商用空调控制系统硬件设计研究

商用空调控制系统硬件设计研究

李响

珠海格力电器股份有限公司   广东珠海519000

摘要：随着现代科技的飞速发展，商用空调控制系统的智能化、高效化和节能化已成为行业发展的重要趋势。硬件设计作为整个系统的基础，其性能与稳定性直接影响到系统的运行效果。商用空调控制系统是大型商业建筑中不可或缺的部分，其主要目标是实现对室内环境的精确控制，确保舒适的工作环境，并同时实现能源的有效利用。本文将对商用空调控制系统的硬件设计进行深入的研究和探讨。阐述商用空调控制系统硬件设计的基本原则、硬件设计要点、硬件组成、硬件设计流程、控制器硬件设计方案和软件架构进行详细分析研究，旨在为相关领域提供有价值的参考和启示。

关键词：空调控制系统；硬件设计；原理；组成

1 引言

随着科技的快速发展，商用空调的需求日益增加，尤其在商业建筑、数据中心、医院等场所，对空调系统的稳定性和能效要求越来越高。商用空调控制系统硬件设计研究，就是在这样的背景下，为提高商用空调系统的性能和稳定性，实现更高效的能源利用，而进行的深入研究。

2 硬件设计原则

(1) 可靠性:硬件设计应确保系统的稳定运行，即使在极端环境或故障情况下，保证系统在长时间运行中的稳定性和可靠性，也能保持系统的基本功能。硬件设计中避免因硬件故障导致的系统停机[1]。

(2) 可扩展性:为了满足不同规模和需求的商用空调系统，硬件设计应考虑到未来可能的技术升级和功能扩展，为后续的系统升级和维护提供便利。因此硬件设计应具备可扩展性，能够灵活配置和升级。

(3) 能效性:硬件设计应致力于提高系统的能源利用效率，在满足系统性能需求的前提下，应尽量降低硬件的能耗，实现绿色、环保的运行模式，满足环保和节能的需求。

(4) 安全性:硬件设计应保证系统的数据安全，防止未经授权的访问和操作[2]。

3 硬件设计要点

在商用空调控制系统的硬件设计中，我们需要重点关注以下几个要点：

(1) 微控制器选择：选择性能稳定、可靠性高的微控制器，以保证系统的稳定运行。

(2) 传感器选型：选择精度高、稳定性好的传感器，确保对空调运行状态的准确感知。

(3) 通信接口设计：设计稳定、高速的通信接口，以实现与上位机或其他设备的有效通信。

(4) 电源设计：设计稳定、高效的电源系统，为系统提供稳定的电力支持。

4 硬件组成

(1)控制核心:通常采用高性能的嵌入式系统作为控制核心，负责处理空调系统的各种控制逻辑和运算。控制核心通常采用高性能的微处理器或微控制器，如微控制器ARM、DSP等。这些设备负责处理各种传感器输入的数据，执行控制算法，并向执行器发送控制信号。同时要考虑处理单元的处理能力、功耗、封装以及通信接口等因素。实现系统的智能化控制[3]。

(2) 输入输出设备:

1）输入设备传感器用于监测室内温度、湿度、压力、空气流量等参数。硬件包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器等感知设备，用于实时感知和调控空调系统的运行状态。这些参数是空调控制系统调整运行状态的重要依据。

2）输出设备：执行器，驱动器等控制设备，执行器包括电机驱动器、阀门驱动器等，用于根据控制核心的指令调整空调的运行状态，如改变风扇速度、调节冷媒流量等。

(3) 通信模块：支持多种通信协议，如RS485、RS232、CAN、Ethernet等，实现与上位机、其他控制系统或设备的通信和数据交换。设计RS485、RS232、以太网等多种通信接口，要考虑通信模块的传输速率、稳定性、可靠性以及通信协议等因素，满足不同场景下的通信需求。通讯模块用于实现空调控制系统与其他系统或设备的通讯，如楼宇自动化系统、远程监控系统等[4]。

(4)人机接口：人机接口用于接收用户输入的控制指令，显示空调系统的运行状态。通常包括触摸屏、LED显示屏、按键等。

5 电路设计

（1）电源模块：电源电路负责为整个控制系统提供稳定的电源供应，保障系统的正常运行。通常需要考虑电压、电流、功率因数等参数。采用宽电压输入的开关电源，确保系统在各种电压波动下都能稳定工作。

