基于STC单片机的中央空调控制系统研究*

魏立明 李 晨 林 君 韩成浩

(1:吉林建筑大学电气与电子信息工程学院，长春 130118； 2:吉林大学，长春 130012)

在智能建筑高速发展的今天，中央空调是成为楼宇自动化系统的主要监控对象之一.由于中央空调系统庞大，反应速度较慢，滞后较为严重，致使其每年的耗电量约占建筑物总用电量的50%～60%左右[1].目前，中央空调系统应用越来越广泛，几乎所有大型新建建筑都设有中央空调系统，其发展趋向节能化.如何采用先进技术对中央空调进行控制，使其克服耗电量大的缺点已成为中央空调控制系统研究的热点问题.本文针对传统单片机片内资源少，性能及工作速度慢的缺陷，采用STC系列增强型8051单片机对中央空调进行硬件设计和软件设计.

1 中央空调控制系统硬件设计

1.1 设计原理

图1 中央空调系统

中央空调调节室内温湿度使人们获得较舒适的办公环境.当室内人们有需求时，通过红外线遥控装置对中央空调内部核心STC单片机进行指示，单片机通过调节温度传感器、湿度传感器对新风口、回风口温湿度进行检测，当调节阀收到检测的反馈信号时，会自动调节其开度大小.此时，进入的新风将同室内的回风混合，形成混合风.当风管内混合风温度过高时，电机会带动表冷器对其进行降温处理，冷热水进行PID调节；当风管内混合风体湿度不够时，喷淋泵对其进行加湿，此过程均有变频器参与；当中央空调内混合风温湿度差较大时，负荷量随之将变大，变频器自动增加水泵转速.反之，减少其转速.变频器的加入使中央空调各个泵组和冷却塔风机的运行跟随负荷的变化而同步变化，可以在能够保证负荷需求的前提下，实现中央空调的最大节能[2].经过调节混合风送达送风口时，温湿度传感器会再一次进行检测，来确定送入室内风体温湿度.经过A/D转换将其具体温湿度值显示在液晶显示屏上供人们确认.中央空调设计原理如图1所示.

1.2 硬件选型

此次设计的硬件选型主要包括微控制器、温度传感器、湿度传感器、调节阀、变频器和风阀执行器等相关硬件的选型.其硬件选取清单如表1所示.

表1 中央空调硬件选取清单

本次设计选用的微控制器为STC11F08XE，相比传统的8051内核单片机而言，在片内资源、性能以及工作速度上都有很大的改进，尤其是采用了基于Flash的在线系统编程ISP技术，同时选择片内资源时也自动遵循“够用”原则，保证了单片机系统的高性能和可靠性.

STC11F08XE单片机集成了增强型8051CPU、8KB Flash程序存储器、1280字节的RAM、全双工异步串行接口UART和MAX810专用复位电路及硬件看门狗.温度传感器DS18b20是全数字温度转换及输出的传感器，具有先进的单总线数据通信，最高分辨率可达到12位，可选用寄生的工作方式，方便多机挂接，可以适应不同的硬件系统.湿度传感器SHT11是一款数字湿度传感器，其高度集成可将湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成一体，提供湿度补偿测量值和高质量的露点计算功能.MICROMASTER430变频器模型具有6个可编程的带电位隔离数字输入，2个模拟输入，2个可编辑的模拟输出，3个可编辑的触电器输出，具有启动和滑差补偿的功能，内置高级PID调节器.混水机调节开度反馈和冷水调节开度反馈选用的是Danfoss调节阀，其驱动器可接收4mA～20mA的控制信号，输出信号为0～10V，输入信号具有分段功能.阀门带有行程自检功能，能够自动检测阀杆的最高位和最低位，并分配给相应电压信号.同时，阀位还具有现实开度位置的功能.风阀执行器GBB161.2E中带有内置选项，同时具有偏差、定位信号、阀位显示、反馈电位计以及可调的辅助开关.

