謝洪

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學院，廣西柳州，545616）

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，室內(nèi)安裝空調(diào)已是人們享受生活，提高生活質(zhì)量的重要方式。然而，空氣質(zhì)量對于人的身體健康同樣至關(guān)重要。由于開啟空調(diào)時，一般情況下需要將門窗關(guān)閉，隨著時間的增加，人們呼出的二氧化碳、室內(nèi)的裝修材料和衣物棉被等所散發(fā)出的種種不潔氣體的濃度不斷增加，這將嚴重影響著人們的身體健康。有資料表明，室內(nèi)空氣污染對人體很容易造成危害，導致人們得“空調(diào)病”。長期在這種環(huán)境下生活和工作，輕者會使人感到精神不好，頭暈目眩，注意力不集中，免疫力下降，重者還會引發(fā)心臟病、呼吸系統(tǒng)疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病，尤其會對嬰幼兒的發(fā)育成長產(chǎn)生長期的不良影響。

要減少甚至防止“空調(diào)病”的發(fā)生，就必須加強室內(nèi)通風。要達到此目的，其方法有兩個：一是將門窗打開；二是使用換氣扇。如果簡單地使用這兩種方法，則空調(diào)的使用效果將會變得很差，并且浪費能源。

目前，開窗方式基本是采用手動開關(guān)，開關(guān)窗時需要人走到窗前才能操作，而現(xiàn)在使用空調(diào)機的家庭越來越多，至凌晨時室外溫度已經(jīng)下降，可以不再需要空調(diào)機工作。如果此時起床開窗且關(guān)空調(diào)機，就影響了睡眠的質(zhì)量，特別是睡眠不良者，可能會導致一直到天亮都無法再入睡。如果不起床開窗關(guān)閉空調(diào)機，一則浪費電能，二則室內(nèi)的空氣變得越來越渾濁。

保持室內(nèi)空氣的良好，保證良好的睡眠環(huán)境，是保證身體健康的重要前提。本室內(nèi)通風裝置就是為了解決這些問題而設計的。

1 裝置總體設計

本裝置是由窗戶自動控制系統(tǒng)和定時通風系統(tǒng)組成。系統(tǒng)框圖如圖1 所示，包含遙控接收電路、按鍵電路、數(shù)據(jù)存儲電路、顯示電路、溫度與下雨感知電路、通風控制電路、窗戶開關(guān)控制電路、單片機電路及整流電路組成。系統(tǒng)所有的控制動作，都由單片機S3F9488 控制。

圖1 室內(nèi)通風裝置系統(tǒng)框圖

2 硬件系統(tǒng)設計

■2.1 主控電路設計

圖2 是系統(tǒng)的主控電路圖，由按鍵電路、遙控電路、指示電路、顯示電路、復位電路及時鐘電路和數(shù)據(jù)存儲電路組成。

圖2 系統(tǒng)主控電路圖

（1）按鍵電路

開關(guān)SW1、SW2、SW3 和SW4 為設置按鈕鍵，分別是確認(取消)鍵、設置鍵、上升（增加）鍵和下降（減少）鍵。通過按鍵的操作，可以對時間及溫度值進行人為的設置。

（2）遙控電路

遙控器的信號，通過紅外接收電路U5 接收，送到單片機U2 的引腳P03 進行判斷。

（3）指示電路

D7 是LED 二極管，用于強制動作指示。當有強制動作時，從U2 的引腳P07 輸出低電位，點亮D7。

（4）顯示電路

四位LED 數(shù)碼管顯示器LED1 受單片機的端口P1、P2和P4 的控制，顯示溫度和定時時間等設置信息。

（5）復位電路及時鐘電路

R8 和C8 組成復位電路，完成對單片機U2 的復位。X1 是8MHz 的系統(tǒng)時鐘電路。C5、C7 和X2 與單片機內(nèi)部電路，構(gòu)成了32.768kHz 用于計時的時鐘電路。

（6）數(shù)據(jù)存儲電路

U3 是2 線串行接口的128×8 位存儲器24C01，用于存儲設定的溫度和定時數(shù)據(jù)。

■2.2 窗戶自動控制系統(tǒng)的設計

窗戶外側(cè)安裝有動力盒，通過動力盒的雙線圈交流電機的轉(zhuǎn)動方向不同，驅(qū)動安裝在活動窗戶上的齒條運動方向，從而實現(xiàn)對窗戶的控制。

