基于8051 軟核的中央空調(diào)計費系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

徐 意，沈旭東

(嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，浙江 嘉興 314000)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中央空調(diào)早已廣泛應(yīng)用于各種商業(yè)建筑物內(nèi)。然而，當(dāng)前中央空調(diào)用戶的電費大多以建筑面積的大小來定價收費。用戶無論“用多用少”，均是一個價。該計費方式不利于用戶養(yǎng)成節(jié)能意識，浪費能源，也不利于物業(yè)收取管理費［1］。當(dāng)前，中央空調(diào)計費系統(tǒng)大多采用基于總線技術(shù)的單片機(jī)系統(tǒng)，工作速度慢，精度低。本文采用以Altera 公司CYCLONEⅡ系列的FPGA 為平臺，構(gòu)建8051 軟核為控制核心，不僅具有單片機(jī)系統(tǒng)的所有優(yōu)勢，而且工作速度大大提高，實現(xiàn)中央空調(diào)計費系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計［2－3］。該設(shè)計克服了單片機(jī)系統(tǒng)冷量采集誤差大的問題，而且減少了系統(tǒng)占用面積，提高了系統(tǒng)抗干擾能力，具有較好的穩(wěn)定性［4］。

1 計量原理

集中空調(diào)系統(tǒng)運行的降溫原理是通過風(fēng)機(jī)盤管中的冷水與空調(diào)房間里的空氣換熱來實現(xiàn)，所以用戶消耗的冷量是中央空調(diào)產(chǎn)生費用的主要原因［5］。風(fēng)機(jī)盤管分散設(shè)置于空調(diào)房間，室內(nèi)負(fù)荷由機(jī)組內(nèi)盤管承擔(dān)，室外空氣過濾后經(jīng)過盤管冷卻，然后進(jìn)入空調(diào)房間，并和室內(nèi)回風(fēng)口形成對流，保持室內(nèi)空氣的潔凈，并達(dá)到所需要的溫度［6］。

用戶使用的冷量多少可由風(fēng)機(jī)盤管的入水、出水溫度差及流量來計算

式中 ρ——流水密度;

V(t)——水的流量;

T2——風(fēng)機(jī)盤管回水溫度;

T1——風(fēng)機(jī)盤管入水溫度。將式(1)離散化

2 系統(tǒng)構(gòu)建

中央空調(diào)使用費主要是由于熱交換產(chǎn)生的，故交換的冷量采集是計費系統(tǒng)的核心和計費的主要依據(jù)。冷量采集器的系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

冷量采集器采用EP2C5T FPGA 為平臺，構(gòu)建以8051 軟核為核心器件的SOC 系統(tǒng)。EP2C5T FPGA是Altera 公司推出的CYCLONEⅡ系列芯片，它內(nèi)置了8051CPU 軟核。8051 軟核處理系統(tǒng)，具有工作速度快，體積小，能耗低等一系列優(yōu)點［7］。借助倍頻技術(shù)，8051 軟核工作頻率可達(dá)200M 以上，較傳統(tǒng)的采用單片機(jī)作為采集器，大大提高了精度。在QUARTUSⅡ軟件平臺中，構(gòu)建SOC 系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 8051 軟核硬件電路圖

圖2 中，pll50 為倍頻模塊，通過倍頻，可使單片機(jī)工作在200 M 以上的頻率，這是傳統(tǒng)單片機(jī)遠(yuǎn)不能達(dá)到的工作速度，也是基于8051 軟核單片機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。ram256 為單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲器，共256 KB，8 位地址線。rom4 kb 為單片機(jī)的程序存儲器，根據(jù)需要最大可擴(kuò)展至64 kb，本系統(tǒng)擴(kuò)展了4 kb，12 根地址線?；?051 軟核單片機(jī)系統(tǒng)輸入/輸出接口是獨立的，P0I［0．．7］～P3I［0．．7］為輸入接口，采集外部數(shù)據(jù)，P00［0．．7］～P30［0．．7］為輸出接口，控制外部對象。

風(fēng)機(jī)盤管入水溫度T1和回水溫度T2采用PT1000 溫度傳感器檢測，PT1000 為鉑熱電阻，它的電阻值隨溫度的變化而變化。溫度傳感器的輸出經(jīng)過電子電路信號處理，共模數(shù)轉(zhuǎn)換器變換后送入EP2C5T FPGA 處理。流量計采用脈沖輸出形式，脈沖輸出的頻率與流量成正比，輸出信號可直接供FPGA 輸入。

