AVR单片机的分体式空调智能节电控制系统设计及其应用效果

摘 要： 为合理使用空调，节约能源，设计以AVR单片机作为控制核心的空调温度控制系统，能根据学校作息时间、气温等情况自动调节空调的打开或关闭。调试结果证明该系统具有很好的人机交互界面，能对学校办公室、会议室、实验室等场所进行智能控制，且电路简单，成本低，节约能源，可移植性好，具有很好的实际应用价值和广泛的应用空间。

关键词： AVR；空调控制；热敏传感器；节约能源

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0820056－02

0 引言

随着我国经济的飞速发展，能源短缺问题日益突出，成为国家经济发展的“瓶颈”。作为工业生产和人民生活不可缺少的电力能源更是如此，尤其现今国家提倡低碳生活，节约能源已经成为全球共识，而作为培养社会精英的高校更应该起到榜样的作用。但是目前在校园内空调使用不规范，不管天气气温上班开空调，更甚有人下班或空无一人也不关机的现象屡见不鲜，这不仅造成了严重的资源浪费，也对高校的形象造成了很坏的影响。本文所研究的空调控制系统就可以很好地实现节约能源的作用。

1 系统硬件设计

整个系统由主控电路、键盘电路、热敏传感电路、人体红外传感电路、时钟电路、继电器控制电路、液晶显示电路等七个模块组成。其中，热敏传感电路模块主要完成室内温度实时采集，人体红外传感电路模块主要判断室内是否有人存在。时钟电路模块主要实现定时控制功能，这3个模块为主控电路模块的逻辑判断提供数据和条件。单片机最终将运算结果及数据采集情况输出到液晶显示屏，同时对空调进行控制。整个系统的硬件框图如图1所示。

1.1 主控电路模块

系统中，主控电路控制器主要用于接收三个外部数据，由此判断是否有人存在、温度是否达到要求、是否定时时间已到。单片机根据这三个外部数据来进行逻辑运算，从而实现对空调的“开关”控制、刷新液晶显示屏。同时可以通过键盘设置时间日期、查看相关信息。

根据系统设计要求，控制器选择了AVR单片机MAGE8型。它具有超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，克服了如8051 MCU采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象；快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使用高级语言进行开发；作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10mA-20mA灌电流的能力；片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠；大部分AVR片上资源丰富：带E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等。

1.2 液晶显示电路

为了实现较好的人机交互界面，在本系统中采用1602液晶显示屏显示用户的设定时间及用户所查询的信息。

点阵字符型液晶显示器是专门用于显示数字、字母、图形符号及少量自定义符号的显示器。这类显示器把LCD控制器/点阵驱动器/字符存贮器全坐在一块印刷板上。系统选择用日立公司的HD44780液晶显示。HD44780具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动/闪烁等功能。液晶显示电路如图2所示。

1.3 温度传感电路

利用温度对热敏电阻的影响，形成对电容不同的充放电时间，从而形成温度对照曲线表。温度传感电路如图3所示。

1.4 其他电路

按键电路主要由键盘阵列组成，主要用于完成作息时间、当前时间、定时时间、模式切换的设定。红外传感器电路实现人体热红外数据的采集。指示灯实现对系统工作状态。如系统工作于自动控制还是强制模式，开机或关机状态等的指示。

2 系统工作原理

本系统能够采集室内温度数据、人体红外感应数据并结合学校作息时间对室内空调进行实时控制，达到方便和节约能源的目的。电路存在两种工作模式，自动控制模式和强制模式。

2.1 自动控制模式

开机逻辑：制冷条件：室温>=启动温度，有人存在，时间属于要求时段，设定温度<室温；

供暖条件：室温<=启动温度，有人存在，时间属于要求时段，设定温度>室温。

关机逻辑：制冷条件：遥控关机或者键盘关机，无人延时关机或者室温<设定值与停止温度的最大值。

供暖条件：遥控关机或者键盘关机，无人延时关机或者室温>设定值与停止温度的最小值。

2.2 强制模式

系统正常工作的情况下，通过按下强制按钮，就能对空调进行强制开关的控制，通过该按钮也能使电路切换回自动控制状态。设置强制按钮主要考虑到有时需要对空调进行强制控制，例如需要在办公室或教室人员多时或在做热试验时，为达到比较舒服的环境，需要强开空调（制冷）。

