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]。
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
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?;?051 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,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)。
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
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
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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