太陽能半導體空調控制裝置的設計

O 引言
    太陽能半導體制冷空調是根據(jù)太陽能的光伏效應，即通過“光-電-冷”途徑，并利用太陽能電池產(chǎn)生的電能為驅動半導體制冷裝置，以實現(xiàn)熱能傳遞的一種特殊制冷方式。太陽能光電轉換的電能不但可以與熱電制冷直流供電模式相匹配，而且，太陽能光照輻射強度與冷量需求有很好的時間匹配性。此外，太陽能清潔環(huán)保，資源豐富，取之不盡、用之不竭，而且太陽能與半導體環(huán)境友好共通，因此，太陽能半導體制冷空調可以創(chuàng)造出高品質的綠色生活空間。本設計就是利用海南得天獨厚的自然條件，以低成本為基準，給出了太陽能半導體制冷空調試驗裝置的設計方法。該方法在海南以及熱帶地區(qū)有著廣闊的應用前景，本課題的任務之一就是對太陽能半導體空調控制系統(tǒng)進行設計。

1 太陽能半導體空調的系統(tǒng)構成
    太陽能半導體制冷系統(tǒng)可由太陽能光電轉換裝置、能量匹配數(shù)控器、儲能裝置、半導體制冷裝置、系統(tǒng)控制裝置等五部分組成。
    日照時，太陽能光電轉換器可以把照射在它上面的太陽光能轉換為電能，為空調系統(tǒng)提供必須的能量來源。本文的太陽能光電轉換器輸出的電能與空調系統(tǒng)所需要的電能具有很好的一致性，而在無日照或日照不足時需要有其他輔助能源或儲能裝置，以便把太陽能光電轉換器輸出的一部分電能予以儲存?zhèn)溆?，從而保證太陽能半導體空調系統(tǒng)能夠全天候地運行。數(shù)控匹配器可使太陽能電池陣列的輸出阻抗與等效負載阻抗相匹配，以使整個系統(tǒng)的能量傳輸轉換始終處于最佳狀態(tài)，同時對儲能裝置的過充、過放進行控制。
    半導體制冷制熱裝置通常由多塊熱電堆或制冷單元組成，其中冷端和熱端均加裝有散熱裝置。需要制冷時，冷端置于室內(nèi)吸熱，以達到降低溫度制冷的目的；熱端則置于室外通風散熱。而在冬季，環(huán)境溫度較低需要制熱時，則可通過改變電源的正、負極來改變通過熱電堆的電流方向，此時熱電堆的冷端就變成了熱端向室內(nèi)放熱，而原來的熱端則變成了冷端向周圍環(huán)境吸熱，從而達到制熱空調的目的。圖1所示是本設計的制冷模塊實驗裝置圖。

    本系統(tǒng)的控制裝置主要有2個功能，一是調節(jié)室內(nèi)溫度以及測量和控制制冷片冷端和熱端導熱陶瓷片表面的溫度。二是調節(jié)室內(nèi)濕度，即控制一加濕裝置。該系統(tǒng)不但可實現(xiàn)自動化和智能化，同時也可為室內(nèi)提供最為舒適的環(huán)境。其整體系統(tǒng)試驗裝置如圖2所示。

2 空調控制系統(tǒng)的設計
    在半導體制冷制熱裝置中，制冷片冷端和熱端的導熱陶瓷片表面涂抹思想導熱硅脂可以減少接觸熱阻，但是，導熱硅脂超過60℃就容易融化，這樣，就需要隨時了解陶瓷表面的溫度，一旦超過此溫度就需要開啟風扇散熱。另外，室溫的調節(jié)被設定在一定的范圍內(nèi)(-10℃～40℃)，使用者可根據(jù)自身的要求調節(jié)溫度，精度可達±0．5℃。此外，系統(tǒng)還能檢測室內(nèi)濕度，并可根據(jù)實際濕度與設定值的比較結果來進行濕度的自動調節(jié)。而人機對話接口則主要用于溫、濕度上下限值的設定以及溫、濕度值的實時顯示。

3 硬件設計
    本系統(tǒng)選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機、2個DALLAS公司生產(chǎn)的DSl8B20集成溫度傳感器、電容式濕度傳感器HSll01來進行硬件設計。系統(tǒng)分為濕度采集、溫度采集、鍵盤顯示、報警顯示和執(zhí)行輸出五部分。各部分電路以AT89C51單片機為核心，并分別由單片機輸入／出端口將溫、濕度或鍵盤掃描信號采集到單片機，在經(jīng)過單片機的運算處理后，由輸入輸出端口輸出到報警顯示和執(zhí)行端口進行溫、濕度的自動控制和監(jiān)測。其控制系統(tǒng)結構框圖如圖3所示。