圖3 是窗戶控制及電源電路圖。從圖2的P1 端口連接的溫度和濕度傳感器，與電路R1、R2 串聯(lián)連接。電源電壓經(jīng)傳感器與電阻分壓，輸入到U2 單片機中，經(jīng)程序判斷。作出決定對交流電機的進行供電控制。

圖3 窗戶控制及電源電路圖

（1）關(guān)窗戶

U2 的 P31（MOTOR）輸出高電平，經(jīng)過R4，送到Q2的基極，使Q2 導通，繼電器K2 給關(guān)窗戶電機供電。同時接通空調(diào)電源。當關(guān)窗到位的時候，齒條上的撥片觸動動力盒上的“關(guān)窗戶”行程開關(guān)，停止給電機供電，關(guān)窗戶完成。

（2）開窗戶

U2 的P31（MOTOR）輸出低電平，經(jīng)過R4，送到Q2的基極，使Q2 截止，繼電器K2 給開窗戶電機供電。同時斷空調(diào)電源。當開窗到位的時候，齒條上的撥片觸動動力盒上的“開窗戶”行程開關(guān)，停止給電機供電，關(guān)窗戶完成。

（3）電源電路

220V 交流電通過T1 降壓后，再經(jīng)過D1、D2、D3、D4 組成的整流橋，轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)C1 濾波獲得+24V 直流電，為通風系統(tǒng)的排風扇提供工作電源。同時該+24V 直流電經(jīng)U1 穩(wěn)壓，得到穩(wěn)定5V 的直流電，為主控電路提供電源。

■2.3 定時通風系統(tǒng)的設計

定時通風系統(tǒng)由控制盒、軸流風機、引風管道、進風口和防蚊網(wǎng)組成，圖4 是通風控制電路圖。

圖4 通風控制電路圖

U2 的引腳P32（FAN）控制通風。當需要通風時，P32 輸出高電平，經(jīng)過R3，送到Q1 的基極，使Q1 導通，繼電器K1 節(jié)點閉合，給U4 穩(wěn)壓集成塊LM317 提供約24V的直流電。經(jīng)穩(wěn)壓后，驅(qū)動直流排風電機。

開關(guān)SW5 的作用是通過接入R9 來控制穩(wěn)壓輸出的電壓值，從而控制排風的風量。

風量分兩檔：輸出7.5V 電壓為經(jīng)濟檔，輸出11V 電壓為強風檔。

3 軟件設計

■3.1 窗戶自動控制系統(tǒng)的原理

考慮到人體熱舒適度的要求，同時兼顧能源和設備的投入，我國《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》GB/T 18883-2002 規(guī)定：夏季空調(diào)房間室內(nèi)溫度的標準值為22 ℃～28 ℃。人們可在晚上睡覺時，將室外溫度設定好（一般情況下為27.5℃）。到下半夜（正是人們熟睡的時候），室外溫度下降到了設定的溫度，窗戶就會自動打開，同時將空調(diào)機電源切斷，使人們既享受到了新鮮空氣，又不影響睡眠，同時還可以節(jié)約能源。

■3.2 定時通風系統(tǒng)的設計

當室外溫度達不到設定的溫度時，可以通過設定定時通風系統(tǒng)進行強行通風，以保持室內(nèi)的空氣良好。

一旦窗戶被打開，則通風系統(tǒng)不會被啟動。本通風系統(tǒng)的進風口要求安裝在室內(nèi)的最頂部。由于熱空氣是飄浮在室內(nèi)最頂部，當排風風機工作時可以把室內(nèi)最熱部分的空氣抽走，同時室外新鮮空氣經(jīng)門的底邊縫隙或?qū)ｉT設置的通風孔補充到室內(nèi)，這樣室內(nèi)的空氣就不斷地得以更新。

圖5 系統(tǒng)軟件設計流程

■3.3 軟件工作過程

U2 單片機定時采集室外的溫度和雨量數(shù)據(jù)。如果室外溫度高于設定的溫度值，窗戶將會關(guān)閉，同時給空調(diào)供電，讓空調(diào)機正常工作。這時，通風系統(tǒng)將參與工作，定時開啟和關(guān)閉排風扇，以達到定時換氣的效果。一旦室外溫度下降到達設定的溫度值，系統(tǒng)將會切斷空調(diào)電源，并且打開窗戶，通風系統(tǒng)不會被啟動。

