太陽能半導(dǎo)體空調(diào)控制裝置的設(shè)計(jì)

O 引言
    太陽能半導(dǎo)體制冷空調(diào)是根據(jù)太陽能的光伏效應(yīng)，即通過“光-電-冷”途徑，并利用太陽能電池產(chǎn)生的電能為驅(qū)動半導(dǎo)體制冷裝置，以實(shí)現(xiàn)熱能傳遞的一種特殊制冷方式。太陽能光電轉(zhuǎn)換的電能不但可以與熱電制冷直流供電模式相匹配，而且，太陽能光照輻射強(qiáng)度與冷量需求有很好的時(shí)間匹配性。此外，太陽能清潔環(huán)保，資源豐富，取之不盡、用之不竭，而且太陽能與半導(dǎo)體環(huán)境友好共通，因此，太陽能半導(dǎo)體制冷空調(diào)可以創(chuàng)造出高品質(zhì)的綠色生活空間。本設(shè)計(jì)就是利用海南得天獨(dú)厚的自然條件，以低成本為基準(zhǔn)，給出了太陽能半導(dǎo)體制冷空調(diào)試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方法。該方法在海南以及熱帶地區(qū)有著廣闊的應(yīng)用前景，本課題的任務(wù)之一就是對太陽能半導(dǎo)體空調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 太陽能半導(dǎo)體空調(diào)的系統(tǒng)構(gòu)成
    太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)可由太陽能光電轉(zhuǎn)換裝置、能量匹配數(shù)控器、儲能裝置、半導(dǎo)體制冷裝置、系統(tǒng)控制裝置等五部分組成。
    日照時(shí)，太陽能光電轉(zhuǎn)換器可以把照射在它上面的太陽光能轉(zhuǎn)換為電能，為空調(diào)系統(tǒng)提供必須的能量來源。本文的太陽能光電轉(zhuǎn)換器輸出的電能與空調(diào)系統(tǒng)所需要的電能具有很好的一致性，而在無日照或日照不足時(shí)需要有其他輔助能源或儲能裝置，以便把太陽能光電轉(zhuǎn)換器輸出的一部分電能予以儲存?zhèn)溆?，從而保證太陽能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)能夠全天候地運(yùn)行。數(shù)控匹配器可使太陽能電池陣列的輸出阻抗與等效負(fù)載阻抗相匹配，以使整個系統(tǒng)的能量傳輸轉(zhuǎn)換始終處于最佳狀態(tài)，同時(shí)對儲能裝置的過充、過放進(jìn)行控制。
    半導(dǎo)體制冷制熱裝置通常由多塊熱電堆或制冷單元組成，其中冷端和熱端均加裝有散熱裝置。需要制冷時(shí)，冷端置于室內(nèi)吸熱，以達(dá)到降低溫度制冷的目的；熱端則置于室外通風(fēng)散熱。而在冬季，環(huán)境溫度較低需要制熱時(shí)，則可通過改變電源的正、負(fù)極來改變通過熱電堆的電流方向，此時(shí)熱電堆的冷端就變成了熱端向室內(nèi)放熱，而原來的熱端則變成了冷端向周圍環(huán)境吸熱，從而達(dá)到制熱空調(diào)的目的。圖1所示是本設(shè)計(jì)的制冷模塊實(shí)驗(yàn)裝置圖。

    本系統(tǒng)的控制裝置主要有2個功能，一是調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度以及測量和控制制冷片冷端和熱端導(dǎo)熱陶瓷片表面的溫度。二是調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，即控制一加濕裝置。該系統(tǒng)不但可實(shí)現(xiàn)自動化和智能化，同時(shí)也可為室內(nèi)提供最為舒適的環(huán)境。其整體系統(tǒng)試驗(yàn)裝置如圖2所示。

2 空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    在半導(dǎo)體制冷制熱裝置中，制冷片冷端和熱端的導(dǎo)熱陶瓷片表面涂抹思想導(dǎo)熱硅脂可以減少接觸熱阻，但是，導(dǎo)熱硅脂超過60℃就容易融化，這樣，就需要隨時(shí)了解陶瓷表面的溫度，一旦超過此溫度就需要開啟風(fēng)扇散熱。另外，室溫的調(diào)節(jié)被設(shè)定在一定的范圍內(nèi)(-10℃～40℃)，使用者可根據(jù)自身的要求調(diào)節(jié)溫度，精度可達(dá)±0．5℃。此外，系統(tǒng)還能檢測室內(nèi)濕度，并可根據(jù)實(shí)際濕度與設(shè)定值的比較結(jié)果來進(jìn)行濕度的自動調(diào)節(jié)。而人機(jī)對話接口則主要用于溫、濕度上下限值的設(shè)定以及溫、濕度值的實(shí)時(shí)顯示。