（2）信号处理电路：信号处理电路用于处理传感器输入的信号，将其转换为微处理器可以识别的数字信号。

（3） 驱动电路：驱动电路用于将微处理器的控制信号转换为执行器可以识别的驱动信号，如PWM信号、电机驱动信号等。

（4）通讯电路：通讯电路负责实现控制系统与其他设备或系统的通讯，如RS485、CAN、以太网等。

（5）存储单元：设计合适的存储单元，如SRAM、FLASH、SDRAM等。要考虑存储单元的容量、读写速度以及功耗等因素。

6 硬件设计流程

（1）需求分析：根据商用空调系统的实际需求，明确硬件设计的功能和性能要求。

（2）方案设计：根据需求分析结果，设计硬件的总体方案和各个模块的详细设计。

（3）选型与采购：根据设计方案，选择合适的元器件和供应商，进行采购。

（4）开发与测试：进行硬件电路的设计、焊接、调试，然后进行功能测试和性能测试，确保硬件的稳定性和性能满足设计要求。

（5）生产与安装：进行批量生产，然后进行现场安装和调试，确保整个空调控制系统的正常运行。

7 控制器硬件设计方案

基于上述设计原则和要点，我们可以制定如下硬件设计方案

整个空调系统控制之中，其中包括单片机，温度传感器，湿度传感器；以调节阀、变频器、风阀执行器等为核心设备，选用适当的硬件可大大提高中央空调的应用效果。

本文选择STC11F08XE为核心的微处理器，它具有片内资源丰富，工作效率高，工作效率高等特点，特别是使用了基于Flash的联机程序ISP技术。在实际应用中，要按照一定的原理，合理地选取片内资源，以确保其高质量、高可靠性。STC11F08XE单片机采用了一种新型的8051处理器，8KB的FLASH存储器，1280字节的随机存取存储器，以及全双工异步串口UART以及MAX810的特殊的重置回路，以及一个硬件的看门狗。在选用温度传感器时，应选用DS18b20作为其硬件构成。该器件采用的是完全数字化的温度变换和输出方式，所以其测量精度非常高。经过以往的研究，它可以提供12位的分辨能力，而且是一种非常先进的科技。采用湿度传感器SHT11做为整体中央空调系统的数字湿度传感器，该传感器能够确保在工作时，对温度进行检测、变换信号和对其进行加热，从而推动中央空调系统的发展。而在MICROMASTER430变频调速系统中，包含6个可编程的带电位隔离数字输入端，2个模拟输入端，2个可编辑的模拟端；3种可修改的触摸装置。应用到中央空调中，可以很好地完成启动、滑动补偿等工作。但在选用阀门时，应选用丹佛斯或 GBB161.2 E型阀门，以便于有关工作的进行。特别是风阀执行器，在GBB161.2E中加入了可选择的功能，并提供了位移信号，定位信号，阀门位置显示等功能；采用反馈式电位器和可调节辅助开关，可以大大提高中央空调的节能效果和可靠性运行。

8 软件架构

（1）操作系统：操作系统负责管理系统的硬件资源，提供多任务处理、实时响应等功能。

（2） 控制算法：控制算法是控制系统的核心，根据传感器输入的数据，计算出相应的控制信号，以调整空调的运行状态。

（3） 人机接口程序：人机接口程序负责处理用户的输入指令，显示空调系统的运行状态。

（4） 通讯协议：通讯协议用于实现控制系统与其他设备或系统的通讯，确保数据的正确传输和解析。

9 结论

商用空调控制系统硬件设计研究，是提高商用空调系统性能和稳定性的关键。通过合理的设计原则、科学的硬件组成和严谨的设计流程，可以确保商用空调控制系统硬件的可靠性、可扩展性、能效性和安全性，从而满足商用空调系统日益增长的需求，实现更高效的能源利用。

随着科技的不断进步，商用空调控制系统硬件设计研究将继续深入，为商用空调系统的发展提供更强有力的支持。我们期待更多的研究者和工程师投入到这个领域，共同推动商用空调技术的发展，为人类的生活和工作环境带来更大的舒适和便利。

参考文献

[1]冷壮,魏立明,黄志学,等.中央空调控制系统硬件设计研究[J].经济技术协作信息,2017(17):67-67.

[2] 杨春艳.模糊PID控制技术在中央空调系统中应用[J].山西电子技术，2013，5（6）：17-18.

[3]李新,史庆国,任盘小,等.基于中央空调制冷控制系统的节能开发应用[J].现代电子技术,2020,043(005):97-100.

[4]陶跃进,李雪纯,廖冰洁,等.中央空调自调整温度控制系统的设计与实现[J].成都电子机械高等专科学校学报,2020,023(002):36-39,47.