CN201126229Y - 自动换气空调设备的节能控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种自动换气空调设备的节能控制器，它包括由单片机(U1)构成的主控单元和以主控单元为核心所配置的室内温度检测单元、操作与显示单元及驱动输出单元，其特征是还包括与主控单元中单片机的输入/输出口连接的室外湿度检测单元和室外温度检测单元，所述的单片机(U1)将检测到的室外温度和湿度参数与设定的室内热舒适度参数进行比较、判断，通过驱动输出单元驱动控制空调压缩机和换气风机的启动或停止。当室外空气的热舒适度满足要求时，本实用新型所述的节能控制器可将室外空气送入室内以调节室内空气的热舒适度，不仅可大幅度节约电能，而且全过程自动化，既省钱也省心。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种空气调设备的控制装置，具体涉及具有换气功能的空调设备的控制器。
背景技术
在现有技术中，调节室内空气的热舒适性基本上是采用空调设备或空调设备加增湿/除湿设备的方案。由于房屋的热惯性，而现有空调器的控制过程又只采集室内参数而不考虑室外热舒适参数，往往出现室外的空气已经很舒适了，但室内仍然开着空调和增湿/除湿设备，这显然是一种浪费。尽管空调的使用者也意识到这一点，但往往由于未及时地觉察到，或者是打开门窗自然通风的速度较慢，一些人仍然宁愿选择浪费，尤其是在物质条件比较优越的今天。现有的空调设备，无论是窗式的一体机还是，还是壁挂式的分体机，都有增设通风换气风机的技术方案，但都为了改善室内空气品质而设置的，只要室内的空气品质符合要求，它就不会自动开启，因此在没人工干预的情况下，所增设通风换气的风机，对节约能源，减少浪费，并未发挥积极的作用。国知局1995年6月28日授权公告的一种“节能温度控制器”(授权公告号为CN 2202272Y)实用新型专利，该专利方案由室内、外两个温度探头比较控制开关电路组成，它与换气扇串联使用能根据室内外气温的不同变化情况，自动开启或关闭换气扇进行换气。但是该实用新型专利的技术方案明显存在下述不足：1、该专利文件提示，所述的控制器与空调机配合使用在保持合适室内温度的条件下，可最大限度缩短空调机的工作时间，大大降低能耗，但是实际上是不能如愿的，因为在换气扇将室外的空气向室输送的同时，室内的空气必然要从门缝或窗缝或其它缝隙中向外排，实际上空调冷却或加热的是流动的空气，显然当空调的功率不是足够大时，房间内的温度永远达不到使用者的舒适度要求，而且非但不节能，还造成能源的浪费。即使是空调的功率足够大，也会延长工作时间，一方面不能即时为用者提供舒适的温度，另一方面还浪费能源。2、在人工的干预下先开换气扇换气，当室内外温度平衡时，再关打换气扇打开空调，虽然可节能，但一则不能为用者即时提供舒适的环境，二则达不到设计者使其自动工作的目的，尤其是在用者休息或埋头工作时问题就更为突出。3、该专利方案仅设有室外湿度传感器，因此输送到室内的空气往往过于干燥或潮湿，仍不能为用者创造出热舒适度良好的环境。
发明内容
鉴于现有技术存在上述不足，本实用新型的目的是提供一种自动换气空调设备的节能控制器，该控制器既能为用者创造出热舒适度良好的环境，又节约电能。
本实用新型实现上述目的的技术方案是：
一种自动换气空调设备的节能控制器，它包括由单片机(CPU)构成的主控单元和以主控单元为核心所配置的室内温度检测单元、操作与显示单元及驱动输出单元，其特征是还包括与主控单元中单片机的输入/输出口(I/O口)连接的室外湿度检测单元和室外温度检测单元，所述的单片机将检测到的室外温度和湿度参数与设定的室内热舒适度参数进行比较、判断，通过驱动输出单元驱动控制空调压缩机和换气风机的启动或停止。当室外的温度和湿度参数处于美国暖通、空调、制冷工程师学会公布的ASHRAE STANDARD 55-74标准规定的热舒适度区域内(参见说明书附图的图10)，便关闭空调压缩机，同时打开换气风机将室外的空气向室内输送，调节室内空气的热舒适度，反之则开启空调压缩机，同时关闭换气风机，采用空调来对室内空气进行冷却或加热，调节室内空气的温度。
