一種與空調聯動的室內通風裝置的設計

謝洪

（柳州鐵道職業技術學院，廣西柳州，545616）

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，室內安裝空調已是人們享受生活，提高生活質量的重要方式。然而，空氣質量對于人的身體健康同樣至關重要。由于開啟空調時，一般情況下需要將門窗關閉，隨著時間的增加，人們呼出的二氧化碳、室內的裝修材料和衣物棉被等所散發出的種種不潔氣體的濃度不斷增加，這將嚴重影響著人們的身體健康。有資料表明，室內空氣污染對人體很容易造成危害，導致人們得“空調病”。長期在這種環境下生活和工作，輕者會使人感到精神不好，頭暈目眩，注意力不集中，免疫力下降，重者還會引發心臟病、呼吸系統疾病、神經系統疾病，尤其會對嬰幼兒的發育成長產生長期的不良影響。

要減少甚至防止“空調病”的發生，就必須加強室內通風。要達到此目的，其方法有兩個：一是將門窗打開；二是使用換氣扇。如果簡單地使用這兩種方法，則空調的使用效果將會變得很差，并且浪費能源。

目前，開窗方式基本是采用手動開關，開關窗時需要人走到窗前才能操作，而現在使用空調機的家庭越來越多，至凌晨時室外溫度已經下降，可以不再需要空調機工作。如果此時起床開窗且關空調機，就影響了睡眠的質量，特別是睡眠不良者，可能會導致一直到天亮都無法再入睡。如果不起床開窗關閉空調機，一則浪費電能，二則室內的空氣變得越來越渾濁。

保持室內空氣的良好，保證良好的睡眠環境，是保證身體健康的重要前提。本室內通風裝置就是為了解決這些問題而設計的。

1 裝置總體設計

本裝置是由窗戶自動控制系統和定時通風系統組成。系統框圖如圖1 所示，包含遙控接收電路、按鍵電路、數據存儲電路、顯示電路、溫度與下雨感知電路、通風控制電路、窗戶開關控制電路、單片機電路及整流電路組成。系統所有的控制動作，都由單片機S3F9488 控制。

圖1 室內通風裝置系統框圖

2 硬件系統設計

■2.1 主控電路設計

圖2 是系統的主控電路圖，由按鍵電路、遙控電路、指示電路、顯示電路、復位電路及時鐘電路和數據存儲電路組成。

圖2 系統主控電路圖

（1）按鍵電路

開關SW1、SW2、SW3 和SW4 為設置按鈕鍵，分別是確認(取消)鍵、設置鍵、上升（增加）鍵和下降（減少）鍵。通過按鍵的操作，可以對時間及溫度值進行人為的設置。

（2）遙控電路

遙控器的信號，通過紅外接收電路U5 接收，送到單片機U2 的引腳P03 進行判斷。

（3）指示電路

D7 是LED 二極管，用于強制動作指示。當有強制動作時，從U2 的引腳P07 輸出低電位，點亮D7。

（4）顯示電路

四位LED 數碼管顯示器LED1 受單片機的端口P1、P2和P4 的控制，顯示溫度和定時時間等設置信息。

（5）復位電路及時鐘電路

R8 和C8 組成復位電路，完成對單片機U2 的復位。X1 是8MHz 的系統時鐘電路。C5、C7 和X2 與單片機內部電路，構成了32.768kHz 用于計時的時鐘電路。

（6）數據存儲電路

U3 是2 線串行接口的128×8 位存儲器24C01，用于存儲設定的溫度和定時數據。

■2.2 窗戶自動控制系統的設計

窗戶外側安裝有動力盒，通過動力盒的雙線圈交流電機的轉動方向不同，驅動安裝在活動窗戶上的齒條運動方向，從而實現對窗戶的控制。

圖3 是窗戶控制及電源電路圖。從圖2的P1 端口連接的溫度和濕度傳感器，與電路R1、R2 串聯連接。電源電壓經傳感器與電阻分壓，輸入到U2 單片機中，經程序判斷。作出決定對交流電機的進行供電控制。

圖3 窗戶控制及電源電路圖

（1）關窗戶

U2 的 P31（MOTOR）輸出高電平，經過R4，送到Q2的基極，使Q2 導通，繼電器K2 給關窗戶電機供電。同時接通空調電源。當關窗到位的時候，齒條上的撥片觸動動力盒上的“關窗戶”行程開關，停止給電機供電，關窗戶完成。

（2）開窗戶

U2 的P31（MOTOR）輸出低電平，經過R4，送到Q2的基極，使Q2 截止，繼電器K2 給開窗戶電機供電。同時斷空調電源。當開窗到位的時候，齒條上的撥片觸動動力盒上的“開窗戶”行程開關，停止給電機供電，關窗戶完成。

（3）電源電路

220V 交流電通過T1 降壓后，再經過D1、D2、D3、D4 組成的整流橋，轉換為直流電，經C1 濾波獲得+24V 直流電，為通風系統的排風扇提供工作電源。同時該+24V 直流電經U1 穩壓，得到穩定5V 的直流電，為主控電路提供電源。

■2.3 定時通風系統的設計

定時通風系統由控制盒、軸流風機、引風管道、進風口和防蚊網組成，圖4 是通風控制電路圖。

圖4 通風控制電路圖

U2 的引腳P32（FAN）控制通風。當需要通風時，P32 輸出高電平，經過R3，送到Q1 的基極，使Q1 導通，繼電器K1 節點閉合，給U4 穩壓集成塊LM317 提供約24V的直流電。經穩壓后，驅動直流排風電機。

