中央空调末端温度控制系统研究与应用

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第一章 绪论
第一章 绪论
§1.1 研究背景
随着人民生活水平的不断提高，各种档次的酒店如雨后春笋般飞速增长。在豪华
酒店，客房设备的控制作为重要的控制内容，是能否给客人提供豪华舒适居住环境的
一个重要环节。酒店客户设备控制系统必须符合安全方便、人性化、技术先进等特点。
酒店能耗是酒店的主要支出费之一，在常规情况下，此费用占酒店营业额的 8～
15%左右，所以降低能耗费用是酒店盈利的一大举措，是酒店营运的必然走向。
在星级酒店中，冷水机组和锅炉能耗约占总能耗的 50%左右，水泵能耗约占总能
耗的 30%左右，风机盘管能耗约占总能耗的 20%左右，因此大型中央空调系统的节能
涉及到主机、水泵管理系统、末端设备、控制系统等多个环节。不仅需要各环节达到节
能要求，而且更需要系统整体优化节能，保持定期调整，保证系统在最优状态下运行，
才能提高中央空调的运行效率。
经重庆、上海、广州等地区的实践证明，室内设定温度春季每升高 1℃或冬季每降
低1℃，整个中央空调系统的能耗将减少 6%～8%左右。合理地将春季空调房间的温度
提高，将主要可以从以下几个方面带来节能效果：
（1）降低室内外传热温差，从而可以降低因围护结构传热形成空调负荷；
（2）降低室内外传热温差，从而可以降低新风要求形成的空调负荷；
（3）结合在室外温度比较低时的合理通风措施，可以有效降低空调运行时间；
（4）可以提高中央空调系统的送风温差，从而降低输配系统的电耗。
目前，大部分空调建筑的设定温度为 24～26℃，而一些公用建筑中空调温度控制
得更低，甚至低于 22℃，不但浪费能源，同时舒适性很差，并且是导致“空调病”发
生的主要原因。所以合理地提高空调房间的设定温度，一方面可以降低电力高峰负荷
的需求，另一方面可以节约用电量需求，此外，还可以避免由于空调温度过低带来的
不舒适性及“空调病”的问题。本文即旨在通过客人离开后提高客房控制温度的方法
来达到节能的目的。
§1.2 研究思路和内容
§1.2.1 系统温度控制的手段
长期以来，由于能够灵活控制各区域空调机组的启停与室内温度，并能节省建筑
空间和工程造价，空调系统一直是以客房和商务用房出租为主业的宾馆饭店和写字楼
等建筑首选的半集中式空调系统型式。房间空调温控器是控制末端装置的供冷/热量，
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中央空调末端温度控制系统研究与应用
实现分室温度控制和节能运行的关键。
风机盘管空调温控器基本上是一个独立的闭环温度调节系统。它主要由温度转感
器，双位控制器，温度设定机构，动三速开关和冷热切换装置组成。其控制管理是空
调温控器根据温度传感器测得的室温与设定值的比较结果发生双位控制信号，控制冷
热水循环管路电动水阀开关，即用切断和打开盘管内水流循环的方式，来调节送风温
度（供冷量）。
传统的空调温控器是电气式产品，其温度传感器利用双金属片或气动温包，通过
“给定温度盘”调整预紧力来设定温度，手动三速开关和季节转换开关为拨档式机械
开关。这类温控器产品普遍存在“温度设定分度值过粗”“时间常数太大”“机械开
关易损坏”等问题。
§1.2.2 系统温度控制器研究思路
本文推出一种新型客房温控器系统，它由温度控制面板盒和控制盒两部分组成。
每间客房安装一套，两者之间采用串行数据通信技术，实现长距离资料交换，从而使
得控制盒可安装在客房内任何位置。
我们要设计的温度控制器是想取代市场上常用的三速调节器温度控制器，由于后
者安装在进门入口处的墙壁上，外形尺寸是86×86㎜，所以设计的温度控制器也可以
参照它的安装位置和尺寸。考虑将温度控制器的显示和控制部分分开，控制盒和显示
盒采用串行通信从而实际数据双向交换，这样显示盒就可以做得很小，就可以安装在