为了保证室内空气品质，本实用新型所述的节能控制器还包括室内二氧化碳检测单元，该单元也与主控单元中单片机的输入/输出口连接，所述的单片机将检测到的室内二氧化碳含量与设定的二氧化碳含量进行比较、判断，通过驱动输出单元驱动换气风机。当室内空气中二氧化碳含量高于国标规定的室内空气中的二氧化碳含量，便开启换气风机，补充新鲜空气，使室内空气中二氧化碳含量降到国标规定的范围内，反之则关闭换气风机。
为了提高计算精度，本实用新型所述的节能控制器，其中所述的室外湿度检测单元和室外温度检测单元以及二氧化碳检测单元与单片机的输入/输出口之间还分别设有一A/D转换单元，每A/D转换单元均为一精度为12位的A/D转换器，它先将室外湿度检测单元和室外温度检测单元以及二氧化碳检测单元输出的信号进行A/D转换后再送入单片机进行比较、判断。
为了减少A/D转换器的数量，降低成本，上述方案还可进行如下的改进：即先将室外湿度检测单元、室外温度检测单元和室内二氧化碳检测单元的多路并行信号通过一由多选一模拟开关连接构成的分时采样控制单元转换成串行信号，再经所述的精度为12位的A/D转换器转换后送到单片机的输入/输出口。所述信号的并/串行转换过程，由所述的单片机控制多选一模拟开关分时选通实现。
由于一些廉价的单片机，往往数据的存储容量较小，因此本实用新型所述的控制器还可以包括一随机存储单元，该单元由一片RAM存储器接成I2C总线方式，其数据交换口分别与主控单片机的一输入/输出口连接，RET端与主控单片机的复位端连接，以扩展主控单片机的内部存储空间。
由于本实用新型所述的控制器利用单片机将室外湿度检测单元和室外温度检测单元采集到的室外空气的温度和湿度参数与设定的室内热舒适度参数进行比较、判断，进而分别控制空调压缩机和换气风机的开启或关闭，当室外空气的热舒适度满足要求时，可自动地将室外空气送入室内以调节室内空气的热舒适度。由此可见，本实用新型所述的控制器不仅可大幅度节约电能，而且全过程自动化，使用者既省钱也省心。本实用新型所述的控制器的再一突出的实质性特点是拓展了原来空调系统中的换气风机的用途，将只有改善室内空气品质的作用拓展到用于调节室内空气的热舒适度，实现一机多用。本实用新型的进一步改进方案，利用二氧化碳检测单元来检测室内的二氧化碳含量，使空调的换气功能得以自动化，用者无论是在熟睡还是在埋头工作，都不用担心室内空气品质的恶化。
附图说明
图1～7是本实用新型的一个具体实施例的电原理图，其中图1为主控单元的电原理图，图2为随机存储单元的电原理图，图3为继电器驱动单元的电原理图，图4为交流PWM输出单元的电原理图，图5为多路采样单元、分时采样控制单元和A/D转换单元的电原理图，图6为操作与显示单元的电原理图，图7为稳压电源电路的电原理图。
图8为图1～7所示实施例的电原理框图；
图9为图1～7所示实施例控制方法的流程图；
图10为美国暖通、空调、制冷工程师学会公布的ASHRAE STANDARD 55-74标准规定的热舒适度区域图。
具体实施方式
参见图8，本实施例以主控单元为核心配置的由室外湿度检测单元、室外温度检测单元、室内温度检测单元和室内二氧化碳检测单元组成的多路采样单元以及分时采样控制单元、A/D转换单元、操作与显示单元、驱动输出单元、随机存储单元、驱动输出单元和稳压电源电路组成，各单元电路的同名端相连。以下参照图1～7，分别叙述各单元电路的组成和工作原理。
参见图1，所述的主控单元是由增强型51系列单片机89C52(U1)组成一最小控制系统。所述的单片机U1的P0口提供七段LED的段控制信号，通过8个电阻RL1～RL8连接到七段LED(见图6)。单片微机U1的P2.7端口作为按键输入端口，经过一个施密特反相触发器U3一个单元U3F与按键公共端连接，以扫描方式检测按键输入。
参见图2，所述的随机存储单元由一片RAM存储器CAT201(U2)接成I2C总线方式，RAM存储器U2的STA和SCL口与单片机U1的P1.5和P1.6端口连接，以扩展单片机U1的内部存储空间。CAT201芯片内置看门狗功能，可提高运行可靠性。
