基于SET舒适指标的控制器

粟烨岭

1 概述

能源是发展国民经济,改善人民生活水平的重要物质基础。能源的不足严重影响人类文明的进步。随着社会的不断发展,能源在不断消耗,不可再生资源越来越少,可再生资源不断地被破坏,能源问题已经成为全球关注的焦点。全球50%的能源被消耗在建筑当中,而空调在建筑中所消耗的能量在建筑能耗当中占绝大部分。因此,如果可以减少空调的开启时间,通过合理地利用自然通风和电扇调风来满足室内的舒适度,这样节省的电量将是非常乐观的,促使建筑节能的实现向前迈出了一大步。

在夏季,通过使用基于舒适指标SET的控制器来实现室内热舒适的控制,与传统的单纯依靠开启空调来实现室内的热舒适相比较,在满足室内热舒适的前提下,该控制器的使用能够很好的实现节能。

2 舒适指标SET控制器的模型建立

基于舒适指标SET控制器是通过VB编程来实现的。控制器是以PC机为核心,主机与控制终端之间用串口传输数据。这是属于上位机与下位机的通信,PC是上位机,控制终端是下位机。

该控制器的控制模型具有以下两个子系统:

1)PC的程序系统,用VB编程实现,对舒适指标SET进行计算,输出的控制信号通过串口传输到控制终端。

2)控制终端的信号接收系统,通过串口适配器接收主机传来的控制信号,并将各执行命令传输给电扇和空调。

控制终端的模型包括两个模块:一部分是命令执行模块,另一部分是数据采集传输模块。控制终端中的命令执行模块包括三部分电路:可控硅触发电路、过零检测电路和红外发射电路。可控硅触发电路是用于控制电扇的开启以及转速的调节,当单片机输出高电平,光耦被触发,可控硅被触发导通,风扇工作,输出低电平则相反。过零检测电路是对风扇的调速起到协助控制的作用。红外发射电路是用于控制空调的运行状况,单片机控制红外发射管发射出红外信号,从而控制空调的运行。控制终端中的数据采集传输模块包括三部分电路:RS232通信电路、温湿度检测电路和风速检测电路。RS232通信电路是电平转换电路,用于实现与PC的通信。温湿度检测电路是用于检测室内外的温度和湿度,并将采集得到的信号传输给控制芯片,再由控制芯片通过RS232通信电路与PC实现通信。风速检测电路是用于检测室内外的风速大小,并将采集得到的信号传输给控制芯片,再由控制芯片通过RS232通信电路与PC实现通信。

3 基于舒适指标SET控制器参数的采集和控制原理

3.1 基于SET指标控制器系统的设计

通过对基于SET指标控制器的系统设计,最终要实现对实验环境参数:空气温度、相对湿度、平均辐射温度和风速的测量和控制,用VB编程的SET计算程序计算室内外的SET值,并由控制器发出指令,联动控制电扇和空调,并作出是否开窗引入自然通风的指令。图1,图2分别是控制器的控制方式和控制策略。

3.2 基于SET指标控制器系统的硬件组成

1)控制器与传感器。中心控制PC机为Intel奔腾(R)Core(TM)2,CPU1.80 GHz,240 G硬盘,2 G内存。SET控制器共用到两组温湿度传感器、两组风速传感器和两组铜—铜镍热电耦。温湿度传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件,并在同一芯片上,与14位的A/D转换器以及串行接口实现无缝连接。温湿度传感器输出电压2.4 V～5.5 V;湿度可检测范围0%～100%,测量精度不大于±1.8%;温度可检测范围-40℃～123.8℃,测量精度不大于±0.3℃。两组风速传感器的测试原理都是基于热膜风速原理,风速传感器输出电压24 V DC,输出为4 mA～25 mA标准信号,其中测试室内风速的风速传感器的可检测范围 0 m/s～3 m/s,测量精度±0.06 m/s;测试室外风速的风速传感器的可检测范围0 m/s～10 m/s,测量精度±0.2 m/s。2)数据采集仪与热电耦。铜—铜镍热电耦(T型热电耦)是一种最佳的测量低温的廉金属的热电耦。它的正极(TP)是纯铜,负极(TN)为铜镍合金。铜—铜镍热电耦是用于测试室内外的平均辐射温度,与安捷伦数据采集仪相连接,安捷伦数据采集仪再直接与中心控制机PC机通过串口连接。铜—铜镍热电耦的测量温区为-200℃～350℃,测量精度±0.5℃。3)SET控制器。SET控制器采用高性能、低能耗的AVR ATmega8单片机。它是低功耗8位CMOS微控制器。ATmega8的数据吞吐量可以高达1 MIPS/MHz。先进的RISC结构包括130条指令、32个8位通用工作寄存器、工作于16 MHz时性能高达16 MIPS等。它还具有23个可编程的I/O口,28引脚PDIP封装,32引脚TQFP封装,32引脚MLF封装。工作电压4.5 V～5.5 V,速度等级为 0 MHz～ 16 MHz。

3.3 控制系统软件

基于SET指标控制系统软件采用Visual Basic 6.0可视化程序设计语言编程,软件采用了Windows图形界面的风格,以多级菜单和窗口实现控制方式、控制对象、控制值的选择和输入。基于SET指标控制器系统软件操作界面见图3,所测得的所有数据会以Excel的形式每5 s自动存储下来。

4 结语

本课题通过对基于SET指标控制器的制作,实现了室内热环境的测量,通过自然通风、电扇调风以及空调的联动控制实现热舒适的控制,为节能的研究提供了重要条件。

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