淺談C8051單片機(jī)在變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、前言：

　　變風(fēng)量（Variable Air Volume, 簡稱VAV）空調(diào)系統(tǒng)是通過變風(fēng)量箱去調(diào)節(jié)送入房間的風(fēng)量和新回風(fēng)混合比，并相應(yīng)調(diào)節(jié)空調(diào)機(jī)組的風(fēng)量或新回風(fēng)混合比來控制某一空調(diào)區(qū)域溫度的一種空調(diào)系統(tǒng)。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)可以根據(jù)空調(diào)載荷的變化及室內(nèi)要求參數(shù)的改變，自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)送風(fēng)量（達(dá)到最小送風(fēng)量時(shí)調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度），以滿足室內(nèi)人員的舒適要求或者其它的工藝要求。同時(shí)根據(jù)實(shí)際送風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，最大限度的減少風(fēng)機(jī)動(dòng)力、節(jié)約能量。與定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)相比，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)具有節(jié)能性、舒適性、環(huán)保性、靈活性等優(yōu)點(diǎn)。

2、硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1、風(fēng)閥與水閥執(zhí)行電路的設(shè)計(jì)

　　本控制器將溫度、濕度、CO2傳感器檢測(cè)到的模擬信號(hào)經(jīng)放大器、A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)，與設(shè)定值進(jìn)行比較，由單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)給D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過放大驅(qū)動(dòng)后控制空調(diào)的送風(fēng)閥門和水閥如圖1。

圖1 風(fēng)閥與水閥執(zhí)行電路

　　2.2、溫度、CO2濃度信號(hào)檢測(cè)電路：

　　溫度傳感器選用DALLAS公司的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，DS18B20是單總線數(shù)字溫度傳感器，可把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理，在一條總線上可掛接多個(gè)DS18B20芯片，是只有一個(gè)總線命令者和一個(gè)或多個(gè)從者組成的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 DS18B20性能特點(diǎn)：采用單總線專用技術(shù)。既可通過串行口線，也可通過其它I/O口線與微機(jī)接口，無須經(jīng)過其它變換電路，直接輸出被測(cè)溫度數(shù)字量（9-12位二進(jìn)制數(shù)，含1位符號(hào)位，可由編程決定具體位數(shù)）;測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，測(cè)量分辨率為0.5℃，最高可達(dá)0.0625℃，內(nèi)含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲(chǔ)器ROM;適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)機(jī)。 用戶可分別設(shè)定溫度的上、下限;供電方式有兩種：①外加電源電壓為3.0～5.5V ②寄生電源。

　　本系統(tǒng)采用紅外式的CO2濃度傳感器。這種傳感器具有對(duì)CO2高敏感性，結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)濕度低依賴性，測(cè)量范圍為0～2000ppm，輸出0～4vDC，供給電壓5vDC。多應(yīng)用于屋內(nèi)、公共場(chǎng)所空氣質(zhì)量檢測(cè)控制如圖2。

圖2 溫度、二氧化碳濃度檢測(cè)電路

3、仿真與實(shí)驗(yàn)

　　3.1系統(tǒng)模型建立

上述被控對(duì)象的模型包括空調(diào)房間模型方程、冷凍水管路模型方程和送風(fēng)系統(tǒng)模型方程，模型中各參數(shù)的意義如下： hW—液態(tài)水焓值，T0—室外溫度，hfg—水蒸氣焓值，T2—送風(fēng)溫度，Vhe—熱交換器容積，T3—室內(nèi)溫度，V3—房間體積，f—送風(fēng)風(fēng)速，W0—室外空氣含濕量，gpm—冷凍水流量，W2—送風(fēng)空氣含濕量，M0—房間濕負(fù)荷，W3—室內(nèi)空氣含濕量，Q0—房間顯熱負(fù)荷，Cp—空氣比熱，ρ—空氣密度。

　　3.2、系統(tǒng)在Matlab環(huán)境下進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真

　　為了便于在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行預(yù)測(cè)控制效果仿真研究，網(wǎng)絡(luò)模型須采用能夠被Simulink調(diào)用的語言編寫。有兩個(gè)途徑可以實(shí)現(xiàn)：一種是利用Matlab提供的S功能，編寫S程序供Simulink仿真程序調(diào)用。另一種方法是直接用Simulink模塊搭建網(wǎng)絡(luò)模型。為了便于在仿真過程中實(shí)時(shí)調(diào)整和修改，本文采用Simulink模塊構(gòu)造可視化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，圖3為加空調(diào)房間溫度Simulink神經(jīng)模型。模型中模塊u,y為系統(tǒng)輸入，經(jīng)延遲變換輸入為;模塊yhat為模型系統(tǒng)輸出，即空調(diào)房間的溫度。

圖3空調(diào)房間溫度Simulink神經(jīng)模型

　　對(duì)于該區(qū)域房間從旱晨8時(shí)到傍晚20時(shí)對(duì)HVAC系統(tǒng)進(jìn)行控制，在此過程中假設(shè)負(fù)荷隨外在環(huán)境不斷變化，仿真結(jié)果如圖4所示，圖中橫坐標(biāo)軸為時(shí)間，縱坐標(biāo)軸取室內(nèi)空氣溫度（℃）和室內(nèi)空氣相對(duì)濕度（%）。

圖4室內(nèi)溫度、濕度控制仿真結(jié)果

　　由圖4可知，房間的溫度在人們?nèi)粘５墓ぷ鲿r(shí)段內(nèi)基本維持在24℃一27℃之間，相對(duì)濕度也保持在45%一60%之間，可以做到隨外部環(huán)境參數(shù)的變化實(shí)時(shí)調(diào)整，既滿足了舒適性的要求，又滿足了節(jié)省能耗的目的。能夠克服干擾和不確定性的影響，具有較好的魯棒性。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立的表征人體熱舒適感的PMV指標(biāo)的預(yù)測(cè)模型具有很高的準(zhǔn)確度，可以對(duì)PMV指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)基于PMV指標(biāo)的空調(diào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制，從而創(chuàng)造更加舒適健康的室內(nèi)環(huán)境。

4、結(jié)束語

　　變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制方法很多，各種新風(fēng)量的確定和控制方法都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)也是一種先進(jìn)的空調(diào)方式，在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中新風(fēng)量是一個(gè)很重要的技術(shù)參數(shù)，它對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能效果如何以及室內(nèi)空氣質(zhì)量好壞都有非常大的影響。本系統(tǒng)充分考慮到室內(nèi)空氣質(zhì)量和節(jié)能問題，與傳統(tǒng)的固定新風(fēng)量的控制方法比較，在保證室內(nèi)空氣品質(zhì)不變的前提下，這種控制方法有潛在的節(jié)能效果。