参见图3和图4，所述的驱动输出单元由继电器驱动单元和交流PWM输出单元组成。其中继电器驱动单元是由达林顿电子开关模块2003(U4)和串联在其主回路中的继电器S1～S4的线圈组成4路驱动电路，U4芯片中的输入经40106芯片(U3)与单片机U1的P1.0～P1.3端口连接，由单片机U1提供输出继电器控制信号，经达林顿电子开关模块U4放大后通过继电器S1～S4控制空调设备的压缩机启停、室内机冷凝器风机、换气风道中的新风阀和室外机四通阀。单片机U1的输出信号经过芯片U3(U3A～U3D)与U4连接，是考虑到单片机89C52在上电的一瞬间，其I/O口会输出一高电平脉冲，经过U3反相后可避免开机上电时导致继电器S1～S4误动作(参见图3)。所述的交流PWM输出单元由光电隔离开关和交流电源过零信号检测电路组成，其中所述的光电隔离开关由双向晶闸管Q2和设在其控制极上的光电耦合器UT1(MOC3022)组成，所述的交流电源过零信号检测电路由光电耦合放大器Ud1(P521)和一路六施密特反相触发器U3E连接组成。所述的光电隔离器UT1的输入端与单片机U1的P1.4端口连接，单片机U1输出PWM信号，经光电耦合器UT1耦合到双向晶闸管Q2的控制极，控制空调设备的换气风机，实现换气风机的启、停和调速；所述的交流电源过零信号检测电路中光电耦合放大器Ud1的L端和N端与换气风机的交流电源连接，当交流电过零时，光电耦合放大器Ud1输出一负脉冲，该负脉冲经一路六施密特反相触发器U3E送到单片机U1的P3.2中断输入口，以实现PWM同步触发(参见图4)。
参见图5，所述的多路采样单元由四只采样电阻Ri1～Ri4和四只限流电阻Ri5～Ri8两两连接组成四路电流采样电路和分别接在该四路电流采样电路的采样点A11、A12、A13、A14上的室外湿度传感器、室外温度传感器、室内温度传感器、室内二氧化碳传感器(该四只传感器图中未显示)组成。其中所述的室外湿度传感器与采样电阻Ri1和限流电阻Ri5组成室外湿度检测单元，室外温度传感器与采样电阻Ri2和限流电阻Ri6组成室外温度检测单元，室内温度传感器与采样电阻Ri3和限流电阻Ri7组成室内温度检测单元，室内二氧化碳传感器与采样电阻Ri4和限流电阻Ri8组成室内二氧化碳检测单元。上述的四只传感器均选用市场上购买的标准器件，如：室外温度传感器和室内温度传感器均选用TE200/500型温度传感器，其内部设有变送器，可输出4-20mA电流信号；室外湿度传感器选用RH100型湿度传感器，其内部设有变送器，可输出4-20mA电流信号；室内二氧化碳传感器选用VC1008-BD型二氧化碳(CO2)感应器，其内部也设有变送器，可输出4-20mA电流信号。
参见图5，所述的分时采样控制电路由八选一模拟开关4051芯片U8连接构成，U8芯片中的四个开关单元的输入端(X0～X3)分别与多路采样电路中的一个采样点A11、A12、A13或A14连接，U8芯片的地址控制端(A、B、C)分别接在单片机U1的P3.5、P3.6、P3.7端口上，由单片机U1进行分时选通控制。
参见图5，所述的A/D转换单元由A/D转换器MCP3221(U7)担任，A/D转换器U7的输入端与八选一模拟开关U8的输出端连接，输出端与主控单片机U1的P3.3、P3.4端口连接。工作时，由主控单片机U1控制八选一模拟开关U8选通，将室外空气温度、室外空气湿度、室内空气温度、室内空气CO2浓度的模拟信号进行A/D转换后送入主控单片机U1。为了保证A/D转换器U7的稳定工作，进一步提高A/D转换精度，本实施例中A/D转换器U7配有专用精密稳压源MCP1541(Va)。
参见图6，所述的操作与显示单元由5个7段LED1和LED2数码芯片、4个按键及其外围电路组成，LED1和LED2数码芯片的段选信号端通过电阻RL1～RL8与单片机的P0口连接，直接由主控单片机U1提供段选信号；LED1和LED2芯片的位选信号端通过放大电路(QL1～QL5)与单片机U1的P2.0～P2.4端口连接，由单片机U1提供LED1和LED2的位选信号。4个按键的公共端经过一路六施密特反相触发器U3F与单片机U1的P2.7端口连接，单片机U1采用扫描方式读入按键信息，由P2.0～P2.3端口输出低电平扫描信号，如果扫描周期内有按键操作，则单片机U1的P2.7端口将有低电平输入，可触发按键处理程序。
