一种与空调联动的室内通风装置的设计

谢洪

（柳州铁道职业技术学院，广西柳州，545616）

0 引言

随着人们生活水平的不断提高，室内安装空调已是人们享受生活，提高生活质量的重要方式。然而，空气质量对于人的身体健康同样至关重要。由于开启空调时，一般情况下需要将门窗关闭，随着时间的增加，人们呼出的二氧化碳、室内的装修材料和衣物棉被等所散发出的种种不洁气体的浓度不断增加，这将严重影响着人们的身体健康。有资料表明，室内空气污染对人体很容易造成危害，导致人们得“空调病”。长期在这种环境下生活和工作，轻者会使人感到精神不好，头晕目眩，注意力不集中，免疫力下降，重者还会引发心脏病、呼吸系统疾病、神经系统疾病，尤其会对婴幼儿的发育成长产生长期的不良影响。

要减少甚至防止“空调病”的发生，就必须加强室内通风。要达到此目的，其方法有两个：一是将门窗打开；二是使用换气扇。如果简单地使用这两种方法，则空调的使用效果将会变得很差，并且浪费能源。

目前，开窗方式基本是采用手动开关，开关窗时需要人走到窗前才能操作，而现在使用空调机的家庭越来越多，至凌晨时室外温度已经下降，可以不再需要空调机工作。如果此时起床开窗且关空调机，就影响了睡眠的质量，特别是睡眠不良者，可能会导致一直到天亮都无法再入睡。如果不起床开窗关闭空调机，一则浪费电能，二则室内的空气变得越来越浑浊。

保持室内空气的良好，保证良好的睡眠环境，是保证身体健康的重要前提。本室内通风装置就是为了解决这些问题而设计的。

1 装置总体设计

本装置是由窗户自动控制系统和定时通风系统组成。系统框图如图1 所示，包含遥控接收电路、按键电路、数据存储电路、显示电路、温度与下雨感知电路、通风控制电路、窗户开关控制电路、单片机电路及整流电路组成。系统所有的控制动作，都由单片机S3F9488 控制。

图1 室内通风装置系统框图

2 硬件系统设计

■2.1 主控电路设计

图2 是系统的主控电路图，由按键电路、遥控电路、指示电路、显示电路、复位电路及时钟电路和数据存储电路组成。

图2 系统主控电路图

（1）按键电路

开关SW1、SW2、SW3 和SW4 为设置按钮键，分别是确认(取消)键、设置键、上升（增加）键和下降（减少）键。通过按键的操作，可以对时间及温度值进行人为的设置。

（2）遥控电路

遥控器的信号，通过红外接收电路U5 接收，送到单片机U2 的引脚P03 进行判断。

（3）指示电路

D7 是LED 二极管，用于强制动作指示。当有强制动作时，从U2 的引脚P07 输出低电位，点亮D7。

（4）显示电路

四位LED 数码管显示器LED1 受单片机的端口P1、P2和P4 的控制，显示温度和定时时间等设置信息。

（5）复位电路及时钟电路

R8 和C8 组成复位电路，完成对单片机U2 的复位。X1 是8MHz 的系统时钟电路。C5、C7 和X2 与单片机内部电路，构成了32.768kHz 用于计时的时钟电路。

（6）数据存储电路

U3 是2 线串行接口的128×8 位存储器24C01，用于存储设定的温度和定时数据。

■2.2 窗户自动控制系统的设计

窗户外侧安装有动力盒，通过动力盒的双线圈交流电机的转动方向不同，驱动安装在活动窗户上的齿条运动方向，从而实现对窗户的控制。

图3 是窗户控制及电源电路图。从图2的P1 端口连接的温度和湿度传感器，与电路R1、R2 串联连接。电源电压经传感器与电阻分压，输入到U2 单片机中，经程序判断。作出决定对交流电机的进行供电控制。

图3 窗户控制及电源电路图

（1）关窗户

U2 的 P31（MOTOR）输出高电平，经过R4，送到Q2的基极，使Q2 导通，继电器K2 给关窗户电机供电。同时接通空调电源。当关窗到位的时候，齿条上的拨片触动动力盒上的“关窗户”行程开关，停止给电机供电，关窗户完成。

（2）开窗户

U2 的P31（MOTOR）输出低电平，经过R4，送到Q2的基极，使Q2 截止，继电器K2 给开窗户电机供电。同时断空调电源。当开窗到位的时候，齿条上的拨片触动动力盒上的“开窗户”行程开关，停止给电机供电，关窗户完成。

（3）电源电路

220V 交流电通过T1 降压后，再经过D1、D2、D3、D4 组成的整流桥，转换为直流电，经C1 滤波获得+24V 直流电，为通风系统的排风扇提供工作电源。同时该+24V 直流电经U1 稳压，得到稳定5V 的直流电，为主控电路提供电源。

■2.3 定时通风系统的设计

定时通风系统由控制盒、轴流风机、引风管道、进风口和防蚊网组成，图4 是通风控制电路图。

图4 通风控制电路图

U2 的引脚P32（FAN）控制通风。当需要通风时，P32 输出高电平，经过R3，送到Q1 的基极，使Q1 导通，继电器K1 节点闭合，给U4 稳压集成块LM317 提供约24V的直流电。经稳压后，驱动直流排风电机。

