浙江工業(yè)大學之江學院校園建設處 周文華

基于單片機的空調(diào)節(jié)能插座的設計與實現(xiàn)

浙江工業(yè)大學之江學院校園建設處 周文華

利用單片機接收溫度傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)當前溫度以及電流檢測信號來自動控制雙向可控硅的通斷（即插座通斷），從而實現(xiàn)利用空調(diào)插座實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的理念。系統(tǒng)以單片機為控制核心，結合外圍硬件電路來實現(xiàn)空調(diào)在空調(diào)品牌不一、應用場合多變的政府機關、各類學校等溫控能耗大戶的后期節(jié)能改造。

單片機；智能插座；溫控；密碼鎖

1 背景

各類學校和政府機關己大量使用空氣調(diào)節(jié)器(俗稱空調(diào)),但其能耗不容小覷。為了可以落實國務院有關加大節(jié)能工作的決定,即國發(fā)2006第28號文件精神,為了最大限度節(jié)約能源、資源,減少二氧化碳的溫室氣體的排放,要對空調(diào)進行科學、合理的使用,以此來達到保護環(huán)境的目的。有關規(guī)定稱(國務院所頒布的辦公廳有關嚴格執(zhí)行公共建筑空調(diào)溫度控制標準相關通知)：所有僅供建筑內(nèi)的單位,無論是單位、國企、個體等,除了醫(yī)院特殊單位和一些生產(chǎn)對工藝對溫度有嚴格要求的批準之外,在夏季,室內(nèi)溫度設置不可低過26度,冬季,室內(nèi)溫度設置則不可高于20度［2］。

在各單位己經(jīng)大規(guī)模使用品牌不一的空調(diào)的前提下,研制一種控制空調(diào)按節(jié)能模式運行的設備有比較現(xiàn)實的意義。

圖2.2 系統(tǒng)硬件電路

2 硬件電路設計

空調(diào)節(jié)能插座的系統(tǒng)框圖如圖2.1所示,主要以89C51單片機為控制核心,外圍電路包括：直流穩(wěn)壓電源以及電路、空調(diào)電流檢測電路、開關電路、時鐘模塊電路、溫度測量顯示以及蜂鳴器的指示燈電路等等。

圖2.4 七段數(shù)碼管顯示電路

圖2.1 硬件系統(tǒng)結構圖

主要功能：

(1)室溫低于5℃或者高于30℃時,自動接通插座電源,允許空調(diào)運行;

(2)室溫在5℃至20℃或者在26℃至30℃時,插座不動作,保持原有狀態(tài);

(3)室溫在20℃至26℃時,若空調(diào)正在運行,則蜂鳴器發(fā)出提示信息,自動切斷插座電源,不允許空調(diào)運行。

硬件電路如圖2.2所示。

2.1 溫度數(shù)據(jù)采集電路

電路中主要用到數(shù)字式溫度傳感器DS18B20,由單片機的P1.5口來進行數(shù)據(jù)的通信,如圖2.3所示。其主要特點如下［3］：

(1)電壓范圍：3.0～5.5V,在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。

(2)與單片機之間的通訊只需一條數(shù)據(jù)線即可實現(xiàn)。

(3)可支持多點測試功能,即多個DS18B20可以并聯(lián)在同一根數(shù)據(jù)線上。

(4)外圍電路簡單,其內(nèi)部的集成電路中包含了傳感器和轉換電路模塊。

(5)測溫范圍：—55℃～+125℃。在溫度范圍-10～+85℃時,可以精確至±0.5℃。

圖2.3 溫度傳感器電路圖

(6)在可編程的程序中,分辨率為9-12位,其中,所對應的溫度,對應為如下：0.5、0.25、0.125、0.0625℃,精確度高,可實現(xiàn)高準確、精密的測溫工作。

(7)測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號,以一線總線的串行,傳達到CPU處,并同時還需要傳達至 CRC進行校對,其糾錯、干擾能力比較強。

(8)負壓特性：電源極性接反時,芯片不會因發(fā)熱而燒毀,但不能正常工作。

DS18B20單總線傳輸?shù)姆绞經(jīng)Q定了其只需一根線與單片機進行通信。與此同時,在DS18B20使用過程中要嚴格按照其使用手冊中的時序圖來進行相應的操作。

