暖通空調(diào)系統(tǒng)中溫控器的硬件與通信電路設(shè)計(jì)

王方宇

（合肥市軌道交通集團(tuán)有限公司，安徽 合肥）

溫控器是暖通空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，具有室內(nèi)溫度、濕度的檢測(cè)和處理功能，并將處理結(jié)果發(fā)送至制冷、制熱設(shè)備或風(fēng)扇，從而達(dá)到溫濕度調(diào)控的目的。本文在設(shè)計(jì)溫控器時(shí)，除了關(guān)注常規(guī)的溫濕度調(diào)控功能外，還加入了CA 故障診斷電路，與RS485 通信電路配合，可以將故障診斷結(jié)果實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在LCD 顯示屏上。工作人員通過(guò)人機(jī)交互界面除了了解當(dāng)前的溫濕度信息，還能獲取故障信息，進(jìn)一步提高了溫控器的實(shí)用性。

1 溫控器的整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的暖通空調(diào)溫控器主控芯片采用KL36DN 微控制器，具有較強(qiáng)的兼容性和可擴(kuò)展性；工作電壓24 V 交流電，溫控精度±0.1 ℃，溫度設(shè)置范圍5～40 ℃；預(yù)留濕度檢測(cè)功能，檢測(cè)范圍0～100%。該溫控器包含6 個(gè)實(shí)體按鍵，分別為菜單鍵、模式鍵、程序鍵、溫度上升/下降鍵、背光鍵、風(fēng)扇設(shè)置鍵；支持RS485 和24V AC 兩種有線通信模式。除了用于檢測(cè)室內(nèi)溫濕度外，還具有LCD 顯示、智能調(diào)控、定時(shí)啟停等功能，整體結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 溫控器功能模塊結(jié)構(gòu)

2 溫控器的硬件設(shè)計(jì)

2.1 背光電源設(shè)計(jì)

為了方便用戶在夜晚操作，本文在設(shè)計(jì)溫控器時(shí)增加了1 個(gè)LED 用作背光照明，使用TPS61042 驅(qū)動(dòng)芯片為L(zhǎng)ED 提供恒流電源，并且支持過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)。恒流調(diào)節(jié)范圍為1.5 V～6.0 V，調(diào)節(jié)原理為：設(shè)定LED 工作的電壓閾值，當(dāng)反饋電壓值低于設(shè)定的閾值下限1.5 V 時(shí)，內(nèi)部開(kāi)關(guān)管從斷開(kāi)轉(zhuǎn)為閉合，此時(shí)電感充電、電流上升，相應(yīng)的電壓也會(huì)增加。當(dāng)電壓達(dá)到參考值3.3 V 后，開(kāi)關(guān)管從閉合轉(zhuǎn)為斷開(kāi)，電感電流經(jīng)過(guò)肖特基二極管進(jìn)入到輸出端。同樣的，當(dāng)反饋電壓超出設(shè)定的閾值上限6.0 V 時(shí)，與電容串聯(lián)的開(kāi)關(guān)管閉合，電容吸收多余功率后使電壓降低。當(dāng)電壓達(dá)到參考值3.3 V 后，開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)，達(dá)到穩(wěn)壓恒流效果[1]。

2.2 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

該電路的核心元件是熱敏電阻，其電阻值與溫度呈反比，即溫度越高、電阻越小。溫度檢測(cè)電路如圖2 所示。

圖2 溫度檢測(cè)電路

如圖2 所示，當(dāng)溫度檢測(cè)電路上電后，電容C12和C13 的初始電壓較低，此時(shí)U7B 正輸入端（+）的電壓要高于負(fù)輸入端（-）的電壓，在U7B 的輸出端輸出一個(gè)高電平。其中，正輸入端的電壓由鄰近的4 個(gè)電阻決定，分別是上拉電阻R10、上拉電阻（R12+R13），以及下拉電阻R11。此時(shí)正輸入端的電壓為0.57 Vdd。

同時(shí)，Vdd 還會(huì)通過(guò)R13 對(duì)C12、C13 充電，隨著充電時(shí)間的增加，在兩個(gè)電容的電壓超過(guò)U7B 正輸入端電壓后，U7B 輸出一個(gè)低電平。正輸入端的電壓由上拉電阻R10、下拉電阻R12 和下拉電阻R11 決定，此時(shí)正輸入端的電壓Vdd 為0.2 Vdd。當(dāng)電容C12 或C13 為滿電狀態(tài)后，會(huì)通過(guò)SIGGND 對(duì)地放電，一段時(shí)間后電容C12 或C13 的放電電壓低于正輸入端電壓，U7B 又會(huì)輸出高電平，重復(fù)此過(guò)程。U7B 的輸出端每完成一次高低電平的切換，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖波，其頻率與熱敏電阻的溫度值為良好的線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)[2]。

