节能空调控制器的设计与应用

任素龙，彭 钢，袁晓磊，杨春来，殷 喆

（国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021）

0 引言

随着我国经济和城市建设的高速发展，逐步提高人们对工作环境舒适度和智能化程度的需求［1］。在大型建筑中，中央空调系统的能耗几乎占到整个建筑能耗的一半左右，其节能降耗问题已引起了社会的广泛关注。如何在不影响室内舒适度的前提下，最大限度地降低空调系统能耗的课题研究将具有很强的现实意义［2］。目前在采用中央空调的办公场所均存在较大的能源浪费现象，如：办公室工作人员长时间离开房间时，不关闭空调，导致空调系统长时间无意义工作，浪费了大量电能；在一些会议楼中，当会议室的人数很少时，空调风量却运行在较高档位，也造成了能源浪费；此外，在大的会议厅中许多中央空调都是采用手动控制，工作人员不方便对其进行有效控制和管理［3］。针对上述问题，设计和开发了一种节能空调控制器，该控制器能够检测室内温度以及室内人数情况，根据对中央空调的需求来控制其风量的大小，使空调系统能够长时间工作在最佳节能状态，同时达到提供舒适环境的目的。此外，该控制器可以接收无线射频信号并提供各种对外接口，将其融入到整个建筑的智能控制系统中，以实现对整个中央空调系统的远程控制和管理［4］。

1 节能空调控制器硬件设计

1.1 空调控制器的功能设计

中央空调控制面板采用大液晶屏显示各种工作状态，家电化操作界面，使人机对话更加直接方便；室内温度与设定温度同时显示，温度设定10～40℃，室温显示范围10～60℃；蓝色背液晶背光源，方便夜间使用；选用高档阻燃材料，精美光洁；风机风速可以自动控制，也可以手动控制，风速分为高、中、低、自动4种工作状态；继电器输出控制，性能稳定，温度控制精度±1℃，温度显示分辨率±1℃，温度误差小于±1℃；具有室内温度校正功能，断电数据记忆，断电后来电恢复正常工作。控制面板有模式键、手动调节风速键、手动加减设定温度键和开关键。

1.2 空调控制器的硬件电路

节能空调控制器主要由单片机主控制器电路、射频接收解码电路、温度监测电路、人体热释电红外传感检测电路组成。其中，单片机采用STC12C5A32S2系列的单片机，是系统的控制核心，其作用是实时监测无线射频信号、处理控制指令、室内人数统计以及与空调面板进行通信；射频接收、解码电路的作用是接收射频控制信号；温度传感器的作用是检测室内温度；利用人体热释红外电传感器检测室内人员的进出情况，将室内人员信息送入单片机。单片机与空调面板之间通过RS485进行通信，控制模块可以接收无线射频遥控器或外部控制系统发出的无线射频信号指令，并将其转换为相应的RS485控制指令，以对中央空调进行无线、远程遥控［5－7］。中央空调控制器框图如图1所示。

图1 节能空调控制器系统示意

整个电路以单片机为核心，完成外部输入检测、无线射频解码、驱动继电器输出以及看门狗等功能。315 MHz射频接收、解码电路接收射频控制信号，将射频信号转换为TTL信号。RS485驱动电路作为通信协议的硬件层，实现TTL信号向RS485信号的转换。电源稳压电路将输入的＋12 V电压转换为＋5 V电压，为控制模块提供工作电源。

1.3 人体热释电红外传感器的监测

人体热释电红外传感器是二十世纪80年代末出现的一种新型传感器件，该传感器不受白天黑夜的影响，广泛地用于监测和报警系统中。人体热释电红外传感器能够通过接收的红外线的变化判断出探测区域内是否有人出现，是一种被动接收的传感器，以下利用2个热释电红外传感器来实现室内人数的检测。

