基于單片機的空調節能插座的設計與實現

浙江工業大學之江學院校園建設處 周文華

基于單片機的空調節能插座的設計與實現

浙江工業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據，根據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），從而實現利用空調插座實現節能環保的理念。系統以單片機為控制核心，結合外圍硬件電路來實現空調在空調品牌不一、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節器(俗稱空調),但其能耗不容小覷。為了可以落實國務院有關加大節能工作的決定,即國發2006第28號文件精神,為了最大限度節約能源、資源,減少二氧化碳的溫室氣體的排放,要對空調進行科學、合理的使用,以此來達到保護環境的目的。有關規定稱(國務院所頒布的辦公廳有關嚴格執行公共建筑空調溫度控制標準相關通知)：所有僅供建筑內的單位,無論是單位、國企、個體等,除了醫院特殊單位和一些生產對工藝對溫度有嚴格要求的批準之外,在夏季,室內溫度設置不可低過26度,冬季,室內溫度設置則不可高于20度［2］。

在各單位己經大規模使用品牌不一的空調的前提下,研制一種控制空調按節能模式運行的設備有比較現實的意義。

圖2.2 系統硬件電路

2 硬件電路設計

空調節能插座的系統框圖如圖2.1所示,主要以89C51單片機為控制核心,外圍電路包括：直流穩壓電源以及電路、空調電流檢測電路、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 七段數碼管顯示電路

圖2.1 硬件系統結構圖

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;

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

硬件電路如圖2.2所示。

2.1 溫度數據采集電路

電路中主要用到數字式溫度傳感器DS18B20,由單片機的P1.5口來進行數據的通信,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據線供電。

(2)與單片機之間的通訊只需一條數據線即可實現。

(3)可支持多點測試功能,即多個DS18B20可以并聯在同一根數據線上。

(4)外圍電路簡單,其內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,可實現高準確、精密的測溫工作。

(7)測量結果直接輸出數字溫度信號,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,芯片不會因發熱而燒毀,但不能正常工作。

DS18B20單總線傳輸的方式決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七段數碼管顯示,經單片機P0口驅動,P2.4-P2.7口控制其公共端來實現溫度數字的顯示。

共陽極數碼管中即其中每一個發光的二級管的“+”極都是連接在一起的,此法稱為數碼管共陽極接法,也稱為共陽極數碼管。一般來說共陽數碼管應用時,要把公共極COM接到高電平,即+5V,當某字段發光二級管“-”極為低電平,相應的字段就會點亮,并根據相應發光字段的不同組合可顯示出各種數字或字符。當某一字段的陰極為高電平時,相應字段就不亮［4］。此時,如需讓數碼管亮度顯示正常,則需根據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。

七段數碼管(如圖2.4所示)內四個數碼管一個用了a～dp8根數據線,人們使用起來非常方便。四個數碼管有四個公共端,與a～dp一起組成了12個引腳,下圖為共陰四位數碼管的內部結構圖,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,連接在強電網絡當中,同時還要注意其觸發電路的抗干擾的問題,一般情況是通過光電耦合器,把單片機控制系統中的觸發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時所產生一定的干擾,在交流電路中雙向可控硅所觸發時,一般是運用過零觸發的電路。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一個RC阻容吸收電路,實現雙向可控硅過電壓保護［5］。圖2.5為本系統控制開關電路的電路圖。

圖2.5 可控硅過零觸發電路

2.4 密碼鎖

單片機系統既需要專業人員的操作,又要避免非專業人員的誤操作［6］。在很多公共場合,我們會發現許多設備非專業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,利用按鍵之間的規律來完成,通過單片機的中斷計數來實現相應的功能。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,連續循環操作5次;

(2)強制關斷：按鍵1按一下,接著按鍵2連續按兩下,連續循環操作5次;

(3)恢復正常：按鍵1按一下,接著按鍵2連續按三下,連續循環操作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;如果沒有規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軟件開發系統下,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點,學與用也極為方便［7］。

在程序執行階主要有5個溫度結點,主要是通過溫度的不同執行相應的操作。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,然后寫數據、讀數據,最后將讀取到的數據進行轉換,變成大家都熟悉的十進制數。

圖3.2為整個數據顯示的程序流程圖：

圖3.2 顯示程序流程圖

3.2 密碼鎖

然后根據相應按鍵操作選擇不用的操作。在上節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,但是在軟件實現部分可能不是很穩定,因此在實物設計過程中選擇了一個按鍵計數來實現相應功能。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

一個電子系統的設計需要考慮在現實狀態下的應用可能。筆者也認為最理想的狀態是各大空調生產廠商能能夠根據實際情況給用戶提供特定環境下的控制程序,也就是說,我們用戶買到的空調就可以選擇本次設計所具備的功能。但基于現狀,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的日常管理,單片機空調節能插座的溫度控制要求如表4.1所示,主要是根據讀取的溫度及空調運行狀態來進行相應操作。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及日常維護。

表4.1 系統功能闡述

[1]艾默生．制冷技術[J]．信息與動態,2007(02):33．

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

[3]樊強,張敏,李霞．基于DS18B20的溫度采集系統設計與實現[J]．農機化研究,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電路的設計[J]．包頭職業技術學院學報,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．