2.3 濕度測(cè)量電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的溫控器同時(shí)具有濕度檢測(cè)功能，當(dāng)室內(nèi)濕度超過(guò)設(shè)定的閾值上限后，會(huì)自行啟動(dòng)除濕功能。同時(shí)，按照設(shè)定好的時(shí)間間隔，不斷采集實(shí)時(shí)濕度，當(dāng)濕度重新降低到閾值范圍后，立即關(guān)閉除濕功能。本文選擇了SHT21 單貼片濕度傳感器，采用了集成結(jié)構(gòu)，體積小巧、安裝方便。傳感元件和信號(hào)處理元件均集成在3 mm×3 mm 的微型電路板上，可采用I2C 接口與單片機(jī)直連，無(wú)需進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換[3]。為了防止發(fā)生信號(hào)沖突，本文在設(shè)計(jì)濕度測(cè)量電路時(shí)，默認(rèn)為微處理器只允許在低電平下驅(qū)動(dòng)雙向數(shù)據(jù)線（SDA）和時(shí)鐘線（SCL）。在驅(qū)動(dòng)電路的末端增加一個(gè)阻值為10K 的上拉電阻，將信號(hào)拉升為高電平，提高濕度檢測(cè)精度。為了驗(yàn)證SHT21 濕度傳感器的測(cè)量精度，在25℃環(huán)境下，分別將SHT21 濕度傳感器放置到相對(duì)濕度為20%、30%……100%環(huán)境中，測(cè)量結(jié)果如表1 所示。

表1 SHT21 芯片濕度傳感器的測(cè)量精度測(cè)試結(jié)果（單位：%）

由表1 數(shù)據(jù)可知，SHT21 濕度傳感器實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值的最大誤差為1.27%，表現(xiàn)出較好的測(cè)量精度，能夠滿足溫控器的使用需求。

2.4 LCD 段碼顯示屏設(shè)計(jì)

人機(jī)交互也是溫控器設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，本文選用了LCD 段碼顯示屏，采用動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)模式，使用單片機(jī)內(nèi)嵌液晶驅(qū)動(dòng)器，可根據(jù)工作需要分別輸出0、1/3Vdd、2/3Vdd 和Vdd 四擋電壓。占空比是LCD 顯示電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，在動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)模式下，任意一個(gè)公共端COM 的有效選通間隔周期之間的比值保持不變，恒定為1/COM。本文將LCD 段碼顯示屏的占空比設(shè)置為1/4duty，像素最小間隙10 μm。本次設(shè)計(jì)中所用LCD 段碼顯示屏的基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 LCD 段碼顯示屏的基本參數(shù)

3 溫控器通信電路設(shè)計(jì)

3.1 RS485 通信方式

溫控器常用的通信方式有24V AC 通信、RS485通信、Wi-Fi 通信等幾種。對(duì)比來(lái)看，智能溫控器大多選擇Wi-Fi 通信，具有遠(yuǎn)程遙控、響應(yīng)及時(shí)等特點(diǎn)[4]。本文設(shè)計(jì)的暖通空調(diào)系統(tǒng)中，室外機(jī)、室內(nèi)機(jī)等設(shè)備均不支持Wi-Fi 通信，只能從24V AC 通信和RS485通信中選擇。傳統(tǒng)的24V AC 通信模式下，使用4 個(gè)三極管組成橋式電路，為繼電器提供驅(qū)動(dòng)力。其優(yōu)勢(shì)在于電路中元件數(shù)量少，可以縮小電路板的體積；缺點(diǎn)是接線端子的數(shù)量多，無(wú)論是前期安裝還是后期維護(hù)都有較大難度，對(duì)專業(yè)性要求較高。綜合考慮后，本文選擇了RS485 通信方式。

