魏立明 李 晨 林 君 韓成浩

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

在智能建筑高速發(fā)展的今天，中央空調是成為樓宇自動化系統(tǒng)的主要監(jiān)控對象之一.由于中央空調系統(tǒng)龐大，反應速度較慢，滯后較為嚴重，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，中央空調系統(tǒng)應用越來越廣泛，幾乎所有大型新建建筑都設有中央空調系統(tǒng)，其發(fā)展趨向節(jié)能化.如何采用先進技術對中央空調進行控制，使其克服耗電量大的缺點已成為中央空調控制系統(tǒng)研究的熱點問題.本文針對傳統(tǒng)單片機片內資源少，性能及工作速度慢的缺陷，采用STC系列增強型8051單片機對中央空調進行硬件設計和軟件設計.

1 中央空調控制系統(tǒng)硬件設計

1.1 設計原理

圖1 中央空調系統(tǒng)

中央空調調節(jié)室內溫濕度使人們獲得較舒適的辦公環(huán)境.當室內人們有需求時，通過紅外線遙控裝置對中央空調內部核心STC單片機進行指示，單片機通過調節(jié)溫度傳感器、濕度傳感器對新風口、回風口溫濕度進行檢測，當調節(jié)閥收到檢測的反饋信號時，會自動調節(jié)其開度大小.此時，進入的新風將同室內的回風混合，形成混合風.當風管內混合風溫度過高時，電機會帶動表冷器對其進行降溫處理，冷熱水進行PID調節(jié)；當風管內混合風體濕度不夠時，噴淋泵對其進行加濕，此過程均有變頻器參與；當中央空調內混合風溫濕度差較大時，負荷量隨之將變大，變頻器自動增加水泵轉速.反之，減少其轉速.變頻器的加入使中央空調各個泵組和冷卻塔風機的運行跟隨負荷的變化而同步變化，可以在能夠保證負荷需求的前提下，實現(xiàn)中央空調的最大節(jié)能[2].經過調節(jié)混合風送達送風口時，溫濕度傳感器會再一次進行檢測，來確定送入室內風體溫濕度.經過A/D轉換將其具體溫濕度值顯示在液晶顯示屏上供人們確認.中央空調設計原理如圖1所示.

1.2 硬件選型

此次設計的硬件選型主要包括微控制器、溫度傳感器、濕度傳感器、調節(jié)閥、變頻器和風閥執(zhí)行器等相關硬件的選型.其硬件選取清單如表1所示.

表1 中央空調硬件選取清單

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

STC11F08XE單片機集成了增強型8051CPU、8KB Flash程序存儲器、1280字節(jié)的RAM、全雙工異步串行接口UART和MAX810專用復位電路及硬件看門狗.溫度傳感器DS18b20是全數字溫度轉換及輸出的傳感器，具有先進的單總線數據通信，最高分辨率可達到12位，可選用寄生的工作方式，方便多機掛接，可以適應不同的硬件系統(tǒng).濕度傳感器SHT11是一款數字濕度傳感器，其高度集成可將濕度感測、信號變換、A/D轉換和加熱器等功能集成一體，提供濕度補償測量值和高質量的露點計算功能.MICROMASTER430變頻器模型具有6個可編程的帶電位隔離數字輸入，2個模擬輸入，2個可編輯的模擬輸出，3個可編輯的觸電器輸出，具有啟動和滑差補償的功能，內置高級PID調節(jié)器.混水機調節(jié)開度反饋和冷水調節(jié)開度反饋選用的是Danfoss調節(jié)閥，其驅動器可接收4mA～20mA的控制信號，輸出信號為0～10V，輸入信號具有分段功能.閥門帶有行程自檢功能，能夠自動檢測閥桿的最高位和最低位，并分配給相應電壓信號.同時，閥位還具有現(xiàn)實開度位置的功能.風閥執(zhí)行器GBB161.2E中帶有內置選項，同時具有偏差、定位信號、閥位顯示、反饋電位計以及可調的輔助開關.

