節(jié)能減排視閾下智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

謝思聰，陳守陽(yáng)，李 雪，謝雨欣，朱熹妍

（湖南科技大學(xué)，湘潭 411100）

家庭生活、辦公環(huán)境中對(duì)于空調(diào)的利用率逐步提高，而空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行將會(huì)產(chǎn)生較大的能源消耗，根據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截止到2017年上半年，全國(guó)空調(diào)銷量達(dá)到了7922萬(wàn)臺(tái)，應(yīng)用空調(diào)產(chǎn)生的耗電量可謂驚人。當(dāng)前社會(huì)領(lǐng)域倡導(dǎo)節(jié)能減排，過(guò)高的電能消耗不僅會(huì)給使用者造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，也有悖于減少能源消耗的社會(huì)發(fā)展理念，設(shè)計(jì)智能溫度控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)需求進(jìn)行智能化溫度控制，從而實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的合理運(yùn)行，以達(dá)到減少能源消耗的目的。

1 智能溫度控制系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 溫度采集

通過(guò)溫濕度傳感器（SHT20）及其采集電路，采集當(dāng)前環(huán)境的溫度信息（模擬信號(hào)），將采集到的模擬信號(hào)通過(guò)STM8L051F3芯片，轉(zhuǎn)變?yōu)镕PGA可接收、處理的數(shù)字信號(hào)，可直接得出當(dāng)前環(huán)境的溫濕度值，通過(guò)溫濕度來(lái)控制空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)，精度為正負(fù)0.3度。

1.2 定時(shí)器

FPGA的全局相環(huán)PLLs輸出時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)分頻作為定時(shí)器的時(shí)鐘來(lái)源，程序設(shè)定在某些時(shí)間段內(nèi)斷開電腦、燈、風(fēng)扇等電器的繼電器開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)省電能的目的[1]。

1.3 觸發(fā)式語(yǔ)音播報(bào)

觸發(fā)式語(yǔ)音播報(bào)模塊使用自制語(yǔ)音，喇叭參數(shù)：0-3瓦 4-8歐（音量可調(diào)），通過(guò)SPI協(xié)議讀取SD內(nèi)存卡的WAV音頻文件，再將文件解碼后即可輸出聲音信號(hào)，SD內(nèi)存卡的文件系統(tǒng)為FAT32文件系統(tǒng)，配合音頻放大器，可以清晰地播放高清音頻。簡(jiǎn)單的Windows PCM格式的WAV文件。是對(duì)聲音信號(hào)按一定頻率進(jìn)行采樣所獲得的數(shù)據(jù)，再加上WAV信息頭而得到的。比如對(duì)一路聲音信號(hào)以4KHz頻率采樣，采樣數(shù)值以8位（一字節(jié)）方式保存，則最終的WAV文件就是單聲道4KHz、8位PCM格式的WAV文件，其速率為32kbps。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)音頻播放時(shí)，只要將WAV文件中的音頻數(shù)據(jù)逐個(gè)讀出，按4KHz頻率送給D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即可還原為音頻信號(hào)，再通過(guò)信號(hào)放大電路和喇叭進(jìn)行聲音播放.SD卡是一種基于NAND Flash的儲(chǔ)存卡，由于它具有安全性高、容量大、體積小、功耗小、非易失性等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。SD卡采用SPI方式與單片機(jī)接口通信，只需要四根信號(hào)線：CS、CLK、DI和DO。CS在整個(gè)SPI操作過(guò)程中，必須保持低電平有效；CLK用于同步；DI不但傳輸數(shù)據(jù)，還發(fā)送命令；DO除了傳輸數(shù)據(jù)外，還發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。將單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2、P1.4分別接到SD卡的CLK、DO、DI、CS端，以軟件模擬方式實(shí)現(xiàn)工作時(shí)序，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)主控對(duì)SD卡的讀/寫操作。D/A轉(zhuǎn)換器采用TLC5615，它是一種串行10位DAC芯片，只需要3根串行信號(hào)線就可以完成與單片機(jī)主控相接。TCL5615采用12位數(shù)據(jù)序列工作方式，在CS位低電平期間，由時(shí)鐘信號(hào)SCLK控制串行數(shù)據(jù)DIN向16位移位寄存器依次輸入10位有效數(shù)據(jù)位和低2位填充位，高位在前，低位在后，需要12個(gè)SCLK時(shí)鐘周期完成一次數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)字量與模擬電壓呈線性關(guān)系。觸發(fā)式語(yǔ)音播報(bào)模塊的運(yùn)行原理如圖1所示：

圖1 觸發(fā)式語(yǔ)音播報(bào)模塊的運(yùn)行原理

1.4 FPGA

整個(gè)系統(tǒng)的主控芯片采用FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，F(xiàn)PGA在結(jié)構(gòu)上由邏輯功能塊排列為陣列，并且有可編程的內(nèi)部連線連接功能塊實(shí)現(xiàn)一定的邏輯功能。FPGA由掩膜可編程門陣列可編程邏輯器件演變而來(lái)，它具有門陣列的高邏輯密度和通用性，還具有用戶可編程的特性。AX301型FPGA芯片有6272個(gè)邏輯單元LEs，270K內(nèi)存空間，2個(gè)鎖相環(huán)PLLs，10個(gè)時(shí)鐘單元Global Clock Networks。利用功率繼電器的通斷作為自動(dòng)開關(guān)，控制設(shè)定值與控制輸入量的關(guān)系，通過(guò)串口模塊和上位機(jī)進(jìn)行通訊，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在用戶操作界面進(jìn)行在線修改、時(shí)間采樣、圖形顯示、數(shù)據(jù)保存等功能[2]。

2 智能溫度控制系統(tǒng)的供電方案設(shè)計(jì)

供電部分采用家用交流電，通過(guò)整流電路、降壓電路、穩(wěn)壓電路、濾波電路給各部分供電，保障節(jié)能系統(tǒng)正常工作，整流電路主要由1N5822二極管組成，降壓電路主要為變壓器，穩(wěn)壓電路采用了LM1117、L7805CV和L7809CV穩(wěn)壓管，濾波電路為并聯(lián)電容，由于單個(gè)穩(wěn)壓管功率有限，所以穩(wěn)壓電路為穩(wěn)壓管群，可以為系統(tǒng)提供足夠電能。

3 結(jié)束語(yǔ)

智能溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)溫度的智能化控制，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)控空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)，溫度傳感器、電源管理、語(yǔ)音播報(bào)以及FPGA為主要構(gòu)成部分，合理的供電方案設(shè)計(jì)是保證系統(tǒng)有序運(yùn)行的關(guān)鍵，智能溫度控制系統(tǒng)在樓宇工程領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用空間。