传统三速调节器位置了，控制盒就可以安装在客房内任何位置上。
显示部分包括：键盘和数码管两部分。通过键盘客人可以选择风速是“高”、“中”
“低”还是“关闭”，还可以设定客人所需要的客房温度值。通过数码管显示，客人
可以知道客房内实际的温度值和查看他设定的温度值。控制盒包括：电源，温度测量
和继电器控制电路。电源部分除了供给自身使用外，还供给显示面盒使用。温度测量部
分完成了模拟量到数字量的转换，通过相关运算控制盒中CPU 将测量到的温度值，
通过串行口送给远端的显示面板进行显示。通过继电器的输入/输出可以控制风机盘管
转速和实现节能模式运行。
由于显示面盒和控制盒是采用串行通信交换数据，所以在显示面盒和控制盒中必
须含有CPU，考虑到设计经济性，我们选用市场上常用的 8位CPU，同时芯片内必须
有RAM 和可在线编程的ROM，这样就不需要再额外扩展 RAM 和ROM，所以选择
AT89S52 芯片作为本项目的 CPU。串行通信有RS232、RS485 等方式，前者适用短距离、
低速通信，后者则可以远距离高速通信，另外，RS485 采用了差动方式传输数据，这
样可大大提高串行通信可靠性，所以选择 RS485 作为本项目通信方式，鉴于MAX487
普遍大量使用，其成本大幅下降，最后选它 MAX487 作为 RS485 的接口芯片。
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第一章 绪论
由于显示面盒和控制盒中CPU 在运行中会受外界各种因素的干扰，其中包括电
源、电磁场等干扰源，都可以造成CPU 突然死机现象，在设计两者时都必须考虑看门
狗的设计。由于MAX706 既可以监视送给它的工作电源，又可以在 CPU 死机情况下起
到唤醒角色，MAX706 在工作电压低于 4.6V 情况下使CPU 恢复，可以监视 CPU 工作
电源不能太低，另外当MAX706 在1.6mS 内没有受到CPU 发来的脉冲信号，它就会
发生一个脉冲，促使 CPU 唤醒。所以用 MAX706 作为本设计看门狗。
常用晶振器的大小有4MHZ、6MHZ、12MHZ 和24MHZ 等，当晶振值选择偏低时，
数码管显示要克服闪烁和抖动，就必须占用 CPU 大量的资源，并且V/F 转换器得到的
数字量较小，对测量分辨率影响很大，所以晶振值选择不宜过低。如果晶振值选择过
高，对串行通信稳定性不利，我们选择串行通信波特率为 9600，这是一个合适值波特
率。对此相对应的晶振值就不能过高。综合以上情况设计选用11.0592MHZ 作为晶振值
它可以和 9600 波特率配合默契，不会造成串行通信偏差。
考虑到设计成本选用数码管而不是液晶显示作为本项目显示面盒，又考虑到安装
位置选用触模式铵钮键作为数据输入手段。由于键盘和 CPU 距离很近，就 直 接 把 铵
钮连接到CPU 的P1 口上，不再添加驱动芯片，通过扫描 P1 口可以知道哪一个键被按
下。数码管有位和段码二部分组成，位选中哪一个数码管就被点亮，段码送过来被点
亮的数码管应显示的值，当位选通下一个数码管时，新的段码值又被送了过来，这样
反复刷新就可以使4只数码管全部被点亮。当然，刷新频率需要确保在 20HZ 左右，这
样人的肉眼才能感觉不到数码管的闪烁和抖动。
由于选用+12V 工作电源的继电器，电源中必须要有+12V 的稳压电路，同时CPU
等芯片还需要+5V 电源，在提供电源中选用二级稳压电路：220V 经过变压器降压，
二极管全波整流送给 LM7812，使其输出+12V 稳定电压值。称其为低一级稳压电路，
该电压值再送给 LM2576 稳压电路，使其输出高质量+5V 电压，由于LM2576 输入范
围可以从+8V～+40V，所以，当外界的市电波动时，+5V 输出值仍然稳定输出，这样
就消除外界电源干扰，CPU 就可以获得稳定环境，不至于被看门狗频繁唤醒。
市场上温度测量元件有热电阻型，热电偶型和温感器型三种，后者必须安装在线