2.2 顯示電路

顯示電路由四位共陽極LED七段數(shù)碼管顯示,經(jīng)單片機P0口驅動,P2.4-P2.7口控制其公共端來實現(xiàn)溫度數(shù)字的顯示。

共陽極數(shù)碼管中即其中每一個發(fā)光的二級管的“+”極都是連接在一起的,此法稱為數(shù)碼管共陽極接法,也稱為共陽極數(shù)碼管。一般來說共陽數(shù)碼管應用時,要把公共極COM接到高電平,即+5V,當某字段發(fā)光二級管“-”極為低電平,相應的字段就會點亮,并根據(jù)相應發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。當某一字段的陰極為高電平時,相應字段就不亮［4］。此時,如需讓數(shù)碼管亮度顯示正常,則需根據(jù)外接電源接通時的額定電流在確定相應的限流電阻,與此同時還得確保流過電流不能小于0.5mA。

七段數(shù)碼管(如圖2.4所示)內(nèi)四個數(shù)碼管一個用了a～dp8根數(shù)據(jù)線,人們使用起來非常方便。四個數(shù)碼管有四個公共端,與a～dp一起組成了12個引腳,下圖為共陰四位數(shù)碼管的內(nèi)部結構圖,如果是共陽的,則與此圖相反。引腳排列從左下角,即1腳起,逆時方式,依次為1-12腳,上圖數(shù)字一一與之對應。

2.3 開關控制電路

雙向可控硅亦稱雙向晶閘管,屬于一種功率半導體的器件,在單片機的控制系統(tǒng)當中可作為功率驅動的器件,再加上因為雙向可控硅未有反賂的耐壓問題,所以控制電路比較簡單,常用于作為交流開關器件使用。同時,由于其耐壓值高,峰值電流大,因此雙向可控硅往往用在一些功率比較大的電器設備當中,連接在強電網(wǎng)絡當中,同時還要注意其觸發(fā)電路的抗干擾的問題,一般情況是通過光電耦合器,把單片機控制系統(tǒng)中的觸發(fā)信號加載至可控硅的控制極,用一驅雙向的可控制性的硅導通。為了可最大限度減少驅動功率以及可控硅觸發(fā)時所產(chǎn)生一定的干擾,在交流電路中雙向可控硅所觸發(fā)時,一般是運用過零觸發(fā)的電路。這里的意思指的是在交流電壓過0,或是過0點附近時可達到瞬間接通。由于本設計中只需控制交流電的導通與關斷,因此為簡便設計,不需要考慮交流電的過零檢測電路,直接通過光耦驅動實現(xiàn)可控硅的導通。

電路如圖2.5所示,圖中MOC3061 為其中光電耦合器的一種,所起到的作用有兩種,第一種為隔離保護作用,第二種為驅動雙向可控硅U3,R15和R17作用不同,前者為發(fā)限流電阻,后者為雙向可控硅U3門極電阻,所起到的作用是用來誤觸發(fā)的過程,并提升抗干擾的能力。單片機如果STR89C52RC的P2.3引腳輸出低電平信號時三極管Q6導通,此時光耦器MOC3061也導通,同時給出觸發(fā)信號,使雙向可控硅U3導通,接通交流負載工作。與此同時,雖然雙向可控硅可以反向導通,但也容易擊穿,故在使用時的反向電壓必須小于雙向可控硅最大能能承受的范圍。在實際使用過程中,我們還可以在雙向可控硅兩極間并聯(lián)一個RC阻容吸收電路,實現(xiàn)雙向可控硅過電壓保護［5］。圖2.5為本系統(tǒng)控制開關電路的電路圖。

圖2.5 可控硅過零觸發(fā)電路

2.4 密碼鎖

單片機系統(tǒng)既需要專業(yè)人員的操作,又要避免非專業(yè)人員的誤操作［6］。在很多公共場合,我們會發(fā)現(xiàn)許多設備非專業(yè)人員誤操作而造成的意外后果,但是如何避免呢?在本設計中,使用一個簡單的密碼鎖,利用按鍵之間的規(guī)律來完成,通過單片機的中斷計數(shù)來實現(xiàn)相應的功能。硬件電路圖如圖2.6所示。

