空调节能控制器的设计

杨晓

青岛市第三人民医院 器械科，山东青岛 266041

空调节能控制器的设计

杨晓

青岛市第三人民医院 器械科，山东青岛 266041

本文针对医院机房及病房等装备空调场所对温度控制的要求，设计了一种采用区间温度调控思路的新型空调节能控制器。该控制器基于红外检测、数字温度检测及单片机控制技术，具有指令自学习功能；能够根据设定温度及环境温度，合理控制空调运行时间及温度区间，从而达到节能目的。长期试验表明，使用该空调节能控制器后，避免了空调根据遥控器设定温度值频繁开启、关闭的弊端，节电率约达20%左右。

空调节能控制器；空调；温度补偿技术；仿人控制理论

随着我国社会经济的不断增长和人民生活水平的不断提高，空调已经十分普及，产量与日俱增。空调在给人们带来舒适的室内环境的同时，也带来了严峻的电力紧张和环境污染问题[1]。尤其对于像我国这种主要依靠火力发电的国家，经济的高速增长背后是能源的高消耗，而能源的消耗使得环境污染日益严重，因此，节能是我国社会发展中需要重点考虑的问题。节能不仅要从转变生产方式、淘汰高耗能技术等大层次上入手，也应该在日常生活中的点点滴滴中体现节能意识，舒适、节能也就成了空调的流行主题。

医院机房及病房是空调耗电较大的部门，往往温度被人为设定得很低，致使空调长期处于高负荷运行状态。普通空调在到达设定制冷温度后，停止工作，但当环境温度升高1℃左右时，空调室外机就重新启动。普通空调室外机的通常状态下的开启与停止，虽然有一定的节能效果，但是由于开启与停止间隔时间不长，节能效果不明显，且室外机的频繁启动，也减少了空调的使用寿命。

本文设计的空调节能控制器，采用实时自动温度补偿技术和温度区间控制技术，可通过键盘设定温度的上限和下限温度区间开闭空调，体现仿人控制理论，实现控制过程的优化，将节能体现在每一个细节，力求实现最大限度的节能。

1 硬件设计

空调节能控制器选用ATmega16作为控制芯片，系统由液晶显示、红外发射接收、外部存储、温度检测、实时时钟、按键等组成（图1）。其中，选用1602字符型液晶进行信息显示、24C256作为外部E2PROM进行遥控器指令存储，并配有DS1302实时时钟提供精确时间及DS18B20对环境温度进行检测。

图1 硬件架构图

1.1 红外指令学习与发射

医院装备的空调厂家、型号各异，要对各种空调都能实现精确的控制，空调节能控制器必须要获得并“学习”到其红外遥控指令代码，并在需要的时候将指令“播放”出去，从而实现对空调的控制[2-4]。

红外指令接收与发射电路（图2）的红外接收头型号是HS0038B，其环氧包装可以作为红外过滤片，即使在强干扰环境中，也能够很稳定地输出。发射电路采用2个850nm红外二极管，由9013三极管进行驱动。

图2 红外接收与发射电路

当接收到红外脉冲调制信号时，HS0038B内的红外敏感元件将红外脉冲调制光信号转换成电信号，然后通过内部的前置放大器和自动增益控制电路进行放大处理，再通过带通滤波器进行滤波，对滤波后的信号进行解调，最后由输出电路进行反向放大并输出低电平。没有接收到载波信号时，电路HS3008B输出高电平，这样就将脉冲调制信号解调成一列连续的方波信号，单片机再通过内部计时器计算这列方波各高、低电平的宽度并将方波时序和方波个数保存在E2PROM中，红外遥控指令也就被“学习”到控制器中。控制器预留了足够大的存储空间，适用于遥控指令长度不同的各种空调[5-7]。

发射遥控指令时，单片机通过内部定时器模拟生成一列38kHz的载波信号，先读取遥控指令方波个数n，再将记录在E2PROM中的时序保存在数组InfraCode[n]中，然后进行还原原始脉冲信号：若n%2为0，表示原始信号中为高电平，红外二极管持续发送38kHz方波直到计时器从0变化到InfraCode[n]；若n%2为1，表示原始信号中为低电平，红外二极管保持关闭直到计时器从0变化到InfraCode[n]。

1.2 液晶显示电路

液晶用于显示设定的上下限温度、当前温度、时间等信息。由于信息量较少，因此采用了1602字符型液晶，能够同时显示2行共计32个字符。其内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，包括阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等。每一个字符都有1个固定的代码，1602识别的是ASCII码，可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中也可以用字符型常量或变量赋值。

为了达到最大限度的节能，在在液晶显示电路中添加了一个NE555定时电路（图3）。通过调节图中电阻R2和电容E3的值可以改变液晶的背光时间，本文设置的液晶背光时间为20s，超过20s没有任何操作控制器将自动关闭液晶背光灯，如遇按键操作，控制器将再次点亮液晶背光，这样就可以保证在液晶背光仅在需要的时候才点亮，从而达到节能的目的。

