基于單片機(jī)的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的研制

程明陽(yáng) 劉伯強(qiáng) 馬愛君 王 雷
山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061

當(dāng)社會(huì)各方面的發(fā)展，能源的消耗量日益增大，而制冷空調(diào)作為一個(gè)與人們生活和生產(chǎn)過程息息相關(guān)，而又高能耗的產(chǎn)業(yè)，其節(jié)能和環(huán)保一直是人們所關(guān)心的重點(diǎn)。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)作為一種節(jié)能系統(tǒng)，采用了新的風(fēng)量調(diào)節(jié)技術(shù)，其節(jié)能效果已經(jīng)引起了人們的關(guān)注。今年的SARS問題暴露了傳統(tǒng)封閉式空調(diào)系統(tǒng)的問題，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)循環(huán)方式也使得它的應(yīng)用得到了廣泛認(rèn)同。

1變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)

日常生活中，空調(diào)系統(tǒng)并不總是處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，其大部分時(shí)間的運(yùn)行效率只有10％左右，因此，從節(jié)約能源的觀點(diǎn)，我們可以根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷隨時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的送風(fēng)量，只在高峰時(shí)，增大送風(fēng)量，以達(dá)到節(jié)約能源的目的。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)也正是基于這個(gè)原理而產(chǎn)生的。其主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面： (1)通過調(diào)節(jié)送入室內(nèi)的風(fēng)量來控制環(huán)境溫度，因此在裝機(jī)是可以選擇一定的峰值使用量，從而達(dá)到節(jié)約風(fēng)機(jī)能耗和裝機(jī)容量的目的。

(2)系統(tǒng)具有很大的靈活性，易于改建，擴(kuò)建，增刪調(diào)節(jié)單元，個(gè)人可根據(jù)負(fù)荷的變化或舒適要求自動(dòng)調(diào)節(jié)工作環(huán)境。這一點(diǎn)尤其適用于那些格局多變的建筑。

(3)變風(fēng)量系統(tǒng)屬于全空氣系統(tǒng)，空氣品質(zhì)好，可以利用新風(fēng)消除室內(nèi)負(fù)荷，沒有風(fēng)機(jī)盤管凝水問題和霉變問題：在過渡季節(jié)，可以充分利用天然冷源甚至全新風(fēng)，節(jié)能效益好。

2變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的工程應(yīng)用

目前在工程中應(yīng)用的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)主要有兩種類型，一種是普通變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，一種是變頻變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。我們所采用的方案是后者。采用變頻變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)變頻變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)和普通變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)一樣，具有變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的共同特點(diǎn)。不同的是，變頻變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)采用了末端風(fēng)機(jī)和空調(diào)機(jī)組風(fēng)機(jī)皆連續(xù)調(diào)速的技術(shù)，形成了變頻控制變風(fēng)量系統(tǒng)。

2．1工作原理

為獲得空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)負(fù)荷情況，我們?cè)诿總€(gè)建筑單元內(nèi)裝設(shè)一個(gè)室內(nèi)溫控器，用來檢測(cè)室內(nèi)溫度，并與用戶設(shè)定的期望溫度值進(jìn)行比較，當(dāng)二者出現(xiàn)差值時(shí)，溫控器改變變風(fēng)量風(fēng)機(jī)盒風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，減少或增加送入室內(nèi)的風(fēng)量從而調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度，直到室內(nèi)溫度恢復(fù)為設(shè)定值為止。室內(nèi)溫控器在調(diào)節(jié)變風(fēng)量風(fēng)機(jī)盒風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)，通過串行通訊方式，將本身的負(fù)荷信號(hào)傳入空調(diào)機(jī)房的變頻控制器；變頻控制器接收各溫控器送來的負(fù)荷信號(hào)，計(jì)算所有風(fēng)機(jī)需要的風(fēng)量之和，并通過一定的運(yùn)算規(guī)律得出變頻器需要的控制信號(hào)，通過變頻器控制空調(diào)機(jī)組送出的總風(fēng)量，使總送風(fēng)量滿足各單元的實(shí)際風(fēng)量需求。