圖2.6 密碼鎖電路

當需要切換其他功能的時候則需要通過這個密碼鎖來實現(xiàn)相應的功能。使用方式如下：

(1)強制導通：按鍵1按一下,接著按鍵2按一下,連續(xù)循環(huán)操作5次;

(2)強制關斷：按鍵1按一下,接著按鍵2連續(xù)按兩下,連續(xù)循環(huán)操作5次;

(3)恢復正常：按鍵1按一下,接著按鍵2連續(xù)按三下,連續(xù)循環(huán)操作5次。

使用要求：每次按鍵間隔時間不能超過1S,否則將無效,回到原來狀態(tài);如果沒有規(guī)范使用密碼鎖按鍵也將無效。

3 程序設計

此設計中,控制程序是keil軟件開發(fā)系統(tǒng)下,運用C語言來進行編程,以此完成最基本的功能。和匯編進行比較,C語言在功能、結構、可讀性等方面,包括維護性上都有著明顯的優(yōu)點,學與用也極為方便［7］。

在程序執(zhí)行階主要有5個溫度結點,主要是通過溫度的不同執(zhí)行相應的操作。程序流程圖如圖3.1所示：

圖3.1 程序流程圖

3.1 溫度讀取及控制程序設計

溫度傳感器的使用過程中,需要先進行初始化,然后寫數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù),最后將讀取到的數(shù)據(jù)進行轉換,變成大家都熟悉的十進制數(shù)。

圖3.2為整個數(shù)據(jù)顯示的程序流程圖：

圖3.2 顯示程序流程圖

3.2 密碼鎖

然后根據(jù)相應按鍵操作選擇不用的操作。在上節(jié)中闡述密碼鎖硬件電路部分時,用到了兩個按鍵同時來進行操作。雖然這樣做能夠更加安全、不易被破壞,但是在軟件實現(xiàn)部分可能不是很穩(wěn)定,因此在實物設計過程中選擇了一個按鍵計數(shù)來實現(xiàn)相應功能。該部分的程序流程圖如圖3.3所示。

圖3.3 密碼鎖程序流程圖

4 實際應用

一個電子系統(tǒng)的設計需要考慮在現(xiàn)實狀態(tài)下的應用可能。筆者也認為最理想的狀態(tài)是各大空調(diào)生產(chǎn)廠商能能夠根據(jù)實際情況給用戶提供特定環(huán)境下的控制程序,也就是說,我們用戶買到的空調(diào)就可以選擇本次設計所具備的功能。但基于現(xiàn)狀,本次設計的方案還是能夠解決我們的燃眉之急。

整個硬件系統(tǒng)可以封裝在一個16A三項插座里面,能夠滿足各個單位管理空調(diào)的日常管理,單片機空調(diào)節(jié)能插座的溫度控制要求如表4.1所示,主要是根據(jù)讀取的溫度及空調(diào)運行狀態(tài)來進行相應操作。同時還具有按鍵密碼鎖功能,只限于管理人員控制插座的運行狀態(tài)及日常維護。

表4.1 系統(tǒng)功能闡述

[1]艾默生．制冷技術[J]．信息與動態(tài),2007(02):33．

[2]楊義軍,王斌．基于PIC單片機的空調(diào)節(jié)能插座[J]．電子世界,2012(05):44-46．

[3]樊強,張敏,李霞．基于DS18B20的溫度采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]．農(nóng)機化研究,2012(12):161-164．

[4]徐偉,姜元建．智能插座在智能家居中的設計和應用[J]．中國儀器儀表,2010(10):45-47．

[5]于新潮．雙向可控硅過零觸發(fā)電路的設計[J]．包頭職業(yè)技術學院學報,2009(03):13-14．

[6]蔡菲娜,單片微型計算機原理和應用[M]．杭州:浙江大學出版社,2009．

[7]魏寧宇．基于AT89S52單片機控制的電器定時插座的設計[J]．信息通信,2012(03):66．

[8]魏寧宇,基于AT89S52單片機控制的電器定時插座的設計[J]．信息通信,2012(03):66．