節能空調控制器的設計與應用

任素龍，彭 鋼，袁曉磊，楊春來，殷 喆

（國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021）

0 引言

隨著我國經濟和城市建設的高速發展，逐步提高人們對工作環境舒適度和智能化程度的需求［1］。在大型建筑中，中央空調系統的能耗幾乎占到整個建筑能耗的一半左右，其節能降耗問題已引起了社會的廣泛關注。如何在不影響室內舒適度的前提下，最大限度地降低空調系統能耗的課題研究將具有很強的現實意義［2］。目前在采用中央空調的辦公場所均存在較大的能源浪費現象，如：辦公室工作人員長時間離開房間時，不關閉空調，導致空調系統長時間無意義工作，浪費了大量電能；在一些會議樓中，當會議室的人數很少時，空調風量卻運行在較高檔位，也造成了能源浪費；此外，在大的會議廳中許多中央空調都是采用手動控制，工作人員不方便對其進行有效控制和管理［3］。針對上述問題，設計和開發了一種節能空調控制器，該控制器能夠檢測室內溫度以及室內人數情況，根據對中央空調的需求來控制其風量的大小，使空調系統能夠長時間工作在最佳節能狀態，同時達到提供舒適環境的目的。此外，該控制器可以接收無線射頻信號并提供各種對外接口，將其融入到整個建筑的智能控制系統中，以實現對整個中央空調系統的遠程控制和管理［4］。

1 節能空調控制器硬件設計

1.1 空調控制器的功能設計

中央空調控制面板采用大液晶屏顯示各種工作狀態，家電化操作界面，使人機對話更加直接方便；室內溫度與設定溫度同時顯示，溫度設定10～40℃，室溫顯示范圍10～60℃；藍色背液晶背光源，方便夜間使用；選用高檔阻燃材料，精美光潔；風機風速可以自動控制，也可以手動控制，風速分為高、中、低、自動4種工作狀態；繼電器輸出控制，性能穩定，溫度控制精度±1℃，溫度顯示分辨率±1℃，溫度誤差小于±1℃；具有室內溫度校正功能，斷電數據記憶，斷電后來電恢復正常工作?？刂泼姘逵心Ｊ芥I、手動調節風速鍵、手動加減設定溫度鍵和開關鍵。

1.2 空調控制器的硬件電路

節能空調控制器主要由單片機主控制器電路、射頻接收解碼電路、溫度監測電路、人體熱釋電紅外傳感檢測電路組成。其中，單片機采用STC12C5A32S2系列的單片機，是系統的控制核心，其作用是實時監測無線射頻信號、處理控制指令、室內人數統計以及與空調面板進行通信；射頻接收、解碼電路的作用是接收射頻控制信號；溫度傳感器的作用是檢測室內溫度；利用人體熱釋紅外電傳感器檢測室內人員的進出情況，將室內人員信息送入單片機。單片機與空調面板之間通過RS485進行通信，控制模塊可以接收無線射頻遙控器或外部控制系統發出的無線射頻信號指令，并將其轉換為相應的RS485控制指令，以對中央空調進行無線、遠程遙控［5－7］。中央空調控制器框圖如圖1所示。

圖1 節能空調控制器系統示意

整個電路以單片機為核心，完成外部輸入檢測、無線射頻解碼、驅動繼電器輸出以及看門狗等功能。315 MHz射頻接收、解碼電路接收射頻控制信號，將射頻信號轉換為TTL信號。RS485驅動電路作為通信協議的硬件層，實現TTL信號向RS485信號的轉換。電源穩壓電路將輸入的＋12 V電壓轉換為＋5 V電壓，為控制模塊提供工作電源。

1.3 人體熱釋電紅外傳感器的監測

人體熱釋電紅外傳感器是二十世紀80年代末出現的一種新型傳感器件，該傳感器不受白天黑夜的影響，廣泛地用于監測和報警系統中。人體熱釋電紅外傳感器能夠通過接收的紅外線的變化判斷出探測區域內是否有人出現，是一種被動接收的傳感器，以下利用2個熱釋電紅外傳感器來實現室內人數的檢測。

人體熱釋電紅外傳感器的輸出與人體移動的速度、方向和人數的多少有很大的關系，對傳感器的輸出波形進行分析，便可解析出傳感器的輸出與人數、人體移動速度與方向的關系。利用紅外熱釋電傳感器檢測人員信息，傳感器的輸出信號經過前置放大電路的處理后，送到單片機，通過對輸出信號的采樣分析，便可知傳感器的輸出變化情況。本設計采用2個人體熱釋電紅外傳感器來判斷人員是進入還是離開房間，2個傳感器間隔10 cm左右，當有人經過時，會發出信號，根據信號的先后順序便可以判斷人員是進入房間還是離開房間。為了解決因人員頻繁進出而造成節能控制器的頻繁動作，需要確定合理的延時時間，一般將延時動作時間調整在5～15 min，該延時時間也可以根據實際需要進行調整。