开关SW5 的作用是通过接入R9 来控制稳压输出的电压值，从而控制排风的风量。

风量分两档：输出7.5V 电压为经济档，输出11V 电压为强风档。

3 软件设计

■3.1 窗户自动控制系统的原理

考虑到人体热舒适度的要求，同时兼顾能源和设备的投入，我国《室内空气质量标准》GB/T 18883-2002 规定：夏季空调房间室内温度的标准值为22 ℃～28 ℃。人们可在晚上睡觉时，将室外温度设定好（一般情况下为27.5℃）。到下半夜（正是人们熟睡的时候），室外温度下降到了设定的温度，窗户就会自动打开，同时将空调机电源切断，使人们既享受到了新鲜空气，又不影响睡眠，同时还可以节约能源。

■3.2 定时通风系统的设计

当室外温度达不到设定的温度时，可以通过设定定时通风系统进行强行通风，以保持室内的空气良好。

一旦窗户被打开，则通风系统不会被启动。本通风系统的进风口要求安装在室内的最顶部。由于热空气是飘浮在室内最顶部，当排风风机工作时可以把室内最热部分的空气抽走，同时室外新鲜空气经门的底边缝隙或专门设置的通风孔补充到室内，这样室内的空气就不断地得以更新。

图5 系统软件设计流程

■3.3 软件工作过程

U2 单片机定时采集室外的温度和雨量数据。如果室外温度高于设定的温度值，窗户将会关闭，同时给空调供电，让空调机正常工作。这时，通风系统将参与工作，定时开启和关闭排风扇，以达到定时换气的效果。一旦室外温度下降到达设定的温度值，系统将会切断空调电源，并且打开窗户，通风系统不会被启动。

室外的雨量传感器用于感应是否有雨下。如果下雨，即使室外温度低于设定的温度值，窗户也不会打开，同时通风系统会处于正常的工作状态。在窗户打开的状态下，如果检测到下雨，也会强行关闭窗户，同时让通风系统重新回到正常的定时通风工作状态，让室内的空气定时得到更新，保持清新。

■3.4 按键的设置

图6 是按键设计流程图。

图6 按键设计流程图

（1）设置温度

本装置的默认的温度是27.5℃，即在接通电源时，无须调节，即可在室外温度下降到27.5℃时窗户会自动打开，同时关闭空调机。若需调节，可直接按上下(SW3、SW4)键，直到在显示屏可看到所需要的温度为止。

（2）设置时钟

按下设置键（SW2），显示屏显示F1，再按上下(SW3、SW4)键，即可调整时钟到当前标准时间。调整完毕可按一下确认键（SW1），调整得以确认，显示屏回到显示室外温度的状态。

（3）定时开启通风机

连续按设置键（SW2）2 次，显示屏显示F2，再按上下键，即可调整定时关闭通风机时间。调整完毕再按一下确认键，调整得以确认，显示屏回到显示室外温度的状态。

（4）定时关闭通风机

连续按设置键（SW2）3 次，显示屏显示F3，再按上下键，即可调整定时关闭通风机时间。调整完毕再按一下确认键，调整得以确认，显示屏回到显示室外温度的状态。

遇到停电再来电时定时设置和温度设置可以保持不变，时间需重新调整。

（5）强制开关窗户

在室外温度没有达到设定温度时，若需开窗，则按一下SW3 键，窗户打开，再按一下SW3 键，窗户关闭（在窗户打开时，空调机将不能启动）。

（6）强制开关通风机

在需要强行开启通风机时，则按一下SW4 键，通风机运转，再按一下SW4 键，通风机停止。

在任何强制状态下，控制盒面板上的LED 灯D7 被点亮，此时自动控制无效。若需恢复自动控制，则按一下取消键SW1，此时控制盒面板上的LED 熄灭，表示系统取消强制状态，恢复到自动控制状态。

（7）通风风量设置

将控制盒面板上的拨动开关SW5 置于左侧，则通风风量为标准风量；将控制盒面板上的拨动开关置于右侧，则通风风量为节约风量。

4 通风装置的制作与实践

■4.1 通风装置的制作

根据设计的电路图通过软件画出如图7 所示的PCB 图。通过焊接及组装，形成图8 所示的通风装置实物图。

图7 控制电路PCB 图

图8 通风装置实物图

■4.2 通风装置的实践

图9 是通风装置安装外形的示意图，图10 是通风装置安装的侧视图。动力盒安装在窗户外侧，其输出的动力带动安装在活动窗页上的齿条机构。当温度传感器感知室外温度达到预先设定的温度时，控制盒发出指令，使动力盒带动齿条运动，从而使窗户自动开关；同时控制盒内的继电器将空调的电源断开。由于动力盒是安装在窗户外面，因此不会影响室内装修，也不影响纱窗的使用。

图9 通风装置安装外形示意图

图10 通风装置安装侧视图

5 结束语

本设计研究了一种与空调联动的室内通风装置，通过以单片机为核心的控制电路和温度传感器、雨量探测器的协同工作，控制空调电源、窗户和通风系统。当室外温度高于设定的温度值时，能够向空调提供电源，关闭窗户，同时能定时通风；当室外温度低于设定的温度值时，能关闭空调、打开窗户，保持舒适的环境。本装置在实际应用中，能稳定地运行于各种不同的场合。