2 PID参数优化

PID调节大量应用于中央空调冷热水调节控制方面.当中央空调内置温湿度传感器测量到新风温湿度时，将其转化成(4～20)mA电流信号，经过STC11F08XE单片机内置A/D转换单元，将模拟量信号转化成数字量信号，并通过软件编程实现PID控制，从而由单片机带动混水机组对新风量进行温湿度处理达到人们满意的要求.中央空调系统庞大，控制回路较多，传统PID算法就参数整定很难满足其要求[3].本次设计选用蚁群算法来优化PID控制的参数.蚁群算法是一种针对离散优化问题的启发式算法，它是利用一群人工蚂蚁的协作来寻找最好的解.其主要部分是把计算机资源分配到一群相对简单的人工蚂蚁上，人工蚂蚁之间通过媒介进行间接通信.蚁群算法以嵌入式操作系统为框架，经过多次的迭代逐渐逼近最优的结果，解决了传统PID算法上存在的参数整定滞后、不精确的缺点.应用于中央空调中PID参数优化时，主要算法如下：

首先将PID控制参数问题转化为蚁群算法适用的组合优化问题，使一组参数(kp，Ti，Td)和一个长度为15位的数字相对应，建立目标函数：

(1)

其次，构建所需路径.假设每只人工蚂蚁都在初始点(xi-1，yi′)上，并且按照一个随机比例规则的行为概率来选择规则，设爬到下一个节点(xi，yi)，直至每只蚂蚁到达(15，yi″)上为一次循环.所按的随机比例规则：

(2)

最后，进行信息索的更新.蚂蚁从初始点完成一次循环后结点上的信息会发生变化，根据以下公式进行信息索的更新：

τ(xi，yj，t+15)=ρτ(xi，yj，t)+Δτ(xi，yj)

(3)

(4)

(5)

其具体流程图如图2所示.

图2 蚁群算法的PID参数优化流程

图3 中央空调控制系统软件设计流程

3 中央空调控制系统软件设计

本次软件设计的主要部分是中央空调的温湿度控制，其流程如图3所示.所以对电机控制和模数转换温湿度检测进行软件编程.首先，用Ptotel软件绘制设计原理图[4-5]，主要包括：主电路部分、USB下载部分、外扩引脚部分和电源部分；其次，选取Keil uvision软件对温湿度控制进行编程，包括温度检测、湿度检测、PID调节和各个电机的启动停止等；最后，使用ISP-STC烧录软件将编辑好的程序烧录到计算机中.在ISP-STC中选定单片机型号，点击“打开文件”并在对话框内找到编译好的程序文件进行下载，手动按下电源开关便即可把可执行文件写入单片内部.最终与焊接好的硬件版相连，板上的液晶显示器显示当前室内温湿度，本设计的软件部分采用C语言与汇编语言相结合编程.

4 遥控与显示设计

本次设计也选用红外线遥控来控制中央空调中STC11F08XE单片机运行即电机启停和温湿度检测.当然此红外线遥控上需配备一个红外线发射管，当与电器的红外线接收端形成对射的状态时，就会达到遥控的作用.此次红外遥控采用555电路产生脉冲信号，其振荡电路所产生的特有的频率脉冲会通过驱动红外线发射管所发出的相同频率的信号，来实现红外线控制.其设计框图如图4所示.

图4 红外线遥控设计框图

图5 温湿度检测实物

当中央空调将调节好的新风由送风口送入室内时，前风量的温湿度会由液晶显示屏显示.液晶显示屏有两块板构成，当给其内部液晶施加一个电场，会改变其内部分子排列，从而使液晶层中的液滴形成屏幕上的像素.此次设计将液晶显示屏与温湿度检测电路板相连，配合软件编程可读出室内当前温湿度.其温湿度检测实物图如图5所示.

5 结语

本文以STC11F08XE单片机为控制核心对中央空调进行硬件与软件设计，在控制上采取传统PID调节与嵌入式蚁群仿生算法相结合的方法对中央空调的冷热水调节和温湿度检测进行控制，红外线远程遥控机组动作，液晶屏显示中央空调控制结果.通过本文的中央空调系统控制研究，为办公楼宇中央空调的智能化控制奠定了一定的理论和实验基础.

参 考 文 献

[1] 祁增慧,赵艳秋.基于LonWorks的中央空调PID控制系统的设计[J].电气应用,2011,30(15):75-77.

[2] 梁庆君.民用商住楼中央空调施工设计中存在的问题与对策[J].科技创新导报,2013(5):120-122.

[3] 王振臣.LonWorks总线与模糊PID控制在空调系统中的应用[J].工业控制计算机,2007,20(11):20-21.

[4] 范兴龙.冰蓄冷地源热泵中央空调设计及经济分析[J].发电与空调,2012,33(5):80-83.

[5] 朱 勇.中央空调[M].北京：人民邮电出版社,2009:16-18.