路板上，机内运行温度将会传热到其表面，从而影响室内温度的真实测量，第三种方
式我们选择放弃。热电偶型通常可以测量 0～1500℃高温，对于本设计来讲大材小用，
考虑成本因素，也选择放弃。所以我们把 PT100 热电阻作为本设计温度传感器。由于温
度信号是一个非电量型的物理量，CPU 是不可能接受，我们通过恒流源将它转换成模
拟量电信号，再通过LM331V/F 转换器将其转换成数字量，并把它送给 CPU 计算器进
行计数，CPU 根据采样到计数值就可以计算出环境温度。
设计中需要采样客人是否离开信号，从而决定是否应用节能模式进行，必须把钥
匙卡的插拔信号输入到CPU。可以把钥匙卡输出电源接到一只交流继电器上，当钥匙
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中央空调末端温度控制系统研究与应用
卡拔出时，该继电器吸合，钥匙卡插入该继电器释放，该继电器触点送到 CPU 中，
通过采样该口信号就可以确定客人是否离开或进入。通过三只直流继电器去分别控制
风机盘管的“高”、“中”、“低”线圈是否通 220V 电，当继电器线圈两端被施加
+12V 以后，该继电器吸合，其触点输出将接通220V 电源的火线，并把它送给风机盘
管相应端，使其以“高”、“中”、“低”方式运行。通过设计另外一只继电器，同样
可以去控制一只电磁阀，从而实现冷水的进入和关断。
§1.2.3 入墙式数码温度控制系统介绍
本智能省电及控制系统，是采用最精湛的电子科技技术和累积多年的经验而开发
成功的，在东南亚地区已受到各大酒店欢迎并广泛采用。系统设计的主要目标是帮助
酒店节省一些不必要的能源开支，但同时也照顾到客人的舒适性，使客人达到宾至如
归的感觉。系统由温控面板(86*86*30mm)和控制盒(200*110*80mm)两部分组成(每间客
房安装一套)，两者之间采用串行通讯技术，实现长距离数据交换，控制盒可安装在
客房内任何位置。
1、数码温控面板
可以安装在客房进门边或卧室内墙壁上，取代传统的三速空调调节器。客人可操
作面板上的三个按键---“风速”、“温度升”和“温度减”键，完成风速的调节和温
度的设定。
客人进入客房并插入钥匙卡后，按“风速”键来选择低速、中速、高速和关状态，
同时在面板上有相应的绿色发光二极管被点亮。当客人选择的风速在非关状况下时，
通过按“温度升”键可选择较高的设定温度，最高为 32°C；通过按“温度降”键可选
择较低的设定温度，最低为 16°C。若客人将风速选择在关闭时，按下“温度升”或
“温度降”键，将不能改变温度设定值。
温度设定值在面板上以“**°S”来显示，而客房内实际温度值将通过“**°C”来
显示。面板在显示温度设定值后，如在 2秒钟内不
再有 “温度升”或“温度降”键被按下，面板将
自动返回到室内温度显示“**°C”状态。
当客人离开房间并将钥匙卡拔出后，本系统
将切入“省电模式”：即将酒店预设的温度作为
客房选定的温度，将酒店预设的风速(低速)作为客
房选定的风速。待客人返回客房并重新插入匙卡后，
即恢复“供电模式”：即将客人离开前选定的温
度和风速自动恢复。
以夏天举例如下：
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第一章 绪论
选定的温度 选定的风速
客人在房间 19°C高
客人离开房间 25°C ** 低
客人返回房间 19°C高
** 酒店预设温度值为 25°C，此温度可由酒店自行设定。
从以上举例可清楚地看出，在客人离开房间后系统以节省了 6°C (25°C -19°C
=6°C)的能源开支，即大约有 36%的节省。在这种控制模式下，客房在没有客人时，可
保持最低的空调使用量，而又不影响客房内的舒适度。从而赶走地毯、墙纸、家俱的发
霉和发臭，而非赶跑客人。
酒店自行设定温度的步骤如下：
1) 将风速选定在“关闭”状态。
2) 按下“温 度 升 ”或“温 度 降 ”的键达 5 秒 钟 ， 面 板上数 码 管 将 显 示