3 硬件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)、2個DALLAS公司生產(chǎn)的DSl8B20集成溫度傳感器、電容式濕度傳感器HSll01來進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)分為濕度采集、溫度采集、鍵盤顯示、報(bào)警顯示和執(zhí)行輸出五部分。各部分電路以AT89C51單片機(jī)為核心，并分別由單片機(jī)輸入／出端口將溫、濕度或鍵盤掃描信號采集到單片機(jī)，在經(jīng)過單片機(jī)的運(yùn)算處理后，由輸入輸出端口輸出到報(bào)警顯示和執(zhí)行端口進(jìn)行溫、濕度的自動控制和監(jiān)測。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3．1 溫度采集
    單片機(jī)的PO.1和P0．2端口作為溫度傳感器的數(shù)據(jù)輸入輸出口。溫度傳感器DSl8B20采用一線制數(shù)據(jù)傳輸，所以本系統(tǒng)只需要一個端口，即可完成傳感器的輸入輸出操作。溫度傳感器檢測到模擬溫度后，可將其轉(zhuǎn)換成9～12位數(shù)字存儲在暫存器中。讀取溫度值時(shí)，就可在嚴(yán)格的時(shí)序下從端口PC5上進(jìn)行讀取。
3．2 濕度采集
    HSll01實(shí)際上相當(dāng)于一個濕敏電容，其振蕩電路由555定時(shí)器組成，當(dāng)環(huán)境濕度變化時(shí)，濕度傳感器HSll01的電容量會隨之改變，這樣，通過振蕩電路可將該電容值轉(zhuǎn)化為頻率與之呈反比的方波信號，并將該信號通過PD3傳送給單片機(jī)。單片機(jī)通過頻率計(jì)算便可得到相應(yīng)的濕度值。
3．3 鍵盤顯示
    CH452L是一鍵盤顯示驅(qū)動芯片，其引腳DIN、DOUT、LOAD、DCLK分別跟單片機(jī)的PB0～PB2和PD2相連接，系統(tǒng)可以通過鍵盤設(shè)置各種參數(shù)。也可以通過數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示單片機(jī)采集到的溫、濕度值。
3．4 輸出執(zhí)行端口
    系統(tǒng)能夠自動檢測溫、濕度值，并判斷溫、濕度值是否超出限值范圍。若超出范圍，則由PEO、PE1輸出信號，以控制執(zhí)行元件進(jìn)行溫、濕度的調(diào)節(jié)。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在單片機(jī)系統(tǒng)與執(zhí)行單元之間應(yīng)使用光電隔離器，以對系統(tǒng)與現(xiàn)場環(huán)境。

4 軟件設(shè)計(jì)
    單片機(jī)上電后，首先應(yīng)初始化系統(tǒng)。初始化完成后，再判斷是否設(shè)定溫、濕度上下限值，若已設(shè)定，則進(jìn)入設(shè)定參數(shù)子程序，否則，進(jìn)入溫、濕度檢測子程序。溫、濕度檢測子程序調(diào)用完畢后，再進(jìn)入到溫、濕度參數(shù)顯示子程序，之后，再進(jìn)行超限判斷。若有超限，則進(jìn)入報(bào)警顯示和執(zhí)行子程序，否則，回到初始化模塊重新執(zhí)行。其主程序執(zhí)行流程圖如圖4所示。

    本設(shè)計(jì)的主程序包含初始化模塊，溫、濕度檢測模塊，溫、濕度參數(shù)顯示模塊，報(bào)警顯示模塊和執(zhí)行模塊。其中初始化模塊負(fù)責(zé)調(diào)用初始化系統(tǒng)子程序，以初始化相關(guān)的IO端和定時(shí)計(jì)數(shù)器；溫、濕度檢測模塊負(fù)責(zé)調(diào)用溫度檢測子程序和濕度檢測子程序，溫度檢測程序從初始化溫度傳感器DSl8B20開始啟動溫度轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換完成后，讀取9位二進(jìn)制代碼和處理數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度值；濕度檢測程序則從初始化濕度傳感器HSll01開始計(jì)算濕度信號的頻率，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的濕度值；溫、濕度參數(shù)顯示模塊主要負(fù)責(zé)調(diào)用鍵盤顯示驅(qū)動芯片CH452L的顯示參數(shù)子程序，CH452L顯示驅(qū)動程序可從初始化CH452L開始啟動顯示驅(qū)動，并進(jìn)入顯示程序，同時(shí)發(fā)送溫、濕度值；執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)調(diào)用報(bào)警顯示和執(zhí)行子程序，執(zhí)行程序和報(bào)警顯示程序從判斷是否超限開始，只要溫、濕度中的任何一個參數(shù)超過了限值，系統(tǒng)便進(jìn)入控制執(zhí)行程序和報(bào)警顯示程序。

5 結(jié)束語
    太陽能半導(dǎo)體空調(diào)具有節(jié)能、無噪音等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足人類的共同需要。本文介紹的太陽能半導(dǎo)體空調(diào)控制系統(tǒng)采用溫、濕度傳感器，并以單片機(jī)為核心，因此，該溫、濕度監(jiān)控系統(tǒng)的性價(jià)比較高，使用簡單且工作穩(wěn)定可靠。事實(shí)上，此控制系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用在空調(diào)上，也可以應(yīng)用在溫室大棚、糧食儲藏以及其他溫度控制方面，所以具有一定的推廣價(jià)值。試驗(yàn)結(jié)果也表明，該系統(tǒng)能夠很好的檢測室內(nèi)溫度并能根據(jù)設(shè)定的溫度自動調(diào)節(jié)，而且可以超溫自動斷電，反應(yīng)十分靈敏，可以達(dá)到預(yù)期的目的。