基于8051 软核的中央空调计费系统的优化设计

2015-03-30沈旭东

节能技术 2015年3期

徐意，沈旭东

(嘉兴南洋职业技术学院机电工程系，浙江嘉兴 314000)

随着经济的发展，中央空调早已广泛应用于各种商业建筑物内。然而，当前中央空调用户的电费大多以建筑面积的大小来定价收费。用户无论“用多用少”，均是一个价。该计费方式不利于用户养成节能意识，浪费能源，也不利于物业收取管理费［1］。当前，中央空调计费系统大多采用基于总线技术的单片机系统，工作速度慢，精度低。本文采用以Altera 公司CYCLONEⅡ系列的FPGA 为平台，构建8051 软核为控制核心，不仅具有单片机系统的所有优势，而且工作速度大大提高，实现中央空调计费系统的优化设计［2－3］。该设计克服了单片机系统冷量采集误差大的问题，而且减少了系统占用面积，提高了系统抗干扰能力，具有较好的稳定性［4］。

1 计量原理

集中空调系统运行的降温原理是通过风机盘管中的冷水与空调房间里的空气换热来实现，所以用户消耗的冷量是中央空调产生费用的主要原因［5］。风机盘管分散设置于空调房间，室内负荷由机组内盘管承担，室外空气过滤后经过盘管冷却，然后进入空调房间，并和室内回风口形成对流，保持室内空气的洁净，并达到所需要的温度［6］。

用户使用的冷量多少可由风机盘管的入水、出水温度差及流量来计算

式中 ρ——流水密度;

V(t)——水的流量;

T2——风机盘管回水温度;

T1——风机盘管入水温度。将式(1)离散化

2 系统构建

中央空调使用费主要是由于热交换产生的，故交换的冷量采集是计费系统的核心和计费的主要依据。冷量采集器的系统框图如图1 所示。

图1 系统框图

冷量采集器采用EP2C5T FPGA 为平台，构建以8051 软核为核心器件的SOC 系统。EP2C5T FPGA是Altera 公司推出的CYCLONEⅡ系列芯片，它内置了8051CPU 软核。8051 软核处理系统，具有工作速度快，体积小，能耗低等一系列优点［7］。借助倍频技术，8051 软核工作频率可达200M 以上，较传统的采用单片机作为采集器，大大提高了精度。在QUARTUSⅡ软件平台中，构建SOC 系统，如图2 所示。

图2 8051 软核硬件电路图

图2 中，pll50 为倍频模块，通过倍频，可使单片机工作在200 M 以上的频率，这是传统单片机远不能达到的工作速度，也是基于8051 软核单片机系统的优势所在。ram256 为单片机的数据存储器，共256 KB，8 位地址线。rom4 kb 为单片机的程序存储器，根据需要最大可扩展至64 kb，本系统扩展了4 kb，12 根地址线。基于8051 软核单片机系统输入/输出接口是独立的，P0I［0．．7］～P3I［0．．7］为输入接口，采集外部数据，P00［0．．7］～P30［0．．7］为输出接口，控制外部对象。

风机盘管入水温度T1和回水温度T2采用PT1000 温度传感器检测，PT1000 为铂热电阻，它的电阻值随温度的变化而变化。温度传感器的输出经过电子电路信号处理，共模数转换器变换后送入EP2C5T FPGA 处理。流量计采用脉冲输出形式，脉冲输出的频率与流量成正比，输出信号可直接供FPGA 输入。

电动两通阀用于控制风机盘管的流水，它由室内温度和设定温度共同决定，当室内温度高于(低于)设定温度时，电动两通阀打开，风机盘管与室外空气进行冷量的交换，达到降温(升温)的目的，否则电动两通阀关闭。电动两通阀关闭器件，不进行流量和流水温度的采集，不发生冷量交换和电费。

3 软件设计

基于8051 软核单片机系统的程序设计与传统的单片机程序设计是一样的。用户编写的程序，经过Keil 软件编译产生的． hex 目标文件由图2 中的rom4kb 程序存储器调用执行。按照模块化设计和自顶而下设计思路完成系统的程序设计，主要包括主程序、显示子程序和2 个定时/计数器中断服务程序。主程序负责对温度传感器DS18B20 的数据采集，以及相关数据的计算和显示，流程图如图3 所示。显示子程序负责显示中央空调用户使用冷量及电费等信息。中断服务程序0 负责流量计的脉冲采集，按照固定时间(1 ms)里对脉冲计数的方法来确定脉冲频率，进而计算流量，固定定时时间由T1 控制。中断服务程序1 读取A/D 转换结果，定时采集风机盘管的入水、回水温度，流程图如图4 所示。

根据风机盘管入水温度T1、回水温度T2和流量V(t)，可以计算出单位时间内交换的冷量。在电动两通阀导通时，冷量采集器实时采集上述数据，累积计算冷量，并计算出电费，在终端设备上显示。同时，将相关数据送上位机储存和显示［8］。

图3 主程序流程图

4 调试

根据上述硬件电路设计和软件设计流程，冷量采集器就可以根据温度传感器、流量计等采集的数据，计算出交换的冷量，并以此为主要依据计算电费［9］。试验中，选取了2 个节点(面积、温湿度相仿的房间)作为对照，空调分别运行10 min 和20 min，观察交换的冷量和电费数据变化情况。观察界面采用QUARTUSⅡ软件中的SignaltapⅡ逻辑分析仪，它可以动态的显示CPU 中存储器的变化，如图5 所示。图中，地址为0020H－0023H 和0024H－0027H分别储存的是两个节点的冷量交换量，地址为0030H－0033H 和0034H －0037H 分别储存的是计算所得电费，数据都以实数形式储存，占用4 个储存单元。0020H －0023H 储存的数据是4A、D2、E9、C0，对应的实数是6．9112 ×106J，是运行过程中的一个状态数据，0024H －0027H 储存的数据是4B、3F、6F、D0，对应的实数是12．546 ×106J。两个房间的冷量消耗量近似为2 倍，验证了采集器的采集精度。空调停止时，数据几乎保持不变，表示不再发生冷量交换，空调运行时，该数据不断增大，对应的电费也不断增加。据此计费系统控制运营的两个节点所消耗的电费总和与总表电费总额消耗量十分接近，表明此计费系统的运行，相对传统计费系统，具有较好的优越性，使中央空调的计费有据可依。