徐 意，沈旭東

(嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，浙江 嘉興 314000)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中央空調(diào)早已廣泛應(yīng)用于各種商業(yè)建筑物內(nèi)。然而，當(dāng)前中央空調(diào)用戶的電費(fèi)大多以建筑面積的大小來(lái)定價(jià)收費(fèi)。用戶無(wú)論“用多用少”，均是一個(gè)價(jià)。該計(jì)費(fèi)方式不利于用戶養(yǎng)成節(jié)能意識(shí)，浪費(fèi)能源，也不利于物業(yè)收取管理費(fèi)［1］。當(dāng)前，中央空調(diào)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)大多采用基于總線技術(shù)的單片機(jī)系統(tǒng)，工作速度慢，精度低。本文采用以Altera 公司CYCLONEⅡ系列的FPGA 為平臺(tái)，構(gòu)建8051 軟核為控制核心，不僅具有單片機(jī)系統(tǒng)的所有優(yōu)勢(shì)，而且工作速度大大提高，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［2－3］。該設(shè)計(jì)克服了單片機(jī)系統(tǒng)冷量采集誤差大的問(wèn)題，而且減少了系統(tǒng)占用面積，提高了系統(tǒng)抗干擾能力，具有較好的穩(wěn)定性［4］。

1 計(jì)量原理

集中空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的降溫原理是通過(guò)風(fēng)機(jī)盤管中的冷水與空調(diào)房間里的空氣換熱來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以用戶消耗的冷量是中央空調(diào)產(chǎn)生費(fèi)用的主要原因［5］。風(fēng)機(jī)盤管分散設(shè)置于空調(diào)房間，室內(nèi)負(fù)荷由機(jī)組內(nèi)盤管承擔(dān)，室外空氣過(guò)濾后經(jīng)過(guò)盤管冷卻，然后進(jìn)入空調(diào)房間，并和室內(nèi)回風(fēng)口形成對(duì)流，保持室內(nèi)空氣的潔凈，并達(dá)到所需要的溫度［6］。

用戶使用的冷量多少可由風(fēng)機(jī)盤管的入水、出水溫度差及流量來(lái)計(jì)算

式中 ρ——流水密度;

V(t)——水的流量;

T2——風(fēng)機(jī)盤管回水溫度;

T1——風(fēng)機(jī)盤管入水溫度。將式(1)離散化

2 系統(tǒng)構(gòu)建

中央空調(diào)使用費(fèi)主要是由于熱交換產(chǎn)生的，故交換的冷量采集是計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的核心和計(jì)費(fèi)的主要依據(jù)。冷量采集器的系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

冷量采集器采用EP2C5T FPGA 為平臺(tái)，構(gòu)建以8051 軟核為核心器件的SOC 系統(tǒng)。EP2C5T FPGA是Altera 公司推出的CYCLONEⅡ系列芯片，它內(nèi)置了8051CPU 軟核。8051 軟核處理系統(tǒng)，具有工作速度快，體積小，能耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)［7］。借助倍頻技術(shù)，8051 軟核工作頻率可達(dá)200M 以上，較傳統(tǒng)的采用單片機(jī)作為采集器，大大提高了精度。在QUARTUSⅡ軟件平臺(tái)中，構(gòu)建SOC 系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 8051 軟核硬件電路圖

圖2 中，pll50 為倍頻模塊，通過(guò)倍頻，可使單片機(jī)工作在200 M 以上的頻率，這是傳統(tǒng)單片機(jī)遠(yuǎn)不能達(dá)到的工作速度，也是基于8051 軟核單片機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在。ram256 為單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，共256 KB，8 位地址線。rom4 kb 為單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器，根據(jù)需要最大可擴(kuò)展至64 kb，本系統(tǒng)擴(kuò)展了4 kb，12 根地址線。基于8051 軟核單片機(jī)系統(tǒng)輸入/輸出接口是獨(dú)立的，P0I［0．．7］～P3I［0．．7］為輸入接口，采集外部數(shù)據(jù)，P00［0．．7］～P30［0．．7］為輸出接口，控制外部對(duì)象。

風(fēng)機(jī)盤管入水溫度T1和回水溫度T2采用PT1000 溫度傳感器檢測(cè)，PT1000 為鉑熱電阻，它的電阻值隨溫度的變化而變化。溫度傳感器的輸出經(jīng)過(guò)電子電路信號(hào)處理，共模數(shù)轉(zhuǎn)換器變換后送入EP2C5T FPGA 處理。流量計(jì)采用脈沖輸出形式，脈沖輸出的頻率與流量成正比，輸出信號(hào)可直接供FPGA 輸入。

電動(dòng)兩通閥用于控制風(fēng)機(jī)盤管的流水，它由室內(nèi)溫度和設(shè)定溫度共同決定，當(dāng)室內(nèi)溫度高于(低于)設(shè)定溫度時(shí)，電動(dòng)兩通閥打開(kāi)，風(fēng)機(jī)盤管與室外空氣進(jìn)行冷量的交換，達(dá)到降溫(升溫)的目的，否則電動(dòng)兩通閥關(guān)閉。電動(dòng)兩通閥關(guān)閉器件，不進(jìn)行流量和流水溫度的采集，不發(fā)生冷量交換和電費(fèi)。