人体热释电红外传感器的输出与人体移动的速度、方向和人数的多少有很大的关系，对传感器的输出波形进行分析，便可解析出传感器的输出与人数、人体移动速度与方向的关系。利用红外热释电传感器检测人员信息，传感器的输出信号经过前置放大电路的处理后，送到单片机，通过对输出信号的采样分析，便可知传感器的输出变化情况。本设计采用2个人体热释电红外传感器来判断人员是进入还是离开房间，2个传感器间隔10 cm左右，当有人经过时，会发出信号，根据信号的先后顺序便可以判断人员是进入房间还是离开房间。为了解决因人员频繁进出而造成节能控制器的频繁动作，需要确定合理的延时时间，一般将延时动作时间调整在5～15 min，该延时时间也可以根据实际需要进行调整。

人体热释电红外线传感器硬件设计采用BISS0001芯片。BISS0001是一款高性能的传感信号处理集成电路，静态电流极小，配以热释电红外传感器和少量外围元器件即可构成被动式热释电红外传感器。BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路，其电路原理图如图2所示。其中，R3为光敏电阻，用来检测环境照明度。当作为照明控制时，若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。SW1是工作方式选择开关，当SW1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，其值为Tx≈24 576×R9C7；触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，其值为Ti≈24×R10C6。对热释电传感器触发频率要求在毫秒级，所以适当选取C6、R10、C7、R9即可。实际应用当中，由于Tx、Ti是毫秒级，已经接近了热释电传感器的分辨极限，测试时输出信号不是很稳定，并且输出电压平均值在2.4 V以下，所以在输出端加上了一个三极管构成的非门，可增加输出信号的稳定性。

图2 BISS0001电路原理

2 节能空调控制器控制策略

2.1 空调工作范围的设定

通过设定温度上下限来控制中央空调的开关，按照国家使用中央空调的规定，夏季当室温达到温度上限时允许打开空调，当室温低于温度下限时自动关闭空调。冬季当室温达到温度下限时允许打开空调，当室温高于温度上限时自动关闭空调。该方案可避免无节制使用中央空调的现象，实现了根据需求来开关空调。

该方案将允许空调工作的环境温度区间分为夏季温控区和冬季温控区。夏季温控区是空调制冷时的工作范围，当环境温度大于夏季温控区上限28℃时允许空调开启，当环境温度低于夏季温控区下限24℃时自动关闭空调；冬季温控区是空调制热时的允许工作范围，当环境温度低于冬季温控区下限18℃时允许空调开启，当环境温度高于冬季温控区上限22℃时自动关闭空调电源。温控区的上下限可以根据用户的实际需求进行修改。

2.2 根据室内人数调控空调风量

采用人体热释电红外传感器来检测室内人员情况［8］：当室有人时自动打开空调电源，所有人员都离开时自动断开空调电源；通过统计室内人数并结合房间大小来控制空调风量的大小。

通过温度传感器检测室内温差以及人体热释电红外传感器检测室内人数，综合两方面的“需求”来确定空调的开关和风量，使空调系统运行在最佳状态，从而达到节能的目的。若检测到室内没人时，系统将延时15 min自动关闭空调电源，这样能够避免空调频繁启动。当室内温度达到设定温度时，将自动关闭空调电源，减少待机状态时的能耗。

2.3 无线遥控

节能空调控制器能够接收无线遥控器发出的无线射频控制信号，即315 MHz或433 MHz的无线射频信号，实现无线就地控制；同时还可接收其它主机发来的控制信号，或通过其对外接口与外部主机建立相关的通讯联系，以实现对整个建筑中央空调系统的远程遥控和集中控制的目的。

2.4 根据用户作息时间调控

对于一些对中央空调系统实施集中控制和管理的场所，在工作日时，一般是上班后开启，下班后关闭，但实际上用户希望室内空气品质能在上班时就达到舒适性的要求。由于空气温度的调节具有较大的滞后性，中央空调系统需要经过一段时间的运行后才能使空气品质达到舒适性的要求，用户往往需要提前一段时间开启空调系统才能在预定的时间达到希望的效果，在下班前可以提前关闭空调，而不需要下班后才关闭空调。根据大楼用户作息时间和室内与室外的温度差异，本控制器可设定自动开启和关闭的时间，既可以及时达到舒适性的要求，又能避免开启过早和关闭过晚造成的能源浪费。

