基于P87LPC764單片機(jī)中央空調(diào)能效管理系統(tǒng)

中央空調(diào)系統(tǒng)主要由制冷機(jī)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)和散熱水塔組成。制冷機(jī)通過(guò)壓縮機(jī)將制冷劑壓縮成液態(tài)后送蒸發(fā)器中與冷凍水進(jìn)行熱交換，將冷凍水制冷，冷凍水泵將冷凍水送到各風(fēng)機(jī)風(fēng)口的冷卻盤(pán)管中，由風(fēng)機(jī)吹送冷風(fēng)達(dá)到降溫的目的。在系統(tǒng)中，冷動(dòng)泵、冷卻泵、水塔風(fēng)扇變頻器采用開(kāi)環(huán)控制，由維護(hù)人員根據(jù)季節(jié)不同和負(fù)荷的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，在每一個(gè)房間內(nèi)都安裝熱交換器和循環(huán)風(fēng)機(jī)，通過(guò)控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變熱交換量的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)房間溫度的目地。

　　常見(jiàn)的控制方法是按“高、中、低、關(guān)”分檔模式控制，其缺點(diǎn)是房間的溫度需要手動(dòng)調(diào)節(jié)，各種環(huán)境因素的變化常常會(huì)使人感到不適。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制方案，采用變頻器調(diào)速控制，有效地解決了上述問(wèn)題，達(dá)到了室內(nèi)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的，大大的節(jié)省了能源。

　　2 中央空調(diào)能效管理系統(tǒng)總體控制參數(shù)原理

　　室內(nèi)要求控制的到的溫度設(shè)定為Tsv，風(fēng)箱出口溫度為Tw，當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境溫度的測(cè)量值為Tpv，室外的溫度為T0，室內(nèi)的散(吸)熱系數(shù)為Kv，比熱容為C，由風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的空氣流量為q，其比熱容為Cp，流量q正比于風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，其比例系數(shù)為Kc，根據(jù)動(dòng)態(tài)能量平衡原理，可得：

　　由式(1)可知，影響室內(nèi)溫度的主要因素是風(fēng)箱出口溫度Tw，室內(nèi)環(huán)境溫度Tpv，室內(nèi)的散(吸)熱系數(shù)Kv，循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。其中Kv由室內(nèi)環(huán)境溫度、室外溫度及房間密封隔熱狀況決定。因此選擇循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為控制參數(shù)是調(diào)節(jié)房間溫度從而達(dá)到節(jié)能的最佳參數(shù)。

　　3 中央空調(diào)能效管理系統(tǒng)性能特點(diǎn)

　　中央空調(diào)能效管理系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)：

　　(1)使用電源為220 VAC，功耗小于5 W；

　　(2)室內(nèi)溫度LCD液晶顯示，測(cè)溫范圍一5～30℃；精度士1℃，LCD8—10位顯示實(shí)時(shí)溫度值；

　　(3)控制電壓輸出功能，電壓輸出分辨率為10位，輸出電壓范圍O～5 V，PID控制周期為5 min；

　　(4)運(yùn)行時(shí)間累計(jì)功能，LCD1一4位顯示小時(shí)，5，6位顯示分鐘，每小時(shí)自動(dòng)存儲(chǔ)1次，每次停止運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)存儲(chǔ)到E2PROM內(nèi)，每次啟動(dòng)自動(dòng)從E2PROM中讀出上一次存儲(chǔ)的時(shí)間值，并送LCD顯示；

　　(5)現(xiàn)場(chǎng)編程功能，現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)設(shè)定室內(nèi)目標(biāo)溫度，控制周期和調(diào)整幅度；

　　(6)人機(jī)界面功能，10位LCD數(shù)碼顯示，5個(gè)操作鍵分別為MOD，UP，DOWN，ENTER，SlTART／END。聲響提示功能，按鍵有效蜂鳴器響1聲，輸入設(shè)定數(shù)據(jù)有效蜂鳴器響2聲，輸入設(shè)定數(shù)據(jù)錯(cuò)誤蜂鳴器響3聲，設(shè)備故障報(bào)警蜂鳴器響5聲。