室外的雨量傳感器用于感應是否有雨下。如果下雨，即使室外溫度低于設定的溫度值，窗戶也不會打開，同時通風系統(tǒng)會處于正常的工作狀態(tài)。在窗戶打開的狀態(tài)下，如果檢測到下雨，也會強行關(guān)閉窗戶，同時讓通風系統(tǒng)重新回到正常的定時通風工作狀態(tài)，讓室內(nèi)的空氣定時得到更新，保持清新。

■3.4 按鍵的設置

圖6 是按鍵設計流程圖。

圖6 按鍵設計流程圖

（1）設置溫度

本裝置的默認的溫度是27.5℃，即在接通電源時，無須調(diào)節(jié)，即可在室外溫度下降到27.5℃時窗戶會自動打開，同時關(guān)閉空調(diào)機。若需調(diào)節(jié)，可直接按上下(SW3、SW4)鍵，直到在顯示屏可看到所需要的溫度為止。

（2）設置時鐘

按下設置鍵（SW2），顯示屏顯示F1，再按上下(SW3、SW4)鍵，即可調(diào)整時鐘到當前標準時間。調(diào)整完畢可按一下確認鍵（SW1），調(diào)整得以確認，顯示屏回到顯示室外溫度的狀態(tài)。

（3）定時開啟通風機

連續(xù)按設置鍵（SW2）2 次，顯示屏顯示F2，再按上下鍵，即可調(diào)整定時關(guān)閉通風機時間。調(diào)整完畢再按一下確認鍵，調(diào)整得以確認，顯示屏回到顯示室外溫度的狀態(tài)。

（4）定時關(guān)閉通風機

連續(xù)按設置鍵（SW2）3 次，顯示屏顯示F3，再按上下鍵，即可調(diào)整定時關(guān)閉通風機時間。調(diào)整完畢再按一下確認鍵，調(diào)整得以確認，顯示屏回到顯示室外溫度的狀態(tài)。

遇到停電再來電時定時設置和溫度設置可以保持不變，時間需重新調(diào)整。

（5）強制開關(guān)窗戶

在室外溫度沒有達到設定溫度時，若需開窗，則按一下SW3 鍵，窗戶打開，再按一下SW3 鍵，窗戶關(guān)閉（在窗戶打開時，空調(diào)機將不能啟動）。

（6）強制開關(guān)通風機

在需要強行開啟通風機時，則按一下SW4 鍵，通風機運轉(zhuǎn)，再按一下SW4 鍵，通風機停止。

在任何強制狀態(tài)下，控制盒面板上的LED 燈D7 被點亮，此時自動控制無效。若需恢復自動控制，則按一下取消鍵SW1，此時控制盒面板上的LED 熄滅，表示系統(tǒng)取消強制狀態(tài)，恢復到自動控制狀態(tài)。

（7）通風風量設置

將控制盒面板上的撥動開關(guān)SW5 置于左側(cè)，則通風風量為標準風量；將控制盒面板上的撥動開關(guān)置于右側(cè)，則通風風量為節(jié)約風量。

4 通風裝置的制作與實踐

■4.1 通風裝置的制作

根據(jù)設計的電路圖通過軟件畫出如圖7 所示的PCB 圖。通過焊接及組裝，形成圖8 所示的通風裝置實物圖。

圖7 控制電路PCB 圖

圖8 通風裝置實物圖

■4.2 通風裝置的實踐

圖9 是通風裝置安裝外形的示意圖，圖10 是通風裝置安裝的側(cè)視圖。動力盒安裝在窗戶外側(cè)，其輸出的動力帶動安裝在活動窗頁上的齒條機構(gòu)。當溫度傳感器感知室外溫度達到預先設定的溫度時，控制盒發(fā)出指令，使動力盒帶動齒條運動，從而使窗戶自動開關(guān)；同時控制盒內(nèi)的繼電器將空調(diào)的電源斷開。由于動力盒是安裝在窗戶外面，因此不會影響室內(nèi)裝修，也不影響紗窗的使用。

圖9 通風裝置安裝外形示意圖

圖10 通風裝置安裝側(cè)視圖

5 結(jié)束語

本設計研究了一種與空調(diào)聯(lián)動的室內(nèi)通風裝置，通過以單片機為核心的控制電路和溫度傳感器、雨量探測器的協(xié)同工作，控制空調(diào)電源、窗戶和通風系統(tǒng)。當室外溫度高于設定的溫度值時，能夠向空調(diào)提供電源，關(guān)閉窗戶，同時能定時通風；當室外溫度低于設定的溫度值時，能關(guān)閉空調(diào)、打開窗戶，保持舒適的環(huán)境。本裝置在實際應用中，能穩(wěn)定地運行于各種不同的場合。