼,1602識(shí)別的是ASCII碼,可以用ASCII碼直接賦值,在單片機(jī)編程中也可以用字符型常量或變量賦值。
為了達(dá)到最大限度的節(jié)能,在在液晶顯示電路中添加了一個(gè)NE555定時(shí)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(shí)間,本文設(shè)置的液晶背光時(shí)間為20s,超過20s沒有任何操作控制器將自動(dòng)關(guān)閉液晶背光燈,如遇按鍵操作,控制器將再次點(diǎn)亮液晶背光,這樣就可以保證在液晶背光僅在需要的時(shí)候才點(diǎn)亮,從而達(dá)到節(jié)能的目的。
圖3 LCD液晶顯示電路
1.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路
除了根據(jù)設(shè)定的上下限溫度進(jìn)行開關(guān)機(jī)控制外,還可以針對(duì)某些夜間不需要制冷的場(chǎng)合進(jìn)行時(shí)間層面上的開關(guān)機(jī)控制,如公共場(chǎng)所、大廳等。因此,需要由實(shí)時(shí)時(shí)鐘保證控制器運(yùn)行。
實(shí)時(shí)時(shí)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(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí),具有閏年補(bǔ)償功能,工作電壓為2.5~5.5V,采用3線接口與CPU進(jìn)行同步通信,并可采用突發(fā)方式1次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有1個(gè)31×8的用于臨時(shí)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(hù)電源提供可編程的充電功能。實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路圖,見圖4。其中,32.768K晶振配有2個(gè)高精度6.8pF電容進(jìn)行補(bǔ)償,以確保時(shí)鐘精確計(jì)時(shí)。在斷電或者電壓過低時(shí)還可以使用備用電池為其供電,保證時(shí)鐘正常運(yùn)行。
圖4 實(shí)時(shí)時(shí)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(qiáng)、精度高,適用于高精度、高可靠性的場(chǎng)合。主要特征為:全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出、精度可達(dá)±0.5℃、最高12位分辨率、檢測(cè)溫度范圍為-55~+125℃[8]等,完全滿足本文設(shè)計(jì)要求。關(guān)于DS18B20的原理及應(yīng)用,已有諸多文獻(xiàn)進(jìn)行了說明,這里不再贅述。
控制器通電后首先進(jìn)行初始化,讀取E2PROM存儲(chǔ)的系統(tǒng)設(shè)定信息,確定控制器的工作時(shí)間段、溫度上下限等。初始化結(jié)束后,控制器讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片中的時(shí)間信息,同時(shí)檢測(cè)環(huán)境溫度,通過LCD進(jìn)行顯示。然后判斷是否處于用戶設(shè)定的控制器工作時(shí)間段:若處于非工作時(shí)間,控制器將持續(xù)測(cè)量顯示實(shí)時(shí)溫度和時(shí)間;若處于工作時(shí)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(shí)用戶可以設(shè)定控制器工作時(shí)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(shí)間并且沒有按鍵操作,控制器將自動(dòng)檢測(cè)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(shí),控制器將自動(dòng)開啟空調(diào),待環(huán)境溫度恢復(fù)到正常的溫度時(shí)再關(guān)閉空調(diào),以此來減少空調(diào)運(yùn)行時(shí)間,從而達(dá)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
通過比對(duì)院內(nèi)兩個(gè)機(jī)房環(huán)境溫度變化情況及機(jī)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(jī)房的環(huán)境溫度有明顯的規(guī)律性波動(dòng)(在符合設(shè)備本身對(duì)機(jī)房環(huán)境容忍度的前提下),機(jī)房電流也隨著空調(diào)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況有明顯的上下波動(dòng)。當(dāng)空調(diào)停止運(yùn)轉(zhuǎn),機(jī)房溫度處于上升狀態(tài)時(shí),用電電流明顯降低,當(dāng)機(jī)房空調(diào)啟動(dòng),機(jī)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(jī)房,由于空調(diào)自身的溫度調(diào)控系統(tǒng)原因,機(jī)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(jī)房用電量對(duì)比。
表1 安裝控制器前、后的機(jī)房用電量對(duì)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(duì)機(jī)房環(huán)境的容忍程度以及機(jī)房建筑物本身的保溫性能,精準(zhǔn)地對(duì)空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行控制,有效降低了機(jī)房空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間,節(jié)約了用電支出。
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(shí)時(shí)自動(dòng)溫度補(bǔ)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(shí)現(xiàn)了控制過程的優(yōu)化。實(shí)際運(yùn)行表明,空調(diào)節(jié)能控制器能夠精準(zhǔn)地對(duì)空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行控制,有效降低空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間,節(jié)約用電支出。同時(shí),控制器操作簡單、使用方便、人機(jī)交互界面友好,尤其適合大型機(jī)房、辦公室等場(chǎng)所使用。
[1] 覃曉凡,李浩.基于PIC單片機(jī)的空調(diào)節(jié)能控制器設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)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(jì)[J].測(cè)控技術(shù),2003,(22):54-56.
[3] 李楠,鄭建立.基于單片機(jī)的紅外遙控自學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)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(jì)與實(shí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009(2):36-38.
[6] 薛廷強(qiáng),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.
[7] 吳業(yè)正.制冷原理及設(shè)備[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1997.
[8] 海濤,鄒鳴,駱武寧,等.基于ATmega單片機(jī)的DS18B20溫度采集系統(tǒng)[J].通信與信息技術(shù),2010,(1):79-80.
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