基于单片机的空调节能插座的设计与实现

2015-11-07浙江工业大学之江学院校园建设处周文华

电子世界 2015年14期

浙江工业大学之江学院校园建设处周文华

基于单片机的空调节能插座的设计与实现

浙江工业大学之江学院校园建设处周文华

利用单片机接收温度传感器数据，根据当前温度以及电流检测信号来自动控制双向可控硅的通断（即插座通断），从而实现利用空调插座实现节能环保的理念。系统以单片机为控制核心，结合外围硬件电路来实现空调在空调品牌不一、应用场合多变的政府机关、各类学校等温控能耗大户的后期节能改造。

单片机；智能插座；温控；密码锁

1 背景

各类学校和政府机关己大量使用空气调节器(俗称空调),但其能耗不容小觑。为了可以落实国务院有关加大节能工作的决定,即国发2006第28号文件精神,为了最大限度节约能源、资源,减少二氧化碳的温室气体的排放,要对空调进行科学、合理的使用,以此来达到保护环境的目的。有关规定称(国务院所颁布的办公厅有关严格执行公共建筑空调温度控制标准相关通知)：所有仅供建筑内的单位,无论是单位、国企、个体等,除了医院特殊单位和一些生产对工艺对温度有严格要求的批准之外,在夏季,室内温度设置不可低过26度,冬季,室内温度设置则不可高于20度［2］。

在各单位己经大规模使用品牌不一的空调的前提下,研制一种控制空调按节能模式运行的设备有比较现实的意义。

图2.2 系统硬件电路

2 硬件电路设计

空调节能插座的系统框图如图2.1所示,主要以89C51单片机为控制核心,外围电路包括：直流稳压电源以及电路、空调电流检测电路、开关电路、时钟模块电路、温度测量显示以及蜂鸣器的指示灯电路等等。

图2.4 七段数码管显示电路

图2.1 硬件系统结构图

主要功能：

(1)室温低于5℃或者高于30℃时,自动接通插座电源,允许空调运行;

(2)室温在5℃至20℃或者在26℃至30℃时,插座不动作,保持原有状态;

(3)室温在20℃至26℃时,若空调正在运行,则蜂鸣器发出提示信息,自动切断插座电源,不允许空调运行。

硬件电路如图2.2所示。

2.1 温度数据采集电路

电路中主要用到数字式温度传感器DS18B20,由单片机的P1.5口来进行数据的通信,如图2.3所示。其主要特点如下［3］：

(1)电压范围：3.0～5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电。

(2)与单片机之间的通讯只需一条数据线即可实现。

(3)可支持多点测试功能,即多个DS18B20可以并联在同一根数据线上。

(4)外围电路简单,其内部的集成电路中包含了传感器和转换电路模块。

(5)测温范围：—55℃～+125℃。在温度范围-10～+85℃时,可以精确至±0.5℃。

图2.3 温度传感器电路图

(6)在可编程的程序中,分辨率为9-12位,其中,所对应的温度,对应为如下：0.5、0.25、0.125、0.0625℃,精确度高,可实现高准确、精密的测温工作。

(7)测量结果直接输出数字温度信号,以一线总线的串行,传达到CPU处,并同时还需要传达至 CRC进行校对,其纠错、干扰能力比较强。

(8)负压特性：电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作。

DS18B20单总线传输的方式决定了其只需一根线与单片机进行通信。与此同时,在DS18B20使用过程中要严格按照其使用手册中的时序图来进行相应的操作。

2.2 显示电路

显示电路由四位共阳极LED七段数码管显示,经单片机P0口驱动,P2.4-P2.7口控制其公共端来实现温度数字的显示。

共阳极数码管中即其中每一个发光的二级管的“+”极都是连接在一起的,此法称为数码管共阳极接法,也称为共阳极数码管。一般来说共阳数码管应用时,要把公共极COM接到高电平,即+5V,当某字段发光二级管“-”极为低电平,相应的字段就会点亮,并根据相应发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。当某一字段的阴极为高电平时,相应字段就不亮［4］。此时,如需让数码管亮度显示正常,则需根据外接电源接通时的额定电流在确定相应的限流电阻,与此同时还得确保流过电流不能小于0.5mA。

七段数码管(如图2.4所示)内四个数码管一个用了a～dp8根数据线,人们使用起来非常方便。四个数码管有四个公共端,与a～dp一起组成了12个引脚,下图为共阴四位数码管的内部结构图,如果是共阳的,则与此图相反。引脚排列从左下角,即1脚起,逆时方式,依次为1-12脚,上图数字一一与之对应。

2.3 开关控制电路

双向可控硅亦称双向晶闸管,属于一种功率半导体的器件,在单片机的控制系统当中可作为功率驱动的器件,再加上因为双向可控硅未有反赂的耐压问题,所以控制电路比较简单,常用于作为交流开关器件使用。同时,由于其耐压值高,峰值电流大,因此双向可控硅往往用在一些功率比较大的电器设备当中,连接在强电网络当中,同时还要注意其触发电路的抗干扰的问题,一般情况是通过光电耦合器,把单片机控制系统中的触发信号加载至可控硅的控制极,用一驱双向的可控制性的硅导通。为了可最大限度减少驱动功率以及可控硅触发时所产生一定的干扰,在交流电路中双向可控硅所触发时,一般是运用过零触发的电路。这里的意思指的是在交流电压过0,或是过0点附近时可达到瞬间接通。由于本设计中只需控制交流电的导通与关断,因此为简便设计,不需要考虑交流电的过零检测电路,直接通过光耦驱动实现可控硅的导通。

电路如图2.5所示,图中MOC3061 为其中光电耦合器的一种,所起到的作用有两种,第一种为隔离保护作用,第二种为驱动双向可控硅U3,R15和R17作用不同,前者为发限流电阻,后者为双向可控硅U3门极电阻,所起到的作用是用来误触发的过程,并提升抗干扰的能力。单片机如果STR89C52RC的P2.3引脚输出低电平信号时三极管Q6导通,此时光耦器MOC3061也导通,同时给出触发信号,使双向可控硅U3导通,接通交流负载工作。与此同时,虽然双向可控硅可以反向导通,但也容易击穿,故在使用时的反向电压必须小于双向可控硅最大能能承受的范围。在实际使用过程中,我们还可以在双向可控硅两极间并联一个RC阻容吸收电路,实现双向可控硅过电压保护［5］。图2.5为本系统控制开关电路的电路图。