開關SW5 的作用是通過接入R9 來控制穩壓輸出的電壓值，從而控制排風的風量。

風量分兩檔：輸出7.5V 電壓為經濟檔，輸出11V 電壓為強風檔。

3 軟件設計

■3.1 窗戶自動控制系統的原理

考慮到人體熱舒適度的要求，同時兼顧能源和設備的投入，我國《室內空氣質量標準》GB/T 18883-2002 規定：夏季空調房間室內溫度的標準值為22 ℃～28 ℃。人們可在晚上睡覺時，將室外溫度設定好（一般情況下為27.5℃）。到下半夜（正是人們熟睡的時候），室外溫度下降到了設定的溫度，窗戶就會自動打開，同時將空調機電源切斷，使人們既享受到了新鮮空氣，又不影響睡眠，同時還可以節約能源。

■3.2 定時通風系統的設計

當室外溫度達不到設定的溫度時，可以通過設定定時通風系統進行強行通風，以保持室內的空氣良好。

一旦窗戶被打開，則通風系統不會被啟動。本通風系統的進風口要求安裝在室內的最頂部。由于熱空氣是飄浮在室內最頂部，當排風風機工作時可以把室內最熱部分的空氣抽走，同時室外新鮮空氣經門的底邊縫隙或專門設置的通風孔補充到室內，這樣室內的空氣就不斷地得以更新。

圖5 系統軟件設計流程

■3.3 軟件工作過程

U2 單片機定時采集室外的溫度和雨量數據。如果室外溫度高于設定的溫度值，窗戶將會關閉，同時給空調供電，讓空調機正常工作。這時，通風系統將參與工作，定時開啟和關閉排風扇，以達到定時換氣的效果。一旦室外溫度下降到達設定的溫度值，系統將會切斷空調電源，并且打開窗戶，通風系統不會被啟動。

室外的雨量傳感器用于感應是否有雨下。如果下雨，即使室外溫度低于設定的溫度值，窗戶也不會打開，同時通風系統會處于正常的工作狀態。在窗戶打開的狀態下，如果檢測到下雨，也會強行關閉窗戶，同時讓通風系統重新回到正常的定時通風工作狀態，讓室內的空氣定時得到更新，保持清新。

■3.4 按鍵的設置

圖6 是按鍵設計流程圖。

圖6 按鍵設計流程圖

（1）設置溫度

本裝置的默認的溫度是27.5℃，即在接通電源時，無須調節，即可在室外溫度下降到27.5℃時窗戶會自動打開，同時關閉空調機。若需調節，可直接按上下(SW3、SW4)鍵，直到在顯示屏可看到所需要的溫度為止。

（2）設置時鐘

按下設置鍵（SW2），顯示屏顯示F1，再按上下(SW3、SW4)鍵，即可調整時鐘到當前標準時間。調整完畢可按一下確認鍵（SW1），調整得以確認，顯示屏回到顯示室外溫度的狀態。

（3）定時開啟通風機

連續按設置鍵（SW2）2 次，顯示屏顯示F2，再按上下鍵，即可調整定時關閉通風機時間。調整完畢再按一下確認鍵，調整得以確認，顯示屏回到顯示室外溫度的狀態。

（4）定時關閉通風機

連續按設置鍵（SW2）3 次，顯示屏顯示F3，再按上下鍵，即可調整定時關閉通風機時間。調整完畢再按一下確認鍵，調整得以確認，顯示屏回到顯示室外溫度的狀態。

遇到停電再來電時定時設置和溫度設置可以保持不變，時間需重新調整。

（5）強制開關窗戶

在室外溫度沒有達到設定溫度時，若需開窗，則按一下SW3 鍵，窗戶打開，再按一下SW3 鍵，窗戶關閉（在窗戶打開時，空調機將不能啟動）。

（6）強制開關通風機

在需要強行開啟通風機時，則按一下SW4 鍵，通風機運轉，再按一下SW4 鍵，通風機停止。

在任何強制狀態下，控制盒面板上的LED 燈D7 被點亮，此時自動控制無效。若需恢復自動控制，則按一下取消鍵SW1，此時控制盒面板上的LED 熄滅，表示系統取消強制狀態，恢復到自動控制狀態。

（7）通風風量設置

將控制盒面板上的撥動開關SW5 置于左側，則通風風量為標準風量；將控制盒面板上的撥動開關置于右側，則通風風量為節約風量。

4 通風裝置的制作與實踐

■4.1 通風裝置的制作

根據設計的電路圖通過軟件畫出如圖7 所示的PCB 圖。通過焊接及組裝，形成圖8 所示的通風裝置實物圖。

圖7 控制電路PCB 圖

圖8 通風裝置實物圖

■4.2 通風裝置的實踐

圖9 是通風裝置安裝外形的示意圖，圖10 是通風裝置安裝的側視圖。動力盒安裝在窗戶外側，其輸出的動力帶動安裝在活動窗頁上的齒條機構。當溫度傳感器感知室外溫度達到預先設定的溫度時，控制盒發出指令，使動力盒帶動齒條運動，從而使窗戶自動開關；同時控制盒內的繼電器將空調的電源斷開。由于動力盒是安裝在窗戶外面，因此不會影響室內裝修，也不影響紗窗的使用。

圖9 通風裝置安裝外形示意圖

圖10 通風裝置安裝側視圖

5 結束語

本設計研究了一種與空調聯動的室內通風裝置，通過以單片機為核心的控制電路和溫度傳感器、雨量探測器的協同工作，控制空調電源、窗戶和通風系統。當室外溫度高于設定的溫度值時，能夠向空調提供電源，關閉窗戶，同時能定時通風；當室外溫度低于設定的溫度值時，能關閉空調、打開窗戶，保持舒適的環境。本裝置在實際應用中，能穩定地運行于各種不同的場合。