3．1 溫度采集
    單片機的PO.1和P0．2端口作為溫度傳感器的數(shù)據(jù)輸入輸出口。溫度傳感器DSl8B20采用一線制數(shù)據(jù)傳輸，所以本系統(tǒng)只需要一個端口，即可完成傳感器的輸入輸出操作。溫度傳感器檢測到模擬溫度后，可將其轉換成9～12位數(shù)字存儲在暫存器中。讀取溫度值時，就可在嚴格的時序下從端口PC5上進行讀取。
3．2 濕度采集
    HSll01實際上相當于一個濕敏電容，其振蕩電路由555定時器組成，當環(huán)境濕度變化時，濕度傳感器HSll01的電容量會隨之改變，這樣，通過振蕩電路可將該電容值轉化為頻率與之呈反比的方波信號，并將該信號通過PD3傳送給單片機。單片機通過頻率計算便可得到相應的濕度值。
3．3 鍵盤顯示
    CH452L是一鍵盤顯示驅動芯片，其引腳DIN、DOUT、LOAD、DCLK分別跟單片機的PB0～PB2和PD2相連接，系統(tǒng)可以通過鍵盤設置各種參數(shù)。也可以通過數(shù)碼管實時顯示單片機采集到的溫、濕度值。
3．4 輸出執(zhí)行端口
    系統(tǒng)能夠自動檢測溫、濕度值，并判斷溫、濕度值是否超出限值范圍。若超出范圍，則由PEO、PE1輸出信號，以控制執(zhí)行元件進行溫、濕度的調節(jié)。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在單片機系統(tǒng)與執(zhí)行單元之間應使用光電隔離器，以對系統(tǒng)與現(xiàn)場環(huán)境。

4 軟件設計
    單片機上電后，首先應初始化系統(tǒng)。初始化完成后，再判斷是否設定溫、濕度上下限值，若已設定，則進入設定參數(shù)子程序，否則，進入溫、濕度檢測子程序。溫、濕度檢測子程序調用完畢后，再進入到溫、濕度參數(shù)顯示子程序，之后，再進行超限判斷。若有超限，則進入報警顯示和執(zhí)行子程序，否則，回到初始化模塊重新執(zhí)行。其主程序執(zhí)行流程圖如圖4所示。

    本設計的主程序包含初始化模塊，溫、濕度檢測模塊，溫、濕度參數(shù)顯示模塊，報警顯示模塊和執(zhí)行模塊。其中初始化模塊負責調用初始化系統(tǒng)子程序，以初始化相關的IO端和定時計數(shù)器；溫、濕度檢測模塊負責調用溫度檢測子程序和濕度檢測子程序，溫度檢測程序從初始化溫度傳感器DSl8B20開始啟動溫度轉換，等待轉換完成后，讀取9位二進制代碼和處理數(shù)據(jù)，并將其轉換成相應的溫度值；濕度檢測程序則從初始化濕度傳感器HSll01開始計算濕度信號的頻率，并將其轉換成相應的濕度值；溫、濕度參數(shù)顯示模塊主要負責調用鍵盤顯示驅動芯片CH452L的顯示參數(shù)子程序，CH452L顯示驅動程序可從初始化CH452L開始啟動顯示驅動，并進入顯示程序，同時發(fā)送溫、濕度值；執(zhí)行模塊負責調用報警顯示和執(zhí)行子程序，執(zhí)行程序和報警顯示程序從判斷是否超限開始，只要溫、濕度中的任何一個參數(shù)超過了限值，系統(tǒng)便進入控制執(zhí)行程序和報警顯示程序。

5 結束語
    太陽能半導體空調具有節(jié)能、無噪音等優(yōu)點，可以滿足人類的共同需要。本文介紹的太陽能半導體空調控制系統(tǒng)采用溫、濕度傳感器，并以單片機為核心，因此，該溫、濕度監(jiān)控系統(tǒng)的性價比較高，使用簡單且工作穩(wěn)定可靠。事實上，此控制系統(tǒng)不僅可以應用在空調上，也可以應用在溫室大棚、糧食儲藏以及其他溫度控制方面，所以具有一定的推廣價值。試驗結果也表明，該系統(tǒng)能夠很好的檢測室內(nèi)溫度并能根據(jù)設定的溫度自動調節(jié)，而且可以超溫自動斷電，反應十分靈敏，可以達到預期的目的。