参见图7，所述的稳压电源电路由稳压模块LM7805CT(V1)和外围元件连接成常规的稳压电源，由DC 12V开关电源供电，经过常规的稳压模块LM7805CT为单片机U1和所有的外围单元电路提供DC 12V和DC 5V工作电压。
以下结合附图简要说明本实用新型的控制流程，以便公众理解本实用新型所具有的优点和效果。参见图9并结合图10，本实用新型的控制流程如下所述：
本装置设置温度调节运行、换气运行、新风运行三种模式，模式选择与参数设定等操作由按键输入，并在LED显示相应的信息，完成参数设定与运行模式选择后，控制器进入相应的处理程序，采集环境参数，与设定的参数比较，根据二者差值，控制和调节压缩机、换气风机的运行。三种运行模式处理简要说明如下。
1、温度调节模式：
温度调节模式具备一般空调器的基本功能控制程序比较来自室内温度实测参数值和设定的目标值，在室内温度超出设定允许的范围时时，启动空调系统运行。
2、换气模式
换气模式以充分利用室外空气参数实现节能运行为目标。ASHRAE STANDARD 55-74(见图10)提供的人体热舒区参数预先存储在CPC的ROM中，单片机检测室外空气温、湿度参数，如果室外温湿度参数处于ASHRAE STANDARD 55-74提供的人体热舒适区时，自动进入换气模式，关闭空调机组运行，启动换气风机、充分利用室外空气，满足室内环境的舒适性要求，实现节能运行。换气模式下，根据室内温度变化和室内温度参数的设定值，由装置内设计PWM输出信号控制新风机转速，满足室内温度目标要求。
为满足使用要求，提供换气模式手动选择，可以手动控制选择是否运行换气模式。不选择换气模式时，按空调模式运行。
3、新风模式
新风模式以满足室内CO2浓度为目标。控制程序比较来自室内空气中的CO2浓度实测值与设定的CO2浓度目标值，计算实测的CO2浓度与设定值之间的误差以及误差变化率，由主控单片机P1.4端口输出可控硅触发信号，得到PWM信号，控制换气风机的转速，向室内送入适量的新风；即新风调节程序可以根据室内空气中的CO2浓度调节送入的新风量，可避免送入的新风量过大，浪费能源，实现节能运行。在室内CO2浓度符合国家标准时，终止新风模式，关闭换气风机。为满足使用要求，提供新风模式手动选择，可以手动控制选择是否运行新风模式。不选择新风模式时，按空调模式运行。
Claims (5)
1、一种自动换气空调设备的节能控制器，它包括由单片机(U1)构成的主控单元和以主控单元为核心所配置的室内温度检测单元、操作与显示单元及驱动输出单元，其特征是还包括与主控单元中单片机的输入/输出口连接的室外湿度检测单元和室外温度检测单元，所述的单片机(U1)将检测到的室外温度和湿度参数与设定的室内热舒适度参数进行比较、判断，通过驱动输出单元驱动控制空调压缩机和换气风机的启动或停止。
2、根据权利要求1所述的一种自动换气空调设备的节能控制器，其特征是该节能控制器还包括室内二氧化碳检测单元，该单元也与主控单元中单片机(U1)的输入/输出口连接。
3、根据权利要求2所述的一种自动换气空调设备的节能控制器，其特征是所述的室外温度检测单元和室外湿度检测单元以及室内二氧化碳检测单元的输出端与单片机(U1)的输入/输出口之间还分别设有一A/D转换单元，每一A/D转换单元均为一精度为12位的A/D转换器(U7)。
4、根据权利要求3所述的一种自动换气空调设备的节能控制器，其特征是所述的室外温度检测单元、室外湿度检测单元、室内二氧化碳检测单元与A/D转换器(U7)之间设有一多选一模拟开关(U8)，该开关的输入端分别与室外温度检测单元、室外湿度检测单元、室内二氧化碳检测单元的输出端连接，输出端与一A/D转换器(U7)输入端连接，控制端(A、B、C)分别与单片机(U1)的一输入/输出口连接。
5、根据权利要求1～4之一所述的一种自动换气空调设备的节能控制器，其特征是该节能控制器还包括一随机存储单元，该单元由一片RAM存储器(U2)接成I2C总线方式构成。
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