暖通空調系統中溫控器的硬件與通信電路設計

王方宇

（合肥市軌道交通集團有限公司，安徽 合肥）

溫控器是暖通空調系統的關鍵設備，具有室內溫度、濕度的檢測和處理功能，并將處理結果發送至制冷、制熱設備或風扇，從而達到溫濕度調控的目的。本文在設計溫控器時，除了關注常規的溫濕度調控功能外，還加入了CA 故障診斷電路，與RS485 通信電路配合，可以將故障診斷結果實時呈現在LCD 顯示屏上。工作人員通過人機交互界面除了了解當前的溫濕度信息，還能獲取故障信息，進一步提高了溫控器的實用性。

1 溫控器的整體結構

本文設計的暖通空調溫控器主控芯片采用KL36DN 微控制器，具有較強的兼容性和可擴展性；工作電壓24 V 交流電，溫控精度±0.1 ℃，溫度設置范圍5～40 ℃；預留濕度檢測功能，檢測范圍0～100%。該溫控器包含6 個實體按鍵，分別為菜單鍵、模式鍵、程序鍵、溫度上升/下降鍵、背光鍵、風扇設置鍵；支持RS485 和24V AC 兩種有線通信模式。除了用于檢測室內溫濕度外，還具有LCD 顯示、智能調控、定時啟停等功能，整體結構組成如圖1 所示。

圖1 溫控器功能模塊結構

2 溫控器的硬件設計

2.1 背光電源設計

為了方便用戶在夜晚操作，本文在設計溫控器時增加了1 個LED 用作背光照明，使用TPS61042 驅動芯片為LED 提供恒流電源，并且支持過流和過壓保護。恒流調節范圍為1.5 V～6.0 V，調節原理為：設定LED 工作的電壓閾值，當反饋電壓值低于設定的閾值下限1.5 V 時，內部開關管從斷開轉為閉合，此時電感充電、電流上升，相應的電壓也會增加。當電壓達到參考值3.3 V 后，開關管從閉合轉為斷開，電感電流經過肖特基二極管進入到輸出端。同樣的，當反饋電壓超出設定的閾值上限6.0 V 時，與電容串聯的開關管閉合，電容吸收多余功率后使電壓降低。當電壓達到參考值3.3 V 后，開關管斷開，達到穩壓恒流效果[1]。

2.2 溫度檢測電路設計

該電路的核心元件是熱敏電阻，其電阻值與溫度呈反比，即溫度越高、電阻越小。溫度檢測電路如圖2 所示。

圖2 溫度檢測電路

如圖2 所示，當溫度檢測電路上電后，電容C12和C13 的初始電壓較低，此時U7B 正輸入端（+）的電壓要高于負輸入端（-）的電壓，在U7B 的輸出端輸出一個高電平。其中，正輸入端的電壓由鄰近的4 個電阻決定，分別是上拉電阻R10、上拉電阻（R12+R13），以及下拉電阻R11。此時正輸入端的電壓為0.57 Vdd。

同時，Vdd 還會通過R13 對C12、C13 充電，隨著充電時間的增加，在兩個電容的電壓超過U7B 正輸入端電壓后，U7B 輸出一個低電平。正輸入端的電壓由上拉電阻R10、下拉電阻R12 和下拉電阻R11 決定，此時正輸入端的電壓Vdd 為0.2 Vdd。當電容C12 或C13 為滿電狀態后，會通過SIGGND 對地放電，一段時間后電容C12 或C13 的放電電壓低于正輸入端電壓，U7B 又會輸出高電平，重復此過程。U7B 的輸出端每完成一次高低電平的切換，就會產生一個脈沖波，其頻率與熱敏電阻的溫度值為良好的線性關系，從而實現對溫度的檢測[2]。

2.3 濕度測量電路設計

本文設計的溫控器同時具有濕度檢測功能，當室內濕度超過設定的閾值上限后，會自行啟動除濕功能。同時，按照設定好的時間間隔，不斷采集實時濕度，當濕度重新降低到閾值范圍后，立即關閉除濕功能。本文選擇了SHT21 單貼片濕度傳感器，采用了集成結構，體積小巧、安裝方便。傳感元件和信號處理元件均集成在3 mm×3 mm 的微型電路板上，可采用I2C 接口與單片機直連，無需進行信號轉換[3]。為了防止發生信號沖突，本文在設計濕度測量電路時，默認為微處理器只允許在低電平下驅動雙向數據線（SDA）和時鐘線（SCL）。在驅動電路的末端增加一個阻值為10K 的上拉電阻，將信號拉升為高電平，提高濕度檢測精度。為了驗證SHT21 濕度傳感器的測量精度，在25℃環境下，分別將SHT21 濕度傳感器放置到相對濕度為20%、30%……100%環境中，測量結果如表1 所示。