溫控器與暖通空調(diào)系統(tǒng)之間的通信，執(zhí)行Climate Talk 協(xié)議，目前該協(xié)議已經(jīng)在空氣凈化器等多種電氣設(shè)備的智能控制中得到廣泛應(yīng)用。使用基于Climate Talk 協(xié)議的RS485 通信，可以實(shí)現(xiàn)包括溫控器、室外機(jī)、室內(nèi)風(fēng)機(jī)等最多256 個(gè)設(shè)備之間的通信連接。在RS485 總線連接的多臺(tái)設(shè)備中，將溫控器作為“主機(jī)”，會(huì)根據(jù)設(shè)定好的時(shí)間間隔（默認(rèn)為10 ms）發(fā)送查詢命令。當(dāng)室內(nèi)/室外控制板接收到查詢請(qǐng)求后，會(huì)將相應(yīng)的數(shù)據(jù)反饋給溫控器。為了避免通訊異常，要求室內(nèi)和室外的兩個(gè)控制板之間不能直接實(shí)現(xiàn)信息交互。理想情況下，RS485 總線的通訊距離可以達(dá)到3 km，這種較強(qiáng)的抗共模干擾能力和長(zhǎng)距離傳輸能力，完全能夠滿足暖通空調(diào)溫控器的遠(yuǎn)程通訊需要。

3.2 通信電路設(shè)計(jì)

CA（Comfort Alert 舒適報(bào)警）故障診斷電路可用于壓縮機(jī)故障信息的識(shí)別與傳遞。該電路由兩部分構(gòu)成，即位于室外機(jī)UC 端的CA 發(fā)送電路和位于溫度控制端的CA 接收電路。當(dāng)暖通空調(diào)運(yùn)行時(shí)，室外機(jī)控制板按照特定的時(shí)間間隔循環(huán)檢測(cè)壓縮機(jī)工況，當(dāng)檢測(cè)到壓縮機(jī)有異常工況時(shí)，利用CA 發(fā)送電路和接收電路向溫控器提供出錯(cuò)信息[5]。

3.2.1 CA 發(fā)送電路

CA 發(fā)送電路的等效電路如圖3 所示。

圖3 CA 發(fā)送電路

圖3 中，R 為24 V 交流輸入；L DRIVE 表示室外機(jī)控制板（UC）單片機(jī)輸出的故障信號(hào)，當(dāng)UC 發(fā)生故障后，L DRIVE 會(huì)產(chǎn)生低電平信號(hào)，此時(shí)Q4 斷開(kāi)，右側(cè)的L 輸出從R 傳輸過(guò)來(lái)的半波信號(hào)，L DRIVE 的端口則輸出故障信號(hào)。該故障信號(hào)會(huì)通過(guò)CA 指示燈閃爍的方式表示對(duì)應(yīng)的故障代碼，閃爍次數(shù)1～9，對(duì)應(yīng)CA 故障代碼1～9。例如，CA 指示燈閃爍2 次，對(duì)應(yīng)CA 故障代碼2，查詢可知故障代碼2 表示壓縮機(jī)冷凝器故障。

3.2.2 CA 接收電路

CA 接收電路的等效電路如圖4 所示。

圖4 CA 接收電路

從UC 端發(fā)送的CA 故障信號(hào)L 首先通過(guò)光耦合器（CR13）進(jìn)行光耦隔離，然后傳送到溫控器的微控制器（MCU）中，經(jīng)過(guò)MCU 的分析處理后，將結(jié)果顯示在LCD 段碼顯示屏上。工作人員通過(guò)觀察顯示屏，即可了解溫控器UC 的故障信息。溫控器MCU 的分析過(guò)程為：假設(shè)UC 端發(fā)送的CA 故障信號(hào)為“code=9”，接收該信號(hào)后，CA 接收電路中L 為低電平，此時(shí)電路中MCU 的輸出端口“3”不導(dǎo)通，啟動(dòng)外部電源，經(jīng)過(guò)電阻R12 對(duì)CA 接收電路充電，使CA 信號(hào)變?yōu)楦唠娖健Ｔ贑A 有效脈沖段，L 為6 個(gè)24 V 交流半波，MCU 輸出端口“3”導(dǎo)通。該端口導(dǎo)通后，再通過(guò)電容C10 放電，重新使CA 信號(hào)變?yōu)榈碗娖健８叩碗娖矫哭D(zhuǎn)換一次，在L DRIVE 端就輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)的脈沖，溫控器MUC 通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)即可識(shí)別CA 錯(cuò)誤代碼，并在LCD 段碼顯示屏上顯示出來(lái)。

結(jié)束語(yǔ)

在智能建筑發(fā)展背景下，暖通空調(diào)的智能控制成為發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)優(yōu)化溫控器的硬件設(shè)計(jì)和通信電路設(shè)計(jì)，一方面能夠讓溫濕度的檢測(cè)精度和控制精度得到提升，實(shí)現(xiàn)更好的溫控效果，優(yōu)化暖通空調(diào)的使用體驗(yàn)；另一方面，還能對(duì)常見(jiàn)的壓縮機(jī)故障等進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別，為暖通空調(diào)的檢修維護(hù)提供一定的參考。