電動兩通閥用于控制風(fēng)機(jī)盤管的流水，它由室內(nèi)溫度和設(shè)定溫度共同決定，當(dāng)室內(nèi)溫度高于(低于)設(shè)定溫度時，電動兩通閥打開，風(fēng)機(jī)盤管與室外空氣進(jìn)行冷量的交換，達(dá)到降溫(升溫)的目的，否則電動兩通閥關(guān)閉。電動兩通閥關(guān)閉器件，不進(jìn)行流量和流水溫度的采集，不發(fā)生冷量交換和電費。

3 軟件設(shè)計

基于8051 軟核單片機(jī)系統(tǒng)的程序設(shè)計與傳統(tǒng)的單片機(jī)程序設(shè)計是一樣的。用戶編寫的程序，經(jīng)過Keil 軟件編譯產(chǎn)生的． hex 目標(biāo)文件由圖2 中的rom4kb 程序存儲器調(diào)用執(zhí)行。按照模塊化設(shè)計和自頂而下設(shè)計思路完成系統(tǒng)的程序設(shè)計，主要包括主程序、顯示子程序和2 個定時/計數(shù)器中斷服務(wù)程序。主程序負(fù)責(zé)對溫度傳感器DS18B20 的數(shù)據(jù)采集，以及相關(guān)數(shù)據(jù)的計算和顯示，流程圖如圖3 所示。顯示子程序負(fù)責(zé)顯示中央空調(diào)用戶使用冷量及電費等信息。中斷服務(wù)程序0 負(fù)責(zé)流量計的脈沖采集，按照固定時間(1 ms)里對脈沖計數(shù)的方法來確定脈沖頻率，進(jìn)而計算流量，固定定時時間由T1 控制。中斷服務(wù)程序1 讀取A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果，定時采集風(fēng)機(jī)盤管的入水、回水溫度，流程圖如圖4 所示。

根據(jù)風(fēng)機(jī)盤管入水溫度T1、回水溫度T2和流量V(t)，可以計算出單位時間內(nèi)交換的冷量。在電動兩通閥導(dǎo)通時，冷量采集器實時采集上述數(shù)據(jù)，累積計算冷量，并計算出電費，在終端設(shè)備上顯示。同時，將相關(guān)數(shù)據(jù)送上位機(jī)儲存和顯示［8］。

圖3 主程序流程圖

4 調(diào)試

根據(jù)上述硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計流程，冷量采集器就可以根據(jù)溫度傳感器、流量計等采集的數(shù)據(jù)，計算出交換的冷量，并以此為主要依據(jù)計算電費［9］。試驗中，選取了2 個節(jié)點(面積、溫濕度相仿的房間)作為對照，空調(diào)分別運行10 min 和20 min，觀察交換的冷量和電費數(shù)據(jù)變化情況。觀察界面采用QUARTUSⅡ軟件中的SignaltapⅡ邏輯分析儀，它可以動態(tài)的顯示CPU 中存儲器的變化，如圖5 所示。圖中，地址為0020H－0023H 和0024H－0027H分別儲存的是兩個節(jié)點的冷量交換量，地址為0030H－0033H 和0034H －0037H 分別儲存的是計算所得電費，數(shù)據(jù)都以實數(shù)形式儲存，占用4 個儲存單元。0020H －0023H 儲存的數(shù)據(jù)是4A、D2、E9、C0，對應(yīng)的實數(shù)是6．9112 ×106J，是運行過程中的一個狀態(tài)數(shù)據(jù)，0024H －0027H 儲存的數(shù)據(jù)是4B、3F、6F、D0，對應(yīng)的實數(shù)是12．546 ×106J。兩個房間的冷量消耗量近似為2 倍，驗證了采集器的采集精度?？照{(diào)停止時，數(shù)據(jù)幾乎保持不變，表示不再發(fā)生冷量交換，空調(diào)運行時，該數(shù)據(jù)不斷增大，對應(yīng)的電費也不斷增加。據(jù)此計費系統(tǒng)控制運營的兩個節(jié)點所消耗的電費總和與總表電費總額消耗量十分接近，表明此計費系統(tǒng)的運行，相對傳統(tǒng)計費系統(tǒng)，具有較好的優(yōu)越性，使中央空調(diào)的計費有據(jù)可依。

圖4 中斷服務(wù)程序1 流程圖

圖5 SignaltapⅡ邏輯分析儀觀察界面

5 結(jié)束語

針對當(dāng)前中央空調(diào)計費誤差大、系統(tǒng)工作不穩(wěn)定等問題，提出基于8051 軟核的中央空調(diào)計費系統(tǒng)設(shè)計。該方案以8051 軟核為控制核心，實時、快速的采集冷量交換量，控制電動兩通閥的通斷，具有計費精度高、方便集成、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，優(yōu)化了傳統(tǒng)中央空調(diào)計費系統(tǒng)，具有較好的應(yīng)用前景。

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