2 PID參數優(yōu)化

PID調節(jié)大量應用于中央空調冷熱水調節(jié)控制方面.當中央空調內置溫濕度傳感器測量到新風溫濕度時，將其轉化成(4～20)mA電流信號，經過STC11F08XE單片機內置A/D轉換單元，將模擬量信號轉化成數字量信號，并通過軟件編程實現(xiàn)PID控制，從而由單片機帶動混水機組對新風量進行溫濕度處理達到人們滿意的要求.中央空調系統(tǒng)龐大，控制回路較多，傳統(tǒng)PID算法就參數整定很難滿足其要求[3].本次設計選用蟻群算法來優(yōu)化PID控制的參數.蟻群算法是一種針對離散優(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.其主要部分是把計算機資源分配到一群相對簡單的人工螞蟻上，人工螞蟻之間通過媒介進行間接通信.蟻群算法以嵌入式操作系統(tǒng)為框架，經過多次的迭代逐漸逼近最優(yōu)的結果，解決了傳統(tǒng)PID算法上存在的參數整定滯后、不精確的缺點.應用于中央空調中PID參數優(yōu)化時，主要算法如下：

首先將PID控制參數問題轉化為蟻群算法適用的組合優(yōu)化問題，使一組參數(kp，Ti，Td)和一個長度為15位的數字相對應，建立目標函數：

(1)

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

(2)

最后，進行信息索的更新.螞蟻從初始點完成一次循環(huán)后結點上的信息會發(fā)生變化，根據以下公式進行信息索的更新：

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參數優(yōu)化流程

圖3 中央空調控制系統(tǒng)軟件設計流程

3 中央空調控制系統(tǒng)軟件設計

本次軟件設計的主要部分是中央空調的溫濕度控制，其流程如圖3所示.所以對電機控制和模數轉換溫濕度檢測進行軟件編程.首先，用Ptotel軟件繪制設計原理圖[4-5]，主要包括：主電路部分、USB下載部分、外擴引腳部分和電源部分；其次，選取Keil uvision軟件對溫濕度控制進行編程，包括溫度檢測、濕度檢測、PID調節(jié)和各個電機的啟動停止等；最后，使用ISP-STC燒錄軟件將編輯好的程序燒錄到計算機中.在ISP-STC中選定單片機型號，點擊“打開文件”并在對話框內找到編譯好的程序文件進行下載，手動按下電源開關便即可把可執(zhí)行文件寫入單片內部.最終與焊接好的硬件版相連，板上的液晶顯示器顯示當前室內溫濕度，本設計的軟件部分采用C語言與匯編語言相結合編程.

4 遙控與顯示設計

本次設計也選用紅外線遙控來控制中央空調中STC11F08XE單片機運行即電機啟停和溫濕度檢測.當然此紅外線遙控上需配備一個紅外線發(fā)射管，當與電器的紅外線接收端形成對射的狀態(tài)時，就會達到遙控的作用.此次紅外遙控采用555電路產生脈沖信號，其振蕩電路所產生的特有的頻率脈沖會通過驅動紅外線發(fā)射管所發(fā)出的相同頻率的信號，來實現(xiàn)紅外線控制.其設計框圖如圖4所示.

圖4 紅外線遙控設計框圖

圖5 溫濕度檢測實物

當中央空調將調節(jié)好的新風由送風口送入室內時，前風量的溫濕度會由液晶顯示屏顯示.液晶顯示屏有兩塊板構成，當給其內部液晶施加一個電場，會改變其內部分子排列，從而使液晶層中的液滴形成屏幕上的像素.此次設計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當前溫濕度.其溫濕度檢測實物圖如圖5所示.

5 結語

本文以STC11F08XE單片機為控制核心對中央空調進行硬件與軟件設計，在控制上采取傳統(tǒng)PID調節(jié)與嵌入式蟻群仿生算法相結合的方法對中央空調的冷熱水調節(jié)和溫濕度檢測進行控制，紅外線遠程遙控機組動作，液晶屏顯示中央空調控制結果.通過本文的中央空調系統(tǒng)控制研究，為辦公樓宇中央空調的智能化控制奠定了一定的理論和實驗基礎.

參 考 文 獻

[1] 祁增慧,趙艷秋.基于LonWorks的中央空調PID控制系統(tǒng)的設計[J].電氣應用,2011,30(15):75-77.

[2] 梁慶君.民用商住樓中央空調施工設計中存在的問題與對策[J].科技創(chuàng)新導報,2013(5):120-122.

[3] 王振臣.LonWorks總線與模糊PID控制在空調系統(tǒng)中的應用[J].工業(yè)控制計算機,2007,20(11):20-21.

[4] 范興龍.冰蓄冷地源熱泵中央空調設計及經濟分析[J].發(fā)電與空調,2012,33(5):80-83.

[5] 朱 勇.中央空調[M].北京：人民郵電出版社,2009:16-18.