　　4 系統(tǒng)硬件原理及設(shè)計(jì)

　　中央空調(diào)能效管理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。選擇TCl047A線性電壓輸出的溫度傳感器，其輸出信號(hào)(溫度測(cè)量信號(hào))通過(guò)集成運(yùn)放LM358送至模／數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC0834進(jìn)行A／D采樣，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A／D變化后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)總線送至單片機(jī)進(jìn)行處理。經(jīng)過(guò)處理后，輸出控制信號(hào)至數(shù)／模轉(zhuǎn)換器TLC5615從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器功率的控制，大大節(jié)省了能源。顯示數(shù)據(jù)通過(guò)總線送至LCD621，鍵盤(pán)采用鍵盤(pán)中斷方式進(jìn)行中斷處理，繼電器通過(guò)吸合與斷開(kāi)控制風(fēng)機(jī)的啟停，E2PROM 24C02用來(lái)存放溫度的設(shè)定值以及PID參數(shù)。由此可見(jiàn)，與同類產(chǎn)品比較，該產(chǎn)品的硬件簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交換，所需器件少，用非常低的成本即可實(shí)現(xiàn)。

　　4．1 溫度檢測(cè)環(huán)節(jié)

　　4．1．1 TCl047A概述

　　TCl047A為線性電壓輸出的溫度傳感器，其輸出電壓與測(cè)量的溫度成正比。它可精確測(cè)測(cè)量一40～+125℃范圍內(nèi)的溫度。同時(shí)，TCl047A的工作電壓范圍為2．5～5．5 V。這類溫度傳感器的輸出電壓典型值為：一40℃時(shí)為100 mV，0℃時(shí)為500 mV，+25℃時(shí)為750 mV和+125℃時(shí)為1．75 V。10 mV／℃的輸出電壓斜率可以對(duì)寬溫度范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。TCl047A提供3引腳SOT一23B封裝，適合空間要求嚴(yán)格的溫度測(cè)量應(yīng)用。

　　4．1．2 TLC0834概述

　　TLC0834是TI公司生產(chǎn)的8位逐次逼近模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有輸入可配置的多通道多路器和串形輸入／輸出方式。其多路器可由軟件配置為單端或差分輸入，也可以配置為偽差分輸入。另外，其輸入基準(zhǔn)電壓大小可以調(diào)整。在全8位分辨率下，它允許任意小的模擬電壓編碼間隔。由于TLC0834采用的是串行輸入結(jié)構(gòu)，因此封裝體積小，可節(jié)省51系列單片機(jī)I／0資源，價(jià)格也較適中。其主要特點(diǎn)如下：8位分辨率；易于和微處理器接口或獨(dú)立使用；可滿量程工作；可用地址邏輯多路器選通4輸入通道；單5 V供電，輸入范圍為O～5 V；當(dāng)輸入和輸出與TTL，CMOS電平兼容時(shí)鐘頻率為250 kHz時(shí)，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為32μs；可以和美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的ADC0834和ADC0838進(jìn)行替換，但它內(nèi)部不帶齊納穩(wěn)壓器網(wǎng)絡(luò)；總調(diào)整誤差為±1 LSB。

4．2 信號(hào)處理單元P87LPC764 8位0TP單片機(jī)

　　P87LPC764系列單片機(jī)是Philips公司為滿足低成本，高集成場(chǎng)合而開(kāi)發(fā)的芯片，該芯片采用加速51內(nèi)核，在相同的時(shí)鐘頻率下，其速度是標(biāo)準(zhǔn)51的2倍，內(nèi)含A／D，UART串口、自帶振蕩器、I2C總線接口等，可以滿足許多方面的性能要求。

　　P87LPC764包含中央處理單元、128 B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，4 kB的OTP程序存儲(chǔ)器、15個(gè)I／O口和1個(gè)輸入口、2個(gè)16位獨(dú)立的代溢出觸發(fā)功能的定時(shí)／計(jì)數(shù)器、8個(gè)鍵盤(pán)中斷輸入和兩個(gè)外部中斷輸入。此外，P87LPC764還有上電復(fù)位、空閑掉電模式、低電平中斷喚醒功能。掉電模式下，電流僅位1μA。若選擇片內(nèi)振蕩器，則無(wú)需外接元件，僅接上正電源及地線即可。獨(dú)立的看門狗振蕩電路，因而它可偵測(cè)時(shí)鐘源的工作狀態(tài)。32 B用戶代碼區(qū)可用來(lái)存放序列碼及設(shè)置參數(shù)，4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。

