節能減排視閾下智能溫度控制系統的設計

謝思聰，陳守陽，李 雪，謝雨欣，朱熹妍

（湖南科技大學，湘潭 411100）

家庭生活、辦公環境中對于空調的利用率逐步提高，而空調長時間運行將會產生較大的能源消耗，根據相關調查數據顯示，截止到2017年上半年，全國空調銷量達到了7922萬臺，應用空調產生的耗電量可謂驚人。當前社會領域倡導節能減排，過高的電能消耗不僅會給使用者造成經濟浪費，也有悖于減少能源消耗的社會發展理念，設計智能溫度控制系統，能夠根據需求進行智能化溫度控制，從而實現空調系統的合理運行，以達到減少能源消耗的目的。

1 智能溫度控制系統構成

1.1 溫度采集

通過溫濕度傳感器（SHT20）及其采集電路，采集當前環境的溫度信息（模擬信號），將采集到的模擬信號通過STM8L051F3芯片，轉變為FPGA可接收、處理的數字信號，可直接得出當前環境的溫濕度值，通過溫濕度來控制空調的運行狀態，精度為正負0.3度。

1.2 定時器

FPGA的全局相環PLLs輸出時鐘信號，通過分頻作為定時器的時鐘來源，程序設定在某些時間段內斷開電腦、燈、風扇等電器的繼電器開關，以實現節省電能的目的[1]。

1.3 觸發式語音播報

觸發式語音播報模塊使用自制語音，喇叭參數：0-3瓦 4-8歐（音量可調），通過SPI協議讀取SD內存卡的WAV音頻文件，再將文件解碼后即可輸出聲音信號，SD內存卡的文件系統為FAT32文件系統，配合音頻放大器，可以清晰地播放高清音頻。簡單的Windows PCM格式的WAV文件。是對聲音信號按一定頻率進行采樣所獲得的數據，再加上WAV信息頭而得到的。比如對一路聲音信號以4KHz頻率采樣，采樣數值以8位（一字節）方式保存，則最終的WAV文件就是單聲道4KHz、8位PCM格式的WAV文件，其速率為32kbps。單片機實現音頻播放時，只要將WAV文件中的音頻數據逐個讀出，按4KHz頻率送給D/A轉換器進行轉換，即可還原為音頻信號，再通過信號放大電路和喇叭進行聲音播放.SD卡是一種基于NAND Flash的儲存卡，由于它具有安全性高、容量大、體積小、功耗小、非易失性等優點，得到廣泛應用。SD卡采用SPI方式與單片機接口通信，只需要四根信號線：CS、CLK、DI和DO。CS在整個SPI操作過程中，必須保持低電平有效；CLK用于同步；DI不但傳輸數據，還發送命令；DO除了傳輸數據外，還發送應答信號。將單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.4分別接到SD卡的CLK、DO、DI、CS端，以軟件模擬方式實現工作時序，實現單片機主控對SD卡的讀/寫操作。D/A轉換器采用TLC5615，它是一種串行10位DAC芯片，只需要3根串行信號線就可以完成與單片機主控相接。TCL5615采用12位數據序列工作方式，在CS位低電平期間，由時鐘信號SCLK控制串行數據DIN向16位移位寄存器依次輸入10位有效數據位和低2位填充位，高位在前，低位在后，需要12個SCLK時鐘周期完成一次數據傳輸，數字量與模擬電壓呈線性關系。觸發式語音播報模塊的運行原理如圖1所示：

圖1 觸發式語音播報模塊的運行原理

1.4 FPGA

整個系統的主控芯片采用FPGA即現場可編程門陣列，FPGA在結構上由邏輯功能塊排列為陣列，并且有可編程的內部連線連接功能塊實現一定的邏輯功能。FPGA由掩膜可編程門陣列可編程邏輯器件演變而來，它具有門陣列的高邏輯密度和通用性，還具有用戶可編程的特性。AX301型FPGA芯片有6272個邏輯單元LEs，270K內存空間，2個鎖相環PLLs，10個時鐘單元Global Clock Networks。利用功率繼電器的通斷作為自動開關，控制設定值與控制輸入量的關系，通過串口模塊和上位機進行通訊，進一步實現在用戶操作界面進行在線修改、時間采樣、圖形顯示、數據保存等功能[2]。

2 智能溫度控制系統的供電方案設計

供電部分采用家用交流電，通過整流電路、降壓電路、穩壓電路、濾波電路給各部分供電，保障節能系統正常工作，整流電路主要由1N5822二極管組成，降壓電路主要為變壓器，穩壓電路采用了LM1117、L7805CV和L7809CV穩壓管，濾波電路為并聯電容，由于單個穩壓管功率有限，所以穩壓電路為穩壓管群，可以為系統提供足夠電能。

3 結束語

智能溫度控制系統實現對空調溫度的智能化控制，根據實際應用需求進行調控空調的運行狀態，溫度傳感器、電源管理、語音播報以及FPGA為主要構成部分，合理的供電方案設計是保證系統有序運行的關鍵，智能溫度控制系統在樓宇工程領域具有廣泛應用空間。