人體熱釋電紅外線傳感器硬件設計采用BISS0001芯片。BISS0001是一款高性能的傳感信號處理集成電路，靜態電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構成被動式熱釋電紅外傳感器。BISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成的數?；旌蠈Ｓ眉呻娐?，其電路原理圖如圖2所示。其中，R3為光敏電阻，用來檢測環境照明度。當作為照明控制時，若環境較明亮，R3的電阻值會降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發信號Vs。SW1是工作方式選擇開關，當SW1與1端連通時，芯片處于可重復觸發工作方式；當SW1與2端連通時，芯片則處于不可重復觸發工作方式。輸出延遲時間Tx由外部的R9和C7的大小調整，其值為Tx≈24 576×R9C7；觸發封鎖時間Ti由外部的R10和C6的大小調整，其值為Ti≈24×R10C6。對熱釋電傳感器觸發頻率要求在毫秒級，所以適當選取C6、R10、C7、R9即可。實際應用當中，由于Tx、Ti是毫秒級，已經接近了熱釋電傳感器的分辨極限，測試時輸出信號不是很穩定，并且輸出電壓平均值在2.4 V以下，所以在輸出端加上了一個三極管構成的非門，可增加輸出信號的穩定性。

圖2 BISS0001電路原理

2 節能空調控制器控制策略

2.1 空調工作范圍的設定

通過設定溫度上下限來控制中央空調的開關，按照國家使用中央空調的規定，夏季當室溫達到溫度上限時允許打開空調，當室溫低于溫度下限時自動關閉空調。冬季當室溫達到溫度下限時允許打開空調，當室溫高于溫度上限時自動關閉空調。該方案可避免無節制使用中央空調的現象，實現了根據需求來開關空調。

該方案將允許空調工作的環境溫度區間分為夏季溫控區和冬季溫控區。夏季溫控區是空調制冷時的工作范圍，當環境溫度大于夏季溫控區上限28℃時允許空調開啟，當環境溫度低于夏季溫控區下限24℃時自動關閉空調；冬季溫控區是空調制熱時的允許工作范圍，當環境溫度低于冬季溫控區下限18℃時允許空調開啟，當環境溫度高于冬季溫控區上限22℃時自動關閉空調電源。溫控區的上下限可以根據用戶的實際需求進行修改。

2.2 根據室內人數調控空調風量

采用人體熱釋電紅外傳感器來檢測室內人員情況［8］：當室有人時自動打開空調電源，所有人員都離開時自動斷開空調電源；通過統計室內人數并結合房間大小來控制空調風量的大小。

通過溫度傳感器檢測室內溫差以及人體熱釋電紅外傳感器檢測室內人數，綜合兩方面的“需求”來確定空調的開關和風量，使空調系統運行在最佳狀態，從而達到節能的目的。若檢測到室內沒人時，系統將延時15 min自動關閉空調電源，這樣能夠避免空調頻繁啟動。當室內溫度達到設定溫度時，將自動關閉空調電源，減少待機狀態時的能耗。

2.3 無線遙控

節能空調控制器能夠接收無線遙控器發出的無線射頻控制信號，即315 MHz或433 MHz的無線射頻信號，實現無線就地控制；同時還可接收其它主機發來的控制信號，或通過其對外接口與外部主機建立相關的通訊聯系，以實現對整個建筑中央空調系統的遠程遙控和集中控制的目的。

2.4 根據用戶作息時間調控

對于一些對中央空調系統實施集中控制和管理的場所，在工作日時，一般是上班后開啟，下班后關閉，但實際上用戶希望室內空氣品質能在上班時就達到舒適性的要求。由于空氣溫度的調節具有較大的滯后性，中央空調系統需要經過一段時間的運行后才能使空氣品質達到舒適性的要求，用戶往往需要提前一段時間開啟空調系統才能在預定的時間達到希望的效果，在下班前可以提前關閉空調，而不需要下班后才關閉空調。根據大樓用戶作息時間和室內與室外的溫度差異，本控制器可設定自動開啟和關閉的時間，既可以及時達到舒適性的要求，又能避免開啟過早和關閉過晚造成的能源浪費。