3 軟件設(shè)計(jì)

基于8051 軟核單片機(jī)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)是一樣的。用戶編寫的程序，經(jīng)過(guò)Keil 軟件編譯產(chǎn)生的． hex 目標(biāo)文件由圖2 中的rom4kb 程序存儲(chǔ)器調(diào)用執(zhí)行。按照模塊化設(shè)計(jì)和自頂而下設(shè)計(jì)思路完成系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，主要包括主程序、顯示子程序和2 個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷服務(wù)程序。主程序負(fù)責(zé)對(duì)溫度傳感器DS18B20 的數(shù)據(jù)采集，以及相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算和顯示，流程圖如圖3 所示。顯示子程序負(fù)責(zé)顯示中央空調(diào)用戶使用冷量及電費(fèi)等信息。中斷服務(wù)程序0 負(fù)責(zé)流量計(jì)的脈沖采集，按照固定時(shí)間(1 ms)里對(duì)脈沖計(jì)數(shù)的方法來(lái)確定脈沖頻率，進(jìn)而計(jì)算流量，固定定時(shí)時(shí)間由T1 控制。中斷服務(wù)程序1 讀取A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果，定時(shí)采集風(fēng)機(jī)盤管的入水、回水溫度，流程圖如圖4 所示。

根據(jù)風(fēng)機(jī)盤管入水溫度T1、回水溫度T2和流量V(t)，可以計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)交換的冷量。在電動(dòng)兩通閥導(dǎo)通時(shí)，冷量采集器實(shí)時(shí)采集上述數(shù)據(jù)，累積計(jì)算冷量，并計(jì)算出電費(fèi)，在終端設(shè)備上顯示。同時(shí)，將相關(guān)數(shù)據(jù)送上位機(jī)儲(chǔ)存和顯示［8］。

圖3 主程序流程圖

4 調(diào)試

根據(jù)上述硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)流程，冷量采集器就可以根據(jù)溫度傳感器、流量計(jì)等采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算出交換的冷量，并以此為主要依據(jù)計(jì)算電費(fèi)［9］。試驗(yàn)中，選取了2 個(gè)節(jié)點(diǎn)(面積、溫濕度相仿的房間)作為對(duì)照，空調(diào)分別運(yùn)行10 min 和20 min，觀察交換的冷量和電費(fèi)數(shù)據(jù)變化情況。觀察界面采用QUARTUSⅡ軟件中的SignaltapⅡ邏輯分析儀，它可以動(dòng)態(tài)的顯示CPU 中存儲(chǔ)器的變化，如圖5 所示。圖中，地址為0020H－0023H 和0024H－0027H分別儲(chǔ)存的是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的冷量交換量，地址為0030H－0033H 和0034H －0037H 分別儲(chǔ)存的是計(jì)算所得電費(fèi)，數(shù)據(jù)都以實(shí)數(shù)形式儲(chǔ)存，占用4 個(gè)儲(chǔ)存單元。0020H －0023H 儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)是4A、D2、E9、C0，對(duì)應(yīng)的實(shí)數(shù)是6．9112 ×106J，是運(yùn)行過(guò)程中的一個(gè)狀態(tài)數(shù)據(jù)，0024H －0027H 儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)是4B、3F、6F、D0，對(duì)應(yīng)的實(shí)數(shù)是12．546 ×106J。兩個(gè)房間的冷量消耗量近似為2 倍，驗(yàn)證了采集器的采集精度。空調(diào)停止時(shí)，數(shù)據(jù)幾乎保持不變，表示不再發(fā)生冷量交換，空調(diào)運(yùn)行時(shí)，該數(shù)據(jù)不斷增大，對(duì)應(yīng)的電費(fèi)也不斷增加。據(jù)此計(jì)費(fèi)系統(tǒng)控制運(yùn)營(yíng)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)所消耗的電費(fèi)總和與總表電費(fèi)總額消耗量十分接近，表明此計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的運(yùn)行，相對(duì)傳統(tǒng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，具有較好的優(yōu)越性，使中央空調(diào)的計(jì)費(fèi)有據(jù)可依。

圖4 中斷服務(wù)程序1 流程圖

圖5 SignaltapⅡ邏輯分析儀觀察界面

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前中央空調(diào)計(jì)費(fèi)誤差大、系統(tǒng)工作不穩(wěn)定等問(wèn)題，提出基于8051 軟核的中央空調(diào)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該方案以8051 軟核為控制核心，實(shí)時(shí)、快速的采集冷量交換量，控制電動(dòng)兩通閥的通斷，具有計(jì)費(fèi)精度高、方便集成、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)化了傳統(tǒng)中央空調(diào)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，具有較好的應(yīng)用前景。

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