暖通空调系统中温控器的硬件与通信电路设计

2023-07-28王方宇

科学技术创新 2023年18期

王方宇

（合肥市轨道交通集团有限公司，安徽合肥）

温控器是暖通空调系统的关键设备，具有室内温度、湿度的检测和处理功能，并将处理结果发送至制冷、制热设备或风扇，从而达到温湿度调控的目的。本文在设计温控器时，除了关注常规的温湿度调控功能外，还加入了CA 故障诊断电路，与RS485 通信电路配合，可以将故障诊断结果实时呈现在LCD 显示屏上。工作人员通过人机交互界面除了了解当前的温湿度信息，还能获取故障信息，进一步提高了温控器的实用性。

1 温控器的整体结构

本文设计的暖通空调温控器主控芯片采用KL36DN 微控制器，具有较强的兼容性和可扩展性；工作电压24 V 交流电，温控精度±0.1 ℃，温度设置范围5～40 ℃；预留湿度检测功能，检测范围0～100%。该温控器包含6 个实体按键，分别为菜单键、模式键、程序键、温度上升/下降键、背光键、风扇设置键；支持RS485 和24V AC 两种有线通信模式。除了用于检测室内温湿度外，还具有LCD 显示、智能调控、定时启停等功能，整体结构组成如图1 所示。

图1 温控器功能模块结构

2 温控器的硬件设计

2.1 背光电源设计

为了方便用户在夜晚操作，本文在设计温控器时增加了1 个LED 用作背光照明，使用TPS61042 驱动芯片为LED 提供恒流电源，并且支持过流和过压保护。恒流调节范围为1.5 V～6.0 V，调节原理为：设定LED 工作的电压阈值，当反馈电压值低于设定的阈值下限1.5 V 时，内部开关管从断开转为闭合，此时电感充电、电流上升，相应的电压也会增加。当电压达到参考值3.3 V 后，开关管从闭合转为断开，电感电流经过肖特基二极管进入到输出端。同样的，当反馈电压超出设定的阈值上限6.0 V 时，与电容串联的开关管闭合，电容吸收多余功率后使电压降低。当电压达到参考值3.3 V 后，开关管断开，达到稳压恒流效果[1]。

2.2 温度检测电路设计

该电路的核心元件是热敏电阻，其电阻值与温度呈反比，即温度越高、电阻越小。温度检测电路如图2 所示。

图2 温度检测电路

如图2 所示，当温度检测电路上电后，电容C12和C13 的初始电压较低，此时U7B 正输入端（+）的电压要高于负输入端（-）的电压，在U7B 的输出端输出一个高电平。其中，正输入端的电压由邻近的4 个电阻决定，分别是上拉电阻R10、上拉电阻（R12+R13），以及下拉电阻R11。此时正输入端的电压为0.57 Vdd。

同时，Vdd 还会通过R13 对C12、C13 充电，随着充电时间的增加，在两个电容的电压超过U7B 正输入端电压后，U7B 输出一个低电平。正输入端的电压由上拉电阻R10、下拉电阻R12 和下拉电阻R11 决定，此时正输入端的电压Vdd 为0.2 Vdd。当电容C12 或C13 为满电状态后，会通过SIGGND 对地放电，一段时间后电容C12 或C13 的放电电压低于正输入端电压，U7B 又会输出高电平，重复此过程。U7B 的输出端每完成一次高低电平的切换，就会产生一个脉冲波，其频率与热敏电阻的温度值为良好的线性关系，从而实现对温度的检测[2]。

2.3 湿度测量电路设计

本文设计的温控器同时具有湿度检测功能，当室内湿度超过设定的阈值上限后，会自行启动除湿功能。同时，按照设定好的时间间隔，不断采集实时湿度，当湿度重新降低到阈值范围后，立即关闭除湿功能。本文选择了SHT21 单贴片湿度传感器，采用了集成结构，体积小巧、安装方便。传感元件和信号处理元件均集成在3 mm×3 mm 的微型电路板上，可采用I2C 接口与单片机直连，无需进行信号转换[3]。为了防止发生信号冲突，本文在设计湿度测量电路时，默认为微处理器只允许在低电平下驱动双向数据线（SDA）和时钟线（SCL）。在驱动电路的末端增加一个阻值为10K 的上拉电阻，将信号拉升为高电平，提高湿度检测精度。为了验证SHT21 湿度传感器的测量精度，在25℃环境下，分别将SHT21 湿度传感器放置到相对湿度为20%、30%……100%环境中，测量结果如表1 所示。