　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　主程序流程圖如圖2所示，采用人性化設(shè)計(jì)，用戶不必做任何操作，智能運(yùn)行。開(kāi)機(jī)上電，系統(tǒng)進(jìn)入初始化程序，對(duì)單片機(jī)P87LPC764，LCD，E2PROM分別進(jìn)行初始化。實(shí)時(shí)采集室內(nèi)溫度并顯示，然后單片機(jī)進(jìn)行睡眠狀態(tài)，等待方波發(fā)生器產(chǎn)生的外部中斷或鍵盤(pán)中斷的發(fā)生。

　　當(dāng)方波發(fā)生器每O．5 s產(chǎn)生1個(gè)中斷喚醒單片機(jī)時(shí)，主程序調(diào)用累計(jì)時(shí)間處理子程序，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行累加，每小時(shí)自動(dòng)存儲(chǔ)一次時(shí)間數(shù)據(jù)到E2PROM內(nèi)。

　　鍵盤(pán)中斷后，程序進(jìn)入按鍵中斷服務(wù)程序，執(zhí)行按鍵操作功能，完成對(duì)工作模式，控制周期和調(diào)整幅度的設(shè)定。中斷程序執(zhí)行結(jié)束后，系統(tǒng)測(cè)量實(shí)時(shí)溫度并顯示溫度。系統(tǒng)共有5個(gè)溫度控制狀態(tài)，方波發(fā)生器每O．5 s產(chǎn)生一個(gè)外部中斷后，系統(tǒng)就查詢一次系統(tǒng)溫度控制狀態(tài)，并根據(jù)相應(yīng)的狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

　　狀態(tài)0是未啟動(dòng)狀態(tài)，表示主機(jī)剛剛啟動(dòng)運(yùn)行，室內(nèi)溫度和目標(biāo)溫度相差可能較大，這時(shí)系統(tǒng)全功率運(yùn)行5 min，使室內(nèi)溫度在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)目標(biāo)溫度。

　　狀態(tài)l是啟動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)要判斷采樣到的室內(nèi)溫度與用戶設(shè)定溫度值的大小關(guān)系，室內(nèi)采樣溫度大于用戶設(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)2提速狀態(tài)，提高數(shù)／模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)提高電機(jī)功率，加速制冷。當(dāng)室內(nèi)采樣溫度小于用戶設(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)3減速狀態(tài)，降低數(shù)／模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，從而達(dá)到降低電機(jī)功率目地。當(dāng)室內(nèi)采樣溫度等于用戶設(shè)定時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入平衡狀態(tài)，保持電機(jī)功率不變。從而使室溫維持在用戶所期望的恒定溫度，讓人感到舒適滿意，更重要的是其節(jié)能效果高達(dá)30％以上。

　　6 結(jié) 語(yǔ)

　　程序在經(jīng)過(guò)調(diào)試后，在實(shí)際的應(yīng)用中有良好的效果。在實(shí)際的測(cè)試中，有2點(diǎn)值得注意：

　　(1)工業(yè)采集要求的是準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上靈敏，但這2點(diǎn)有時(shí)是相互沖突的。在實(shí)際的應(yīng)用中，一般采集64次完全可以保證精度與靈敏性。

　　(2)由于比較的參數(shù)可以通過(guò)E2PROM存貯，只要對(duì)電路稍加改動(dòng)，即可適用于其他場(chǎng)合和工礦的要求。因此，這款成本低，精度高的溫控節(jié)能裝置具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)于購(gòu)銷雙方都是有利的。

　　本系統(tǒng)采用P87LPC764單片機(jī)控制，外圍電路少、系統(tǒng)穩(wěn)定、功能強(qiáng)、操作方便、低成本、值得推廣。

P87LPC764/P87LPC762中文資料pdf