太陽能半導體空調控制裝置的設計方法

太陽能半導體制冷空調是根據太陽能的光伏效應，即通過“光-電-冷”途徑，并利用太陽能電池產生的電能為驅動半導體制冷裝置，以實現熱能傳遞的一種特殊制冷方式。太陽能光電轉換的電能不但可以與熱電制冷直流供電模式相匹配，而且，太陽能光照輻射強度與冷量需求有很好的時間匹配性。此外，太陽能清潔環保，資源豐富，取之不盡、用之不竭，而且太陽能與半導體環境友好共通，因此，太陽能半導體制冷空調可以創造出高品質的綠色生活空間。本設計就是利用海南得天獨厚的自然條件，以低成本為基準，給出了太陽能半導體制冷空調試驗裝置的設計方法。該方法在海南以及熱帶地區有著廣闊的應用前景，本課題的任務之一就是對太陽能半導體空調控制系統進行設計。
　　1太陽能半導體空調的系統構成
　　太陽能半導體制冷系統可由太陽能光電轉換裝置、能量匹配數控器、儲能裝置、半導體制冷裝置、系統控制裝置等五部分組成。
　　日照時，太陽能光電轉換器可以把照射在它上面的太陽光能轉換為電能，為空調系統提供必須的能量來源。本文的太陽能光電轉換器輸出的電能與空調系統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需要有其他輔助能源或儲能裝置，以便把太陽能光電轉換器輸出的一部分電能予以儲存備用，從而保證太陽能半導體空調系統能夠全天候地運行。數控匹配器可使太陽能電池陣列的輸出阻抗與等效負載阻抗相匹配，以使整個系統的能量傳輸轉換始終處于zui佳狀態，同時對儲能裝置的過充、過放進行控制。
　　半導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，冷端置于室內吸熱，以達到降低溫度制冷的目的；熱端則置于室外通風散熱。而在冬季，環境溫度較低需要制熱時，則可通過改變電源的正、負極來改變通過熱電堆的電流方向，此時熱電堆的冷端就變成了熱端向室內放熱，而原來的熱端則變成了冷端向周圍環境吸熱，從而達到制熱空調的目的。
　　本系統的控制裝置主要有2個功能，一是調節室內溫度以及測量和控制制冷片冷端和熱端導熱陶瓷片表面的溫度。二是調節室內濕度，即控制一加濕裝置。該系統不但可實現自動化和智能化，同時也可為室內提供zui為舒適的環境。
　　2空調控制系統的設計
　　在半導體制冷制熱裝置中，制冷片冷端和熱端的導熱陶瓷片表面涂抹思想導熱硅脂可以減少接觸熱阻，但是，導熱硅脂超過60℃就容易融化，這樣，就需要隨時了解陶瓷表面的溫度，一旦超過此溫度就需要開啟風扇散熱。另外，室溫的調節被設定在一定的范圍內（-10℃～40℃），使用者可根據自身的要求調節溫度，精度可達±0．5℃。此外，系統還能檢測室內濕度，并可根據實際濕度與設定值的比較結果來進行濕度的自動調節。而人機對話接口則主要用于溫、濕度上下限值的設定以及溫、濕度值的實時顯示。
　　3硬件設計
　　本系統選用ATMEL公司生產的AT89C51單片機、2個DALLAS公司生產的DSl8B20集成溫度傳感器、電容式濕度傳感器HSll01來進行硬件設計。系統分為濕度采集、溫度采集、鍵盤顯示、報警顯示和執行輸出五部分。各部分電路以AT89C51單片機為核心，并分別由單片機輸入／出端口將溫、濕度或鍵盤掃描信號采集到單片機，在經過單片機的運算處理后，由輸入輸出端口輸出到報警顯示和執行端口進行溫、濕度的自動控制和監測。
　　3．1溫度采集
　　單片機的PO.1和P0．2端口作為溫度傳感器的數據輸入輸出口。溫度傳感器DSl8B20采用一線制數據傳輸，所以本系統只需要一個端口，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，可將其轉換成9～12位數字存儲在暫存器中。讀取溫度值時，就可在嚴格的時序下從端口PC5上進行讀取。
　　3．2濕度采集
　　HSll01實際上相當于一個濕敏電容，其振蕩電路由555定時器組成，當環境濕度變化時，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。單片機通過頻率計算便可得到相應的濕度值。
　　3．3鍵盤顯示
　　CH452L是一鍵盤顯示驅動芯片，其引腳DIN、DOUT、LOAD、DCLK分別跟單片機的PB0～PB2和PD2相連接，系統可以通過鍵盤設置各種參數。也可以通過數碼管實時顯示單片機采集到的溫、濕度值。
　　3．4輸出執行端口
　　系統能夠自動檢測溫、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，以控制執行元件進行溫、濕度的調節。為了提高系統的穩定性，在單片機系統與執行單元之間應使用光電隔離器，以對系統與現場環境。
　　4軟件設計
　　單片機上電后，首先應初始化系統。初始化完成后，再判斷是否設定溫、濕度上下限值，若已設定，則進入設定參數子程序，否則，進入溫、濕度檢測子程序。溫、濕度檢測子程序調用完畢后，再進入到溫、濕度參數顯示子程序，之后，再進行超限判斷。若有超限，則進入報警顯示和執行子程序，否則，回到初始化模塊重新執行。
　　本設計的主程序包含初始化模塊，溫、濕度檢測模塊，溫、濕度參數顯示模塊，報警顯示模塊和執行模塊。其中初始化模塊負責調用初始化系統子程序，以初始化相關的IO端和定時計數器；溫、濕度檢測模塊負責調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開始啟動溫度轉換，等待轉換完成后，讀取9位二進制代碼和處理數據，并將其轉換成相應的溫度值；濕度檢測程序則從初始化濕度傳感器HSll01開始計算濕度信號的頻率，并將其轉換成相應的濕度值；溫、濕度參數顯示模塊主要負責調用鍵盤顯示驅動芯片CH452L的顯示參數子程序，CH452L顯示驅動程序可從初始化CH452L開始啟動顯示驅動，并進入顯示程序，同時發送溫、濕度值；執行模塊負責調用報警顯示和執行子程序，執行程序和報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超過了限值，系統便進入控制執行程序和報警顯示程序。