“PASS”，同时四只发光二极管将全部被点亮，这就意味着面板正请求您输入密码值
(本系统密码值暂定为“0018”，酒店可在订货时任意指定)。
3) 按下“温度升”和“温度降”键，可轻松输入密码值，然后按下“风速”键
加以确认。
4) 若密码值不对，面板将返回到设定前的显示状态。若密码通过，面板将显示酒
店之前设定的温度值“**°S”，酒店人员可通
过“温度升”和“温度降”键进行修改，然后按
下“风速”键加以确认，面板将返回到设定前显
示状态。
2、控制盒
控制盒可固定在客房内的任何位置。它输入
的信号有：钥匙卡插入或拔出的状态、面板送来
的温度和风速设定值、温度传感器(PT100)的输入。
它输出的信号有：高、中、低风速的干触点、冷/热水电磁阀干触点和温度的测量值等。
控制盒和温控面板之间的通讯线，在条件允许的情况下可选用屏蔽电缆线，并将
金属屏蔽这层接到控制盒外壳(去除绝缘层)或客房内的接地线上。在条件受限制时，
该通讯线也可选用普通的双绞线。
通讯线在布线时，应尽量远离强电电源线，这样可减少外界对通讯的干扰。温度
传感器(PT100)的安装位置距离控制器愈近愈好，这对提高温度测量的精确度很有帮
助。
本系统的接线图如下：
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中央空调末端温度控制系统研究与应用
3、总结
此系统是我们凭借长期在酒店的工程工作经验而开发出来的，在使用及维修方面
都有全面的考虑。功能亦非一般的温控器可比拟，而节能的功效使系统在短短数月即
可回收。
§1.3 论文内容与安排
本论文介绍了一种新型温度控制系统，它由温度控制面板和控制盒两部分组成。
论文分别阐述了这两部分的技术要求、软件设计以及两者之间的数据交换，最后对软
件设计与实现方案进行了总结。全文共分 8 章，各章内容安排如下：
第一章，提供了与中央空调温度控制系统密切相关的背景、组成、技术和概念；第
二章介绍温度控制器所选用CPUAT89S52 芯片的原理、结构、技术特性以及选用晶振值
大小；第三章阐述系统控制盒硬件、软件设计实现，介绍了电源恒压电路、V/F 转换器
看门狗电路、开关量输出/输入电路的工作原理和应用电路；第四章介绍了系统操作面
板盒的硬件、软件设计及实现，讲述键盘和数码管的工作原理及驱动电路；第五章介
绍了控制系统中串行通信的概念、技术特性，同时讲述 MAX487驱动芯片的特性、应用
电路及设计实现；第六章介绍了系统定时/计数器工作原理及工作方式、软件程序设计
第七章讲述系统中断的产生、处理、返回及程序设计；第八章介绍系统所有软件的框架
它由主程序和中断服务程序组成。
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匙卡輸出
電源
供電火線 L
零線 KEYN
高HIGH
火線 KEYL
VALVE
低LOW
供電零線 N
供電地線 G
中MED
风
机
S
溫
控
面
板
TX-
TX+
+5V
5VG
PT100
感測器
控
制
器
摘要：

第一章绪论第一章绪论§1.1研究背景随着人民生活水平的不断提高，各种档次的酒店如雨后春笋般飞速增长。在豪华酒店，客房设备的控制作为重要的控制内容，是能否给客人提供豪华舒适居住环境的一个重要环节。酒店客户设备控制系统必须符合安全方便、人性化、技术先进等特点。酒店能耗是酒店的主要支出费之一，在常规情况下，此费用占酒店营业额的8～15%左右，所以降低能耗费用是酒店盈利的一大举措，是酒店营运的必然走向。在星级酒店中，冷水机组和锅炉能耗约占总能耗的50%左右，水泵能耗约占总能耗的30%左右，风机盘管能耗约占总能耗的20%左右，因此大型中央空调系统的节能涉及到主机、水泵管理系统、末端设备、控制系统等多个环...

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