表1 SHT21 芯片濕度傳感器的測量精度測試結果（單位：%）

由表1 數據可知，SHT21 濕度傳感器實測值與標準值的最大誤差為1.27%，表現出較好的測量精度，能夠滿足溫控器的使用需求。

2.4 LCD 段碼顯示屏設計

人機交互也是溫控器設計的重要內容，本文選用了LCD 段碼顯示屏，采用動態掃描驅動模式，使用單片機內嵌液晶驅動器，可根據工作需要分別輸出0、1/3Vdd、2/3Vdd 和Vdd 四擋電壓。占空比是LCD 顯示電路設計中的一個重要參數，在動態掃描驅動模式下，任意一個公共端COM 的有效選通間隔周期之間的比值保持不變，恒定為1/COM。本文將LCD 段碼顯示屏的占空比設置為1/4duty，像素最小間隙10 μm。本次設計中所用LCD 段碼顯示屏的基本參數見表2。

表2 LCD 段碼顯示屏的基本參數

3 溫控器通信電路設計

3.1 RS485 通信方式

溫控器常用的通信方式有24V AC 通信、RS485通信、Wi-Fi 通信等幾種。對比來看，智能溫控器大多選擇Wi-Fi 通信，具有遠程遙控、響應及時等特點[4]。本文設計的暖通空調系統中，室外機、室內機等設備均不支持Wi-Fi 通信，只能從24V AC 通信和RS485通信中選擇。傳統的24V AC 通信模式下，使用4 個三極管組成橋式電路，為繼電器提供驅動力。其優勢在于電路中元件數量少，可以縮小電路板的體積；缺點是接線端子的數量多，無論是前期安裝還是后期維護都有較大難度，對專業性要求較高。綜合考慮后，本文選擇了RS485 通信方式。

溫控器與暖通空調系統之間的通信，執行Climate Talk 協議，目前該協議已經在空氣凈化器等多種電氣設備的智能控制中得到廣泛應用。使用基于Climate Talk 協議的RS485 通信，可以實現包括溫控器、室外機、室內風機等最多256 個設備之間的通信連接。在RS485 總線連接的多臺設備中，將溫控器作為“主機”，會根據設定好的時間間隔（默認為10 ms）發送查詢命令。當室內/室外控制板接收到查詢請求后，會將相應的數據反饋給溫控器。為了避免通訊異常，要求室內和室外的兩個控制板之間不能直接實現信息交互。理想情況下，RS485 總線的通訊距離可以達到3 km，這種較強的抗共模干擾能力和長距離傳輸能力，完全能夠滿足暖通空調溫控器的遠程通訊需要。

3.2 通信電路設計

CA（Comfort Alert 舒適報警）故障診斷電路可用于壓縮機故障信息的識別與傳遞。該電路由兩部分構成，即位于室外機UC 端的CA 發送電路和位于溫度控制端的CA 接收電路。當暖通空調運行時，室外機控制板按照特定的時間間隔循環檢測壓縮機工況，當檢測到壓縮機有異常工況時，利用CA 發送電路和接收電路向溫控器提供出錯信息[5]。

3.2.1 CA 發送電路

CA 發送電路的等效電路如圖3 所示。

圖3 CA 發送電路

圖3 中，R 為24 V 交流輸入；L DRIVE 表示室外機控制板（UC）單片機輸出的故障信號，當UC 發生故障后，L DRIVE 會產生低電平信號，此時Q4 斷開，右側的L 輸出從R 傳輸過來的半波信號，L DRIVE 的端口則輸出故障信號。該故障信號會通過CA 指示燈閃爍的方式表示對應的故障代碼，閃爍次數1～9，對應CA 故障代碼1～9。例如，CA 指示燈閃爍2 次，對應CA 故障代碼2，查詢可知故障代碼2 表示壓縮機冷凝器故障。

3.2.2 CA 接收電路

CA 接收電路的等效電路如圖4 所示。

圖4 CA 接收電路

從UC 端發送的CA 故障信號L 首先通過光耦合器（CR13）進行光耦隔離，然后傳送到溫控器的微控制器（MCU）中，經過MCU 的分析處理后，將結果顯示在LCD 段碼顯示屏上。工作人員通過觀察顯示屏，即可了解溫控器UC 的故障信息。溫控器MCU 的分析過程為：假設UC 端發送的CA 故障信號為“code=9”，接收該信號后，CA 接收電路中L 為低電平，此時電路中MCU 的輸出端口“3”不導通，啟動外部電源，經過電阻R12 對CA 接收電路充電，使CA 信號變為高電平。在CA 有效脈沖段，L 為6 個24 V 交流半波，MCU 輸出端口“3”導通。該端口導通后，再通過電容C10 放電，重新使CA 信號變為低電平。高低電平每轉換一次，在L DRIVE 端就輸出一個對應的脈沖，溫控器MUC 通過脈沖計數即可識別CA 錯誤代碼，并在LCD 段碼顯示屏上顯示出來。

結束語

在智能建筑發展背景下，暖通空調的智能控制成為發展趨勢。通過優化溫控器的硬件設計和通信電路設計，一方面能夠讓溫濕度的檢測精度和控制精度得到提升，實現更好的溫控效果，優化暖通空調的使用體驗；另一方面，還能對常見的壓縮機故障等進行檢測、識別，為暖通空調的檢修維護提供一定的參考。