2．2系統(tǒng)組成

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：新風(fēng)處理設(shè)備，室內(nèi)溫控器，變風(fēng)量風(fēng)機(jī)盒和智能變頻控制器 新風(fēng)處理設(shè)備即空調(diào)機(jī)組是由新風(fēng)閥、回風(fēng)閥、送風(fēng)閥、預(yù)熱器、表冷器和送風(fēng)機(jī)組成。

室內(nèi)溫控器主要用來完成用戶溫度設(shè)定，控制本單元變風(fēng)量風(fēng)機(jī)送風(fēng)量，與智能變頻控制器交換數(shù)據(jù)等功能。其具有溫度傳感器，能夠?qū)崟r(shí)采集室內(nèi)溫度，根據(jù)室溫和設(shè)定值的偏差及溫差的變化率，算出所需風(fēng)量和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速值。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速值的輸出用來控制風(fēng)機(jī)送入房間的風(fēng)量，風(fēng)量值的輸出通過串行通訊反饋給變頻控制器，變頻控制器計(jì)算各個(gè)溫控器的總風(fēng)量，確定空調(diào)機(jī)組風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以滿足各末端風(fēng)機(jī)的風(fēng)量需求。 相對(duì)來說，室內(nèi)溫控器的功能比較簡(jiǎn)單，主要用來提供用戶設(shè)定溫度和運(yùn)行方式的鍵盤、顯示以及與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)的通訊接口即可，其余控制，通訊協(xié)議等功能都可以由軟件來實(shí)現(xiàn)。由于溫控面板的安裝空間有限，因此我們將電源部分設(shè)置在變風(fēng)量風(fēng)機(jī)盒中，通過電纜線向溫控面板供電。在以上分析的基礎(chǔ)上，我們決定采用Philips公司生產(chǎn)的P87LPC767單片機(jī)。它是一種基于C51內(nèi)核的高集成度，低功耗，寬電壓范圍的20引腳芯片。其具有內(nèi)部可編程的時(shí)鐘，內(nèi)置LED驅(qū)動(dòng)電路和看門狗電路，復(fù)用4通道8位A／D轉(zhuǎn)換器，8個(gè)鍵盤中斷輸入。具有4KEPROM代碼空間，128字節(jié)RAM，2個(gè)16位計(jì)數(shù)器，兩個(gè)模擬比較器，并可編程端口。在實(shí)際應(yīng)用中，由于按鍵數(shù)量很少，采用端口口線直接擴(kuò)展鍵盤，并采用內(nèi)部集成AD對(duì)放大后的溫度信號(hào)進(jìn)行采樣，并用單片機(jī)的串行口擴(kuò)展外部通訊端口。我們采用的通訊物理鏈路是RS485方式，采用了MAXIM公司的MAX487E通訊芯片來驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

由于某些樓層有走廊大廳等大空間場(chǎng)所，在這些地方，氣流流動(dòng)性較強(qiáng)，因此溫控器采用一控多的方式，可根據(jù)具體情況為多個(gè)個(gè)變風(fēng)量風(fēng)機(jī)盒設(shè)一個(gè)溫控器。這樣為平時(shí)調(diào)節(jié)室溫提供了方便，而且以后空間分隔時(shí)，也可以靈活進(jìn)行。

