空調節能控制器的設計

楊曉

青島市第三人民醫院 器械科，山東青島 266041

空調節能控制器的設計

楊曉

青島市第三人民醫院 器械科，山東青島 266041

本文針對醫院機房及病房等裝備空調場所對溫度控制的要求，設計了一種采用區間溫度調控思路的新型空調節能控制器。該控制器基于紅外檢測、數字溫度檢測及單片機控制技術，具有指令自學習功能；能夠根據設定溫度及環境溫度，合理控制空調運行時間及溫度區間，從而達到節能目的。長期試驗表明，使用該空調節能控制器后，避免了空調根據遙控器設定溫度值頻繁開啟、關閉的弊端，節電率約達20%左右。

空調節能控制器；空調；溫度補償技術；仿人控制理論

隨著我國社會經濟的不斷增長和人民生活水平的不斷提高，空調已經十分普及，產量與日俱增。空調在給人們帶來舒適的室內環境的同時，也帶來了嚴峻的電力緊張和環境污染問題[1]。尤其對于像我國這種主要依靠火力發電的國家，經濟的高速增長背后是能源的高消耗，而能源的消耗使得環境污染日益嚴重，因此，節能是我國社會發展中需要重點考慮的問題。節能不僅要從轉變生產方式、淘汰高耗能技術等大層次上入手，也應該在日常生活中的點點滴滴中體現節能意識，舒適、節能也就成了空調的流行主題。

醫院機房及病房是空調耗電較大的部門，往往溫度被人為設定得很低，致使空調長期處于高負荷運行狀態。普通空調在到達設定制冷溫度后，停止工作，但當環境溫度升高1℃左右時，空調室外機就重新啟動。普通空調室外機的通常狀態下的開啟與停止，雖然有一定的節能效果，但是由于開啟與停止間隔時間不長，節能效果不明顯，且室外機的頻繁啟動，也減少了空調的使用壽命。

本文設計的空調節能控制器，采用實時自動溫度補償技術和溫度區間控制技術，可通過鍵盤設定溫度的上限和下限溫度區間開閉空調，體現仿人控制理論，實現控制過程的優化，將節能體現在每一個細節，力求實現最大限度的節能。

1 硬件設計

空調節能控制器選用ATmega16作為控制芯片，系統由液晶顯示、紅外發射接收、外部存儲、溫度檢測、實時時鐘、按鍵等組成（圖1）。其中，選用1602字符型液晶進行信息顯示、24C256作為外部E2PROM進行遙控器指令存儲，并配有DS1302實時時鐘提供精確時間及DS18B20對環境溫度進行檢測。

圖1 硬件架構圖

1.1 紅外指令學習與發射

醫院裝備的空調廠家、型號各異，要對各種空調都能實現精確的控制，空調節能控制器必須要獲得并“學習”到其紅外遙控指令代碼，并在需要的時候將指令“播放”出去，從而實現對空調的控制[2-4]。

紅外指令接收與發射電路（圖2）的紅外接收頭型號是HS0038B，其環氧包裝可以作為紅外過濾片，即使在強干擾環境中，也能夠很穩定地輸出。發射電路采用2個850nm紅外二極管，由9013三極管進行驅動。

圖2 紅外接收與發射電路

當接收到紅外脈沖調制信號時，HS0038B內的紅外敏感元件將紅外脈沖調制光信號轉換成電信號，然后通過內部的前置放大器和自動增益控制電路進行放大處理，再通過帶通濾波器進行濾波，對濾波后的信號進行解調，最后由輸出電路進行反向放大并輸出低電平。沒有接收到載波信號時，電路HS3008B輸出高電平，這樣就將脈沖調制信號解調成一列連續的方波信號，單片機再通過內部計時器計算這列方波各高、低電平的寬度并將方波時序和方波個數保存在E2PROM中，紅外遙控指令也就被“學習”到控制器中。控制器預留了足夠大的存儲空間，適用于遙控指令長度不同的各種空調[5-7]。

發射遙控指令時，單片機通過內部定時器模擬生成一列38kHz的載波信號，先讀取遙控指令方波個數n，再將記錄在E2PROM中的時序保存在數組InfraCode[n]中，然后進行還原原始脈沖信號：若n%2為0，表示原始信號中為高電平，紅外二極管持續發送38kHz方波直到計時器從0變化到InfraCode[n]；若n%2為1，表示原始信號中為低電平，紅外二極管保持關閉直到計時器從0變化到InfraCode[n]。

1.2 液晶顯示電路

液晶用于顯示設定的上下限溫度、當前溫度、時間等信息。由于信息量較少，因此采用了1602字符型液晶，能夠同時顯示2行共計32個字符。其內部的字符發生存儲器（CGROM）已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，包括阿拉伯數字、英文字母的大小寫、常用的符號和日文假名等。每一個字符都有1個固定的代碼，1602識別的是ASCII碼，可以用ASCII碼直接賦值，在單片機編程中也可以用字符型常量或變量賦值。

為了達到最大限度的節能，在在液晶顯示電路中添加了一個NE555定時電路（圖3）。通過調節圖中電阻R2和電容E3的值可以改變液晶的背光時間，本文設置的液晶背光時間為20s，超過20s沒有任何操作控制器將自動關閉液晶背光燈，如遇按鍵操作，控制器將再次點亮液晶背光，這樣就可以保證在液晶背光僅在需要的時候才點亮，從而達到節能的目的。

