基于单片机的变风量空调系统的研制

基于单片机的变风量空调系统的研制

程明阳 刘伯强 马爱君 王 雷
山东大学控制科学与工程学院，济南 250061

当社会各方面的发展，能源的消耗量日益增大，而制冷空调作为一个与人们生活和生产过程息息相关，而又高能耗的产业，其节能和环保一直是人们所关心的重点。变风量空调系统作为一种节能系统，采用了新的风量调节技术，其节能效果已经引起了人们的关注。今年的SARS问题暴露了传统封闭式空调系统的问题，变风量空调系统的新风循环方式也使得它的应用得到了广泛认同。

1变风量空调系统的原理及特点

日常生活中，空调系统并不总是处于满负荷运行状态，其大部分时间的运行效率只有10％左右，因此，从节约能源的观点，我们可以根据空调系统的负荷随时调节系统的送风量，只在高峰时，增大送风量，以达到节约能源的目的。变风量空调系统也正是基于这个原理而产生的。其主要优点有以下几个方面： (1)通过调节送入室内的风量来控制环境温度，因此在装机是可以选择一定的峰值使用量，从而达到节约风机能耗和装机容量的目的。

(2)系统具有很大的灵活性，易于改建，扩建，增删调节单元，个人可根据负荷的变化或舒适要求自动调节工作环境。这一点尤其适用于那些格局多变的建筑。

(3)变风量系统属于全空气系统，空气品质好，可以利用新风消除室内负荷，没有风机盘管凝水问题和霉变问题：在过渡季节，可以充分利用天然冷源甚至全新风，节能效益好。

2变风量空调系统的工程应用

目前在工程中应用的变风量空调系统主要有两种类型，一种是普通变风量空调系统，一种是变频变风量空调系统。我们所采用的方案是后者。采用变频变风量空调系统变频变风量空调系统和普通变风量空调系统一样，具有变风量空调系统的共同特点。不同的是，变频变风量空调系统采用了末端风机和空调机组风机皆连续调速的技术，形成了变频控制变风量系统。

2．1工作原理

为获得空调系统的实时负荷情况，我们在每个建筑单元内装设一个室内温控器，用来检测室内温度，并与用户设定的期望温度值进行比较，当二者出现差值时，温控器改变变风量风机盒风机的转速，减少或增加送入室内的风量从而调节室内的温度，直到室内温度恢复为设定值为止。室内温控器在调节变风量风机盒风机转速的同时，通过串行通讯方式，将本身的负荷信号传入空调机房的变频控制器；变频控制器接收各温控器送来的负荷信号，计算所有风机需要的风量之和，并通过一定的运算规律得出变频器需要的控制信号，通过变频器控制空调机组送出的总风量，使总送风量满足各单元的实际风量需求。

2．2系统组成

变风量空调系统主要由以下几部分组成：新风处理设备，室内温控器，变风量风机盒和智能变频控制器 新风处理设备即空调机组是由新风阀、回风阀、送风阀、预热器、表冷器和送风机组成。

室内温控器主要用来完成用户温度设定，控制本单元变风量风机送风量，与智能变频控制器交换数据等功能。其具有温度传感器，能够实时采集室内温度，根据室温和设定值的偏差及温差的变化率，算出所需风量和风机的转速值。风机转速值的输出用来控制风机送入房间的风量，风量值的输出通过串行通讯反馈给变频控制器，变频控制器计算各个温控器的总风量，确定空调机组风机的转速以满足各末端风机的风量需求。 相对来说，室内温控器的功能比较简单，主要用来提供用户设定温度和运行方式的键盘、显示以及与上位机交换数据的通讯接口即可，其余控制，通讯协议等功能都可以由软件来实现。由于温控面板的安装空间有限，因此我们将电源部分设置在变风量风机盒中，通过电缆线向温控面板供电。在以上分析的基础上，我们决定采用Philips公司生产的P87LPC767单片机。它是一种基于C51内核的高集成度，低功耗，宽电压范围的20引脚芯片。其具有内部可编程的时钟，内置LED驱动电路和看门狗电路，复用4通道8位A／D转换器，8个键盘中断输入。具有4KEPROM代码空间，128字节RAM，2个16位计数器，两个模拟比较器，并可编程端口。在实际应用中，由于按键数量很少，采用端口口线直接扩展键盘，并采用内部集成AD对放大后的温度信号进行采样，并用单片机的串行口扩展外部通讯端口。我们采用的通讯物理链路是RS485方式，采用了MAXIM公司的MAX487E通讯芯片来驱动信号。