3 软件设计

系统采用AVR单片机作为控制的核心，负责整个系统的逻辑运算，因此软件设计是系统能否稳定运行以及能否实现设计功能的关键。本系统中AVR单片机主要完成接收外部数据、处理数据、输出控制数据。所以软件的重点是：如何接收外部数据，如何处理以及如何输出控制数据。

因此，在该软件实现中外面采用了模块化方案，整个软件设计由初始化模块、键盘接收模块、中断处理模块、红外感应数据模块、温度感应数据模块、数据显示模块和定时输出模块等7个模块组成，系统程序主流图如图4所示。

4 调试和应用效果分析

在整个系统设计完成之后，我们在调查研究的基础上，根据国家和学校结合桂林本地气候的特点制定的夏、冬季节开机温度和作息时间对本系统进行了设定验证、调试。调试地点选择位于广西桂林的广西师范大学，基于符合当地实际的节能减排标准进行测试。通过数据比对，验证本系统的有效性。

4.1 调试需要解决的问题

随着硬件建设的不断完善，广西师范大学的空调拥有率已达到较高水平，且近年来大量配置分体式空调。三个校区办公、教学空调共有2680台，其中99%是老式定频不节能空调，主要安装在行政办公区、实验室、会议室和教学办公区等场所。在空调使用过程中发现，这些空调的实际能耗效率偏低，主要表现有二。

无人状态下的效率偏低：空调开启后，人员长时间离开（半小时以上）而未关闭。最为明显的表现是在午饭午休时间，室内无人空调持续运行。

有人状态下的效率偏低：夏天室温低于26℃和冬天室温高于10℃时，人体感觉较好而无需开启空调，但学校仍有大量空调在工作。

4.2 系统的应用及相关措施

为了完成上级部门下达的每年节能降耗5%的目标，根据《广西师范大学节能减排工作实施细则》第四章、第十条中空调管理和规定：冬季使用空调时温度设定不能高于10℃；夏季使用空调时温度设定不能低于26℃。为了创建节约型校园，研究者针对上述空调能耗效率偏低问题，在全校范围内采用空调节能控制技术，再配合相关措施的完善，实现空调系统的人性化管理与控制。

在室内空调控制器终端进行的控制系统应用过程中，可实现下述功能：室内无人时空调自动关闭；夏季室温低于26℃和冬季室温高于10℃时不予支持开启；下班时间段或15分钟室内无人，实现自动关闭电源，当室内温度达到开机温度时需人工打开或遥控开机，减少空调频繁开停机的现象。

系统应用的相关措施：提请校方在空调运行管理上明确季节使用日期，以作为系统运行的数据设定依据；严格管理人为的开启门窗运行空调现象，以便控制系统更好的发挥作用。

4.3 节能效益分析

以学校所在地（桂林市）全年气温情况，可得出以下数据：

在冬季（12月、1月、2月），白天室内温度高于10℃的天数一般在45天左右。以学校实际用电情况及天气因素在冬季3个月内至少有30天不需开空调。

在夏天（6月、7月、8月、9月、10月），白天室内温度低于26℃的天数一般在50天左右。以学校实际用电情况及天气因素在夏季5个月内至少有40天不需开空调。

而在每年的3月至5月、11月，室温很少低于10℃或者高于26℃，这些时间段内都不需要开空调。

根据上述数据，我们可以对应用控制系统前后（控制与非控制空调）所产生的不同能耗情况，做出对比数值。如表1、表2所示。

对比中我们可以看到，系统应用后，年耗电量由使用前的565万度，下降至298万度。此外，在控制系统的实际运用中，由于在其它时间（气温10℃-26℃），由于空调节能控制器的作用，节电效果更大于理论数值，节电效果达到了50%以上。在该校安装、调试应用结果显示本系统可以稳定运行而且效果理想，具有比较大的市场潜力和广泛的应用前景。也是利用能源、管理好能源，实现节能降耗的一个有效尝试。在该系统的进一步应用中，还建议与变频空调的推广相配合，实现节能效益的最大化。

参考文献：

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[4]刘波，单片机与液晶控制器的接口设计[J].机械工程与自动化，2006

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[5]陈晶，基于单片机的教室灯光自动控制器的研究[D].福州：福建农林大学，2007.

作者简介：

黄界（1954-），男，研究生，工程师，水电供应服务中心经理，从事高校水电管理工作36年，研究方向：（机械工程与自动化）高校水电节能减排器具。