圖3 LCD液晶顯示電路

1.3 實時時鐘電路

除了根據設定的上下限溫度進行開關機控制外，還可以針對某些夜間不需要制冷的場合進行時間層面上的開關機控制，如公共場所、大廳等。因此，需要由實時時鐘保證控制器運行。

實時時鐘芯片選用美國DALLAS公司推出的高性能、低功耗、帶RAM的DS1302，可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5～5.5V，采用3線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發方式1次傳送多個字節的時鐘信號或RAM數據。DS1302內部有1個31×8的用于臨時性存放數據的RAM寄存器，具有涓流充電能力，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能。實時時鐘電路圖，見圖4。其中，32.768K晶振配有2個高精度6.8pF電容進行補償，以確保時鐘精確計時。在斷電或者電壓過低時還可以使用備用電池為其供電，保證時鐘正常運行。

圖4 實時時鐘電路圖

1.4 溫度傳感器

溫度傳感器的種類繁多，DALLAS公司生產的DS18B20具備小體積和低硬件開消，抗干擾能力強、精度高，適用于高精度、高可靠性的場合。主要特征為：全數字溫度轉換及輸出、精度可達±0.5℃、最高12位分辨率、檢測溫度范圍為-55～+125℃[8]等，完全滿足本文設計要求。關于DS18B20的原理及應用，已有諸多文獻進行了說明，這里不再贅述。

2 軟件設計

控制器通電后首先進行初始化，讀取E2PROM存儲的系統設定信息，確定控制器的工作時間段、溫度上下限等。初始化結束后，控制器讀取實時時鐘芯片中的時間信息，同時檢測環境溫度，通過LCD進行顯示。然后判斷是否處于用戶設定的控制器工作時間段：若處于非工作時間，控制器將持續測量顯示實時溫度和時間；若處于工作時間，控制器先判斷有沒有按鍵操作，如果有按鍵操作，控制器將執行用戶按鍵設置，此時用戶可以設定控制器工作時間段、溫度上下限、矯正溫度及學習遙控指令。如果處于工作時間并且沒有按鍵操作，控制器將自動檢測溫度來確定是否需要開啟空調，當溫度超過用戶設定的限制時，控制器將自動開啟空調，待環境溫度恢復到正常的溫度時再關閉空調，以此來減少空調運行時間，從而達到節能的目的。軟件工作流程，見圖5。

圖5 軟件工作流程圖

3 測試結果

通過比對院內兩個機房環境溫度變化情況及機房用電電流變化情況，可以發現：安裝空調控制器后，機房的環境溫度有明顯的規律性波動（在符合設備本身對機房環境容忍度的前提下），機房電流也隨著空調的運轉情況有明顯的上下波動。當空調停止運轉，機房溫度處于上升狀態時，用電電流明顯降低，當機房空調啟動，機房溫度處于下降狀態，用電電流升高。而沒有安裝控制器的機房，由于空調自身的溫度調控系統原因，機房環境溫度與用電電流沒有太大變化，始終處于較高狀態。表1為安裝控制器前、后機房用電量對比。

表1 安裝控制器前、后的機房用電量對比

由表1可見，空調節能控制器，有效利用了設備本身對機房環境的容忍程度以及機房建筑物本身的保溫性能，精準地對空調運轉狀態進行控制，有效降低了機房空調的運行時間，節約了用電支出。

4 結束語

本文研制了一種具有自學習功能的空調節能控制器，采用實時自動溫度補償技術和溫度區間控制技術，能夠通過鍵盤設定溫度的上限和下限溫度區間開閉空調，體現仿人控制理論，實現了控制過程的優化。實際運行表明，空調節能控制器能夠精準地對空調運轉狀態進行控制，有效降低空調的運行時間，節約用電支出。同時，控制器操作簡單、使用方便、人機交互界面友好，尤其適合大型機房、辦公室等場所使用。

[1] 覃曉凡,李浩.基于PIC單片機的空調節能控制器設計[J].自動化技術與應用,2009,(11):30-33.

[2] 嚴后選,孫健國,張天宏.無線紅外智能遙控器的設計[J].測控技術,2003,(22):54-56.

[3] 李楠,鄭建立.基于單片機的紅外遙控自學習系統的設計[J].自動化與儀器儀表,2008,(6):43-45.

[4] 方宏.自學習紅外遙控器的設計與實現[J].電子工程師,2003,(4):32-33.

[5] 徐志,何明華,林武,等.一類基于軟件載波的學習型遙控器的設計與實現[J].現代電子技術,2009(2):36-38.

[6] 薛廷強,等.用于MRI設備的集成式冷卻系統[J].中國醫療設備,2009,24(8):49-51.

[7] 吳業正.制冷原理及設備[M].西安:西安交通大學出版社,1997.

[8] 海濤,鄒鳴,駱武寧,等.基于ATmega單片機的DS18B20溫度采集系統[J].通信與信息技術,2010,(1):79-80.

The Design for Energy-saving Air Conditioning Controller

YANG Xiao
Equipment Department, The Third People's Hospital of Qingdao, Qingdao Shandong 266041, China

In this paper, we designed a new type enegy saving controller for air condition in a temperature control thought in order to meet the demand of the temperature control in hospital. It is based on the infrared detection, testing and control the temperature of MCU technology, which can study the remote instruction. It can control the interval and temperature of the air condition based on setting temperature and environment temperature in order to save energy. Long-term experiment suggests that energy-saving air conditioning controller prevent air condition from switch on-off too frequently. It can save energy about 20%.

energy-saving air conditioning controller; air condition; temperature compensation technology;humanoid control theory

1674-1633(2011)10-0030-03

2011-05-20

作者郵箱：yangxiao5518@126.com

TB657.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.10.008