表1 SHT21 芯片湿度传感器的测量精度测试结果（单位：%）

由表1 数据可知，SHT21 湿度传感器实测值与标准值的最大误差为1.27%，表现出较好的测量精度，能够满足温控器的使用需求。

2.4 LCD 段码显示屏设计

人机交互也是温控器设计的重要内容，本文选用了LCD 段码显示屏，采用动态扫描驱动模式，使用单片机内嵌液晶驱动器，可根据工作需要分别输出0、1/3Vdd、2/3Vdd 和Vdd 四挡电压。占空比是LCD 显示电路设计中的一个重要参数，在动态扫描驱动模式下，任意一个公共端COM 的有效选通间隔周期之间的比值保持不变，恒定为1/COM。本文将LCD 段码显示屏的占空比设置为1/4duty，像素最小间隙10 μm。本次设计中所用LCD 段码显示屏的基本参数见表2。

表2 LCD 段码显示屏的基本参数

3 温控器通信电路设计

3.1 RS485 通信方式

温控器常用的通信方式有24V AC 通信、RS485通信、Wi-Fi 通信等几种。对比来看，智能温控器大多选择Wi-Fi 通信，具有远程遥控、响应及时等特点[4]。本文设计的暖通空调系统中，室外机、室内机等设备均不支持Wi-Fi 通信，只能从24V AC 通信和RS485通信中选择。传统的24V AC 通信模式下，使用4 个三极管组成桥式电路，为继电器提供驱动力。其优势在于电路中元件数量少，可以缩小电路板的体积；缺点是接线端子的数量多，无论是前期安装还是后期维护都有较大难度，对专业性要求较高。综合考虑后，本文选择了RS485 通信方式。

温控器与暖通空调系统之间的通信，执行Climate Talk 协议，目前该协议已经在空气净化器等多种电气设备的智能控制中得到广泛应用。使用基于Climate Talk 协议的RS485 通信，可以实现包括温控器、室外机、室内风机等最多256 个设备之间的通信连接。在RS485 总线连接的多台设备中，将温控器作为“主机”，会根据设定好的时间间隔（默认为10 ms）发送查询命令。当室内/室外控制板接收到查询请求后，会将相应的数据反馈给温控器。为了避免通讯异常，要求室内和室外的两个控制板之间不能直接实现信息交互。理想情况下，RS485 总线的通讯距离可以达到3 km，这种较强的抗共模干扰能力和长距离传输能力，完全能够满足暖通空调温控器的远程通讯需要。

3.2 通信电路设计

CA（Comfort Alert 舒适报警）故障诊断电路可用于压缩机故障信息的识别与传递。该电路由两部分构成，即位于室外机UC 端的CA 发送电路和位于温度控制端的CA 接收电路。当暖通空调运行时，室外机控制板按照特定的时间间隔循环检测压缩机工况，当检测到压缩机有异常工况时，利用CA 发送电路和接收电路向温控器提供出错信息[5]。

3.2.1 CA 发送电路

CA 发送电路的等效电路如图3 所示。

图3 CA 发送电路

图3 中，R 为24 V 交流输入；L DRIVE 表示室外机控制板（UC）单片机输出的故障信号，当UC 发生故障后，L DRIVE 会产生低电平信号，此时Q4 断开，右侧的L 输出从R 传输过来的半波信号，L DRIVE 的端口则输出故障信号。该故障信号会通过CA 指示灯闪烁的方式表示对应的故障代码，闪烁次数1～9，对应CA 故障代码1～9。例如，CA 指示灯闪烁2 次，对应CA 故障代码2，查询可知故障代码2 表示压缩机冷凝器故障。

3.2.2 CA 接收电路

CA 接收电路的等效电路如图4 所示。

图4 CA 接收电路

从UC 端发送的CA 故障信号L 首先通过光耦合器（CR13）进行光耦隔离，然后传送到温控器的微控制器（MCU）中，经过MCU 的分析处理后，将结果显示在LCD 段码显示屏上。工作人员通过观察显示屏，即可了解温控器UC 的故障信息。温控器MCU 的分析过程为：假设UC 端发送的CA 故障信号为“code=9”，接收该信号后，CA 接收电路中L 为低电平，此时电路中MCU 的输出端口“3”不导通，启动外部电源，经过电阻R12 对CA 接收电路充电，使CA 信号变为高电平。在CA 有效脉冲段，L 为6 个24 V 交流半波，MCU 输出端口“3”导通。该端口导通后，再通过电容C10 放电，重新使CA 信号变为低电平。高低电平每转换一次，在L DRIVE 端就输出一个对应的脉冲，温控器MUC 通过脉冲计数即可识别CA 错误代码，并在LCD 段码显示屏上显示出来。