建筑设备中央空调控制系统设计与应用

摘 要：本文采用STC系列增强型单片机对中央空调系统进行硬件和软件设计。硬件部分以STC11F08XE为控制主体，温湿度传感器、调节阀和各类电机为外部设备，完成中央空调的对楼宇内部的温湿度控制。软件部分由Protel99SE软件进行相关原理图绘制，单片机开发工具Keil uvision4和STC-ISP对STC单片机完成程序编写烧录，实现中央空调的温湿度控制和PID参数优化。

关键词：中央空调；STC11F08XE；PID参数优化；红外线控制

中图分类号：TM925.12 文献标识码：A

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，其发展也越来越往节能、健康方向过度。如何采用先进技术对中央空调进行控制，使其更好地克服耗电量大，滞后严重已然成为面临的首要问题之一。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

中央空调调节室内温湿度是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，新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，此过程都有变频器参与。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的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，实现中央空调的的最大节能。经过调节的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的温湿度。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。

图1 中央空调系统图

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

序列 类型 所选硬件

1 微控制器 STC11F08XE

2 温度传感器 DS18b20

3 湿度传感器 SHT11

4 变频器 MICROMASTER430

5 调节阀 Danfoss

6 风阀执行器 GBB161.2E

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，可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，内置的高级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。Danfoss调节阀的驱动器可接收4～20mA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 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。其流程图如图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。用Ptotel软件绘制设计原理图，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；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；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。

图2 中央空调控制系统软件设计流程图

3遥控与显示部分设计

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。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。

图3 红外线遥控设计框图

5 结语

本文以STC11F08XE单片机为控制核心对央空调进硬件与软件设计。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.

作者简介：孙雪景（1979-），讲师，在读博士，主要从事建筑设备工程方面教学与研究工作。