變風(fēng)量風(fēng)機(jī)盒是變頻變風(fēng)量空調(diào)可以根據(jù)溫控系統(tǒng)的末端裝置，主要由風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)電機(jī)和機(jī)箱組成。 變風(fēng)量風(fēng)機(jī)盒負(fù)責(zé)對(duì)變頻后的電源信號(hào)進(jìn)行過零檢測(cè)，并將信號(hào)提供給溫控器，溫控器根據(jù)過零信號(hào)向風(fēng)機(jī)盒上的可控硅發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，對(duì)室內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以調(diào)節(jié)室內(nèi)送風(fēng)量達(dá)到調(diào)節(jié)室溫的目的。為防止強(qiáng)電信號(hào)通過信號(hào)線傳至溫控面板，采用光耦對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離。為防止在小風(fēng)量時(shí)，風(fēng)機(jī)發(fā)生蠕動(dòng)，我們?cè)谲浖O(shè)計(jì)中用定時(shí)器對(duì)可控硅的導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行了控制，限制導(dǎo)通時(shí)間在一定范圍內(nèi)，避免發(fā)生風(fēng)機(jī)蠕動(dòng)時(shí)損壞風(fēng)機(jī)。

智能變頻控制器由交流電機(jī)變頻調(diào)速器和變頻控制器組成。由于功能相對(duì)簡(jiǎn)單，選用Winbond公司推出的W77E58單片機(jī)實(shí)現(xiàn)與下位溫控器的通訊和對(duì)變頻調(diào)速器的控制。W77E58是一種高速51兼容單片機(jī)，它具有4個(gè)8位端口， 12個(gè)中斷源，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器，2個(gè)優(yōu)化全雙工串口且內(nèi)部有32KFLASH EPROM和可編程看門狗電路。由于智能控制器沒有鍵盤顯示等模塊，因而其外圍電路比較簡(jiǎn)單，只需要擴(kuò)展通訊模塊和控制量輸出模塊即可。

單片機(jī)在工作過程中巡回檢測(cè)各個(gè)溫控器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)累加后按一定規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，通過DA轉(zhuǎn)換器輸出模擬量實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的運(yùn)行控制，直接輸出數(shù)字量對(duì)變頻器進(jìn)行啟停控制。為在某些建筑中實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的集中控制，我們還擴(kuò)展了一個(gè)串行通訊接口，需要時(shí)可以將多個(gè)智能控制器連接至PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控器的集中控制。PC機(jī)能夠能實(shí)時(shí)查看和控制各溫控器的各種運(yùn)行狀況?？紤]到風(fēng)道的壓力損失等因素，我們?cè)诳刂埔?guī)律中對(duì)此進(jìn)行了補(bǔ)償。

2．3系統(tǒng)軟件工作框圖

3結(jié)束語(yǔ)

變頻變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是一種比較先進(jìn)的空調(diào)系統(tǒng)，其在節(jié)約空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗、減少裝機(jī)容量和提高舒適性方面都有顯著的效果，而且與普通變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)相比還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)由于末端風(fēng)機(jī)帶有一定余壓，可減小空調(diào)機(jī)組所需余壓和送風(fēng)管道尺寸。 (2)由于采用了數(shù)字控制系統(tǒng)，風(fēng)量平衡方便，系統(tǒng)易于調(diào)節(jié)，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

此系統(tǒng)已經(jīng)在某集團(tuán)公司辦公樓空調(diào)系統(tǒng)中得到成功運(yùn)用，由于不具備條件，其16個(gè)樓層的智能控制器獨(dú)立工作，暫時(shí)沒有集控功能，實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。但在實(shí)際安裝調(diào)試過程中，我們也發(fā)現(xiàn)了許多不足之處，如：溫控器的識(shí)別碼是燒寫在溫控器中的，不利于現(xiàn)場(chǎng)安裝；風(fēng)機(jī)葉窗等易損部件容易損壞等。相信隨著加工工藝的提高和產(chǎn)品開發(fā)的不斷進(jìn)行，其不足之處將會(huì)逐步改進(jìn)，提高其可靠性，它必將得到更加廣泛的應(yīng)用。

  

參考文獻(xiàn):

[1]. P87LPC767 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/P87LPC767_875959.html.
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[3]. MAXIM datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MAXIM_1062568.html.
[4]. MAX487E datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MAX487E_859410.html.
[5]. W77E58 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/W77E58_705272.html.