3 節能空調控制器軟件設計

3.1 MODBUS通信協議

節能空調控制器內部采用了RS485通信，通過修改內部寄存器和輸出命令碼來進行控制，通信協議采用標準MODBUS RTU通信協議。串口設定：波特率“9 600”，校驗位“無”，數據位“8”，停止位“1”。

3.2 軟件設計

節能空調控制器控制的主程序見圖3所示，解碼芯片實時檢測射頻信號，當檢測到的射頻信號地址經兩次匹配后，認為該信號為正確射頻信號，該信號經電平轉化后連接至單片機的外部中斷輸入端。單片機不斷檢測中斷信號，發生中斷后，單片機轉入中斷子程序進行射頻信號的解析。

圖3 節能空調控制器主程序流程

在檢測到射頻信號后，首先判斷信號類型。若為控制指令，則對其進行解析：若為開空調指令，則觸發485發送器，并向中央空調面板發送開空調命令；若為關空調指令，則觸發485發送器，并向中央空調面板發送關空調命令；若為升高溫度指令，則觸發485發送器，并向中央空調面板發送升溫命令；若為降溫指令，則觸發485發送器，并向中央空調面板發送降溫命令；若為人體熱釋電紅外檢測信號，通過分析接收到的兩個傳感器信號的時間順序來判斷人員是進入還是離開房間，若先接收到傳感器1的信號則為進入房間，若先接收到傳感器2的信號則為離開房間，以此來統計房間內的人數，根據房間人數來控制空調風量。

在程序中，空調風量的大小選擇通常是根據室內面積和室內人數來決定。空調風量與房間面積和室內人數的匹配表見表1所示，用戶也可根據實際情況進行修改。

表1 調風量與房間面積和室內人數的匹配

4 應用分析

以中國第一座被動式低能耗正能量智能房屋為例，該建筑位于中國國際門窗城內（保定），其中安裝了整套智能家居控制系統。其中的中央空調器采用了該文設計的節能型控制器。該節能型空調控制器既可單獨運行，還可以通過無線射頻、RS485線與智能家居主機進行通信，將中央空調融入到了智能家居控制系統之中。

在該建筑內以2個相同的房屋進行節能效果比較，其中一間安裝節能型空調控制器，另一間安裝普通的中央空調控制器。將中央空調設定為25℃，記錄每天的溫度和中央空調用電量，對比2個房屋溫度變化和用電情況，一個月的運行數據，溫度和用電量對比見圖4和圖5所示，可以看出安裝節能型空調控制器的房屋比使用普通空調控制器的房屋溫度波動小并且用電量少，且每月少用電量約20 k Wh。

圖4 室內溫度變化對比

圖5 用電量對比

5 結束語

以上設計的節能型空調控制器，能夠實現對中央空調的智能化動態控制，無需用戶操作即可進行溫度調整，即根據室內溫度、室內人數進行自動調節，使空調一直工作在最佳的節能狀態。同時該控制器還可做為一個控制節點，很方便地融入整個建筑的智能控制系統之中，用戶可以利用任何具有網絡瀏覽能力的個人計算機、手機，并在授權的情況下，對空調設備進行控制。實際應用表明，該控制器設計合理、性能穩定、安裝方便，達到整個建筑的節能降耗目的。

［1］ 謝陳磊，方潛生，張振亞，等.建筑節能檢測中無線傳感器網絡的設計與研究［J］.電子測量與儀器學報，2012，26（1）：49－50.

［2］ 葉大法，楊國榮.變風量空調系統設計［M］.北京：中國建筑工業出版社，2007.

［3］ 常先問，冀兆良.智能控制技術在中央空調系統節能中的應用［J］.暖通設備，2007，200（10）：4－13.

［4］ 王建新，楊世鳳，史永紅，等.遠程監控技術的發展現狀和趨勢［J］.國外電子測量技術，2005，（4）：9－10.

［5］ 蘭 羽，萬可順.基于AT89C51的無線溫度采集系統的設計［J］.國外電子測量技術，2013，32，（5）：83－85.

［6］ 程繼興，劉 霞.一種基于AT89C51的光纖溫度傳感器的軟硬件實現［J］.電子測量技術，2012，35，（12）：102－107.

［7］ 章亦葵，喬嘯乾.基于微控制器的汽車空調控制系統［J］.電子測量技術，2012，35，（4）：46－48.

［8］ 張春華，謝永軍，周政毅，等.公共場所人數檢測統計系統的設計［J］.廣東工業大學學報.2012，29（3）：63－67.