由于某些楼层有走廊大厅等大空间场所，在这些地方，气流流动性较强，因此温控器采用一控多的方式，可根据具体情况为多个个变风量风机盒设一个温控器。这样为平时调节室温提供了方便，而且以后空间分隔时，也可以灵活进行。

变风量风机盒是变频变风量空调可以根据温控系统的末端装置，主要由风机、风机电机和机箱组成。 变风量风机盒负责对变频后的电源信号进行过零检测，并将信号提供给温控器，温控器根据过零信号向风机盒上的可控硅发出触发信号，对室内风机转速进行控制，以调节室内送风量达到调节室温的目的。为防止强电信号通过信号线传至温控面板，采用光耦对信号进行隔离。为防止在小风量时，风机发生蠕动，我们在软件设计中用定时器对可控硅的导通时间进行了控制，限制导通时间在一定范围内，避免发生风机蠕动时损坏风机。

智能变频控制器由交流电机变频调速器和变频控制器组成。由于功能相对简单，选用Winbond公司推出的W77E58单片机实现与下位温控器的通讯和对变频调速器的控制。W77E58是一种高速51兼容单片机，它具有4个8位端口， 12个中断源，片内时钟振荡器，2个优化全双工串口且内部有32KFLASH EPROM和可编程看门狗电路。由于智能控制器没有键盘显示等模块，因而其外围电路比较简单，只需要扩展通讯模块和控制量输出模块即可。

单片机在工作过程中巡回检测各个温控器的数据，并将数据累加后按一定规律进行运算，通过DA转换器输出模拟量实现对变频器的运行控制，直接输出数字量对变频器进行启停控制。为在某些建筑中实现对空调系统的集中控制，我们还扩展了一个串行通讯接口，需要时可以将多个智能控制器连接至PC机，实现对温控器的集中控制。PC机能够能实时查看和控制各温控器的各种运行状况。考虑到风道的压力损失等因素，我们在控制规律中对此进行了补偿。

2．3系统软件工作框图

3结束语

变频变风量空调系统是一种比较先进的空调系统，其在节约空调系统运行能耗、减少装机容量和提高舒适性方面都有显著的效果，而且与普通变风量空调系统相比还具有以下优点：

(1)由于末端风机带有一定余压，可减小空调机组所需余压和送风管道尺寸。 (2)由于采用了数字控制系统，风量平衡方便，系统易于调节，运转稳定。

此系统已经在某集团公司办公楼空调系统中得到成功运用，由于不具备条件，其16个楼层的智能控制器独立工作，暂时没有集控功能，实验证明，系统运行稳定。但在实际安装调试过程中，我们也发现了许多不足之处，如：温控器的识别码是烧写在温控器中的，不利于现场安装；风机叶窗等易损部件容易损坏等。相信随着加工工艺的提高和产品开发的不断进行，其不足之处将会逐步改进，提高其可靠性，它必将得到更加广泛的应用。

  

参考文献:

[1]. P87LPC767 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/P87LPC767_875959.html.
[2]. RS485 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS485_585289.html.
[3]. MAXIM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAXIM_1062568.html.
[4]. MAX487E datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX487E_859410.html.
[5]. W77E58 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/W77E58_705272.html.