3 节能空调控制器软件设计

3.1 MODBUS通信协议

节能空调控制器内部采用了RS485通信，通过修改内部寄存器和输出命令码来进行控制，通信协议采用标准MODBUS RTU通信协议。串口设定：波特率“9 600”，校验位“无”，数据位“8”，停止位“1”。

3.2 软件设计

节能空调控制器控制的主程序见图3所示，解码芯片实时检测射频信号，当检测到的射频信号地址经两次匹配后，认为该信号为正确射频信号，该信号经电平转化后连接至单片机的外部中断输入端。单片机不断检测中断信号，发生中断后，单片机转入中断子程序进行射频信号的解析。

图3 节能空调控制器主程序流程

在检测到射频信号后，首先判断信号类型。若为控制指令，则对其进行解析：若为开空调指令，则触发485发送器，并向中央空调面板发送开空调命令；若为关空调指令，则触发485发送器，并向中央空调面板发送关空调命令；若为升高温度指令，则触发485发送器，并向中央空调面板发送升温命令；若为降温指令，则触发485发送器，并向中央空调面板发送降温命令；若为人体热释电红外检测信号，通过分析接收到的两个传感器信号的时间顺序来判断人员是进入还是离开房间，若先接收到传感器1的信号则为进入房间，若先接收到传感器2的信号则为离开房间，以此来统计房间内的人数，根据房间人数来控制空调风量。

在程序中，空调风量的大小选择通常是根据室内面积和室内人数来决定。空调风量与房间面积和室内人数的匹配表见表1所示，用户也可根据实际情况进行修改。

表1 调风量与房间面积和室内人数的匹配

4 应用分析

以中国第一座被动式低能耗正能量智能房屋为例，该建筑位于中国国际门窗城内（保定），其中安装了整套智能家居控制系统。其中的中央空调器采用了该文设计的节能型控制器。该节能型空调控制器既可单独运行，还可以通过无线射频、RS485线与智能家居主机进行通信，将中央空调融入到了智能家居控制系统之中。

在该建筑内以2个相同的房屋进行节能效果比较，其中一间安装节能型空调控制器，另一间安装普通的中央空调控制器。将中央空调设定为25℃，记录每天的温度和中央空调用电量，对比2个房屋温度变化和用电情况，一个月的运行数据，温度和用电量对比见图4和图5所示，可以看出安装节能型空调控制器的房屋比使用普通空调控制器的房屋温度波动小并且用电量少，且每月少用电量约20 k Wh。

图4 室内温度变化对比

图5 用电量对比

5 结束语

以上设计的节能型空调控制器，能够实现对中央空调的智能化动态控制，无需用户操作即可进行温度调整，即根据室内温度、室内人数进行自动调节，使空调一直工作在最佳的节能状态。同时该控制器还可做为一个控制节点，很方便地融入整个建筑的智能控制系统之中，用户可以利用任何具有网络浏览能力的个人计算机、手机，并在授权的情况下，对空调设备进行控制。实际应用表明，该控制器设计合理、性能稳定、安装方便，达到整个建筑的节能降耗目的。

［1］ 谢陈磊，方潜生，张振亚，等.建筑节能检测中无线传感器网络的设计与研究［J］.电子测量与仪器学报，2012，26（1）：49－50.

［2］ 叶大法，杨国荣.变风量空调系统设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007.

［3］ 常先问，冀兆良.智能控制技术在中央空调系统节能中的应用［J］.暖通设备，2007，200（10）：4－13.

［4］ 王建新，杨世凤，史永红，等.远程监控技术的发展现状和趋势［J］.国外电子测量技术，2005，（4）：9－10.

［5］ 兰 羽，万可顺.基于AT89C51的无线温度采集系统的设计［J］.国外电子测量技术，2013，32，（5）：83－85.

［6］ 程继兴，刘 霞.一种基于AT89C51的光纤温度传感器的软硬件实现［J］.电子测量技术，2012，35，（12）：102－107.

［7］ 章亦葵，乔啸乾.基于微控制器的汽车空调控制系统［J］.电子测量技术，2012，35，（4）：46－48.

［8］ 张春华，谢永军，周政毅，等.公共场所人数检测统计系统的设计［J］.广东工业大学学报.2012，29（3）：63－67.