图3 LCD液晶显示电路

1.3 实时时钟电路

除了根据设定的上下限温度进行开关机控制外，还可以针对某些夜间不需要制冷的场合进行时间层面上的开关机控制，如公共场所、大厅等。因此，需要由实时时钟保证控制器运行。

实时时钟芯片选用美国DALLAS公司推出的高性能、低功耗、带RAM的DS1302，可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5～5.5V，采用3线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式1次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有1个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器，具有涓流充电能力，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能。实时时钟电路图，见图4。其中，32.768K晶振配有2个高精度6.8pF电容进行补偿，以确保时钟精确计时。在断电或者电压过低时还可以使用备用电池为其供电，保证时钟正常运行。

图4 实时时钟电路图

1.4 温度传感器

温度传感器的种类繁多，DALLAS公司生产的DS18B20具备小体积和低硬件开消，抗干扰能力强、精度高，适用于高精度、高可靠性的场合。主要特征为：全数字温度转换及输出、精度可达±0.5℃、最高12位分辨率、检测温度范围为-55～+125℃[8]等，完全满足本文设计要求。关于DS18B20的原理及应用，已有诸多文献进行了说明，这里不再赘述。

2 软件设计

控制器通电后首先进行初始化，读取E2PROM存储的系统设定信息，确定控制器的工作时间段、温度上下限等。初始化结束后，控制器读取实时时钟芯片中的时间信息，同时检测环境温度，通过LCD进行显示。然后判断是否处于用户设定的控制器工作时间段：若处于非工作时间，控制器将持续测量显示实时温度和时间；若处于工作时间，控制器先判断有没有按键操作，如果有按键操作，控制器将执行用户按键设置，此时用户可以设定控制器工作时间段、温度上下限、矫正温度及学习遥控指令。如果处于工作时间并且没有按键操作，控制器将自动检测温度来确定是否需要开启空调，当温度超过用户设定的限制时，控制器将自动开启空调，待环境温度恢复到正常的温度时再关闭空调，以此来减少空调运行时间，从而达到节能的目的。软件工作流程，见图5。

图5 软件工作流程图

3 测试结果

通过比对院内两个机房环境温度变化情况及机房用电电流变化情况，可以发现：安装空调控制器后，机房的环境温度有明显的规律性波动（在符合设备本身对机房环境容忍度的前提下），机房电流也随着空调的运转情况有明显的上下波动。当空调停止运转，机房温度处于上升状态时，用电电流明显降低，当机房空调启动，机房温度处于下降状态，用电电流升高。而没有安装控制器的机房，由于空调自身的温度调控系统原因，机房环境温度与用电电流没有太大变化，始终处于较高状态。表1为安装控制器前、后机房用电量对比。

表1 安装控制器前、后的机房用电量对比

由表1可见，空调节能控制器，有效利用了设备本身对机房环境的容忍程度以及机房建筑物本身的保温性能，精准地对空调运转状态进行控制，有效降低了机房空调的运行时间，节约了用电支出。

4 结束语

本文研制了一种具有自学习功能的空调节能控制器，采用实时自动温度补偿技术和温度区间控制技术，能够通过键盘设定温度的上限和下限温度区间开闭空调，体现仿人控制理论，实现了控制过程的优化。实际运行表明，空调节能控制器能够精准地对空调运转状态进行控制，有效降低空调的运行时间，节约用电支出。同时，控制器操作简单、使用方便、人机交互界面友好，尤其适合大型机房、办公室等场所使用。

[1] 覃晓凡,李浩.基于PIC单片机的空调节能控制器设计[J].自动化技术与应用,2009,(11):30-33.

[2] 严后选,孙健国,张天宏.无线红外智能遥控器的设计[J].测控技术,2003,(22):54-56.

[3] 李楠,郑建立.基于单片机的红外遥控自学习系统的设计[J].自动化与仪器仪表,2008,(6):43-45.

[4] 方宏.自学习红外遥控器的设计与实现[J].电子工程师,2003,(4):32-33.

[5] 徐志,何明华,林武,等.一类基于软件载波的学习型遥控器的设计与实现[J].现代电子技术,2009(2):36-38.

[6] 薛廷强,等.用于MRI设备的集成式冷却系统[J].中国医疗设备,2009,24(8):49-51.

[7] 吴业正.制冷原理及设备[M].西安:西安交通大学出版社,1997.

[8] 海涛,邹鸣,骆武宁,等.基于ATmega单片机的DS18B20温度采集系统[J].通信与信息技术,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

作者邮箱：yangxiao5518@126.com

TB657.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.10.008