變風量空調系統多參數測量方法

摘 要:室內環境溫濕度是空調系統的兩個主要參數，對其及時、準確測量是設計變風量空調風口形式的一個重要依據。介紹由單片機AT89C52和數字式、單總線型溫度傳感器DS18B20以及溫濕度傳感器SHT11組成的多點測量系統。采用28個DS18B20組成矩形測溫網絡，3個SHT11組成溫濕度測量部分，有效地改善了系統的測控能力，為風口形式的設計提供了研究平臺。 關鍵詞:變風量空調系統; 室內溫濕度;AT89C52;DS18B20; SHT11

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)18-0154-03

Multi-parameter Measurement Method for Variable Air Volume Air-conditioning System

YANG Ting， YAN Jie

(College of Mechanical Electrical Engineering， Xi’an University of Architecture Technology， Xi’an 710055， China)

Abstract: Temperature and humidity in indoor environment are two main parameters of an air-conditioning system， for which the accurate measurement is a basis of designing the type of the VAV air-conditioning vent. A multi-point measurement system composed of singal chip microcontroller AT89C52， single-bus category digital sensor DS18B20 and temperature / humidity sensor SHT11 is introduced. This system includes a rectangle temperature detecting network with 28 DS18B20 sensors and a temperature / humidity measurement section with 3 SHT11 sensors， which efficiently improve the measurement and control ability of this system， and offer a research platform for designing the vents of VAV air-conditioning systems.Keywords: variable air volume air-conditioning system; temperature / humidity in indoor environment; AT89C52; DS18B20; SHT11

0 引 言

變風量空調系統是利用改變送入空調區域的送風量來適應區域內負荷變化的一種空調系統。它不僅能提供良好的舒適性，而且有顯著的節能效果，因此獲得了廣泛的應用。變風量空調系統是靠變風量末端來實現的，而控制變風量末端設備的依據是室內空調參數，合理準確地測量室內參數是實現控制的基本保證。因此要成功實現變風量空調系統風口結構的優化設計，及時、準確的測控環境溫度是關鍵。

隨著信息技術革命的深入和計算機技術的飛速發展，各種先進技術都應用于VAV系統中，對溫濕度檢測技術的要求也愈來愈高。傳統對變風量空調實驗室變風量末端裝置的研究依據是采用傳統的分立式溫度傳感器熱電偶作為傳感器的測溫系統，測量時存在零點補償問題，且外圍電路復雜，體積較大，其轉換數據不易用計算機處理，而通常傳統模擬濕度傳感器不僅要設計信號調理電路，還要經過復雜的校準和標定過程，其測量精度難以保證。本系統采用集散測控系統設計方案，即由MCS 51系列單片機、28只溫度傳感器DS18B20和3個SHT11構成下位溫濕度采集系統，單片機負責數據的采集和上傳。28只DS18B20組成矩形測溫網絡，3只SHT11構成濕度測量部分。為了節約資源，SHT11既測量濕度，也測量溫度。上位機利用軟件實現溫度的實時測控、數據存儲、數據處理等功能。

由于SHT11的數據傳輸方式是兩線制的，多點測溫時占用微處理器的口線多，所以采用單總線制的DS18B20智能溫度傳感器測量多點溫度，而濕度的測量可以采用SHT11，用它既可測量濕度，也可以測量溫度，從而節約資源。

1 多點測量系統工作原理

整個系統包括28個DS18B20傳感器，3個SHT11溫濕度傳感器，1個AT89C52單片機，由它們共同完成數據采集功能;RS 232總線和PC機構成了數據接收、顯示、分析及處理單元，系統結構圖如圖1。

AT89C52單片機控制28個單總線溫度傳感器DS18B20和3個兩線制溫濕度傳感器SHT11，向總線上的傳感器發命令，分別控制溫度測量和濕度測量;通過RS 232接口將數據傳送到計算機中，利用軟件對數據進行存儲、顯示和處理。

圖1 系統硬件結構框圖

2 硬件結構

2.1 溫濕度傳感器

2.1.1 溫度傳感器的確定

系統采用美國Dallas公司生產的單總線數字式智能溫度傳感器DS18B20，測溫范圍在-55～+125 ℃;轉換精度為9～12位進制數，可編程確定轉換的位數;測溫分辨率:9位精度為0.5 ℃，12位精度為0.062 5 ℃;轉換時間:9位精度為93.75 ms，10位精度為187.5 ms，12位精度為750 ms;內部有溫度上、下限告警設置[1]。此外，還具有獨特的單總線(地址線﹑數據線﹑控制線合為一條信號線)接口方式，僅需要一根口線就可以與微處理器雙向通信，而且允許在一根總線上掛接多個DS18B20，很方便地組成多點溫度檢測系統。每個DS18B20都有一個全球惟一的64位二進制ROM代碼標志著器件的ID號，在多路測溫時就是通過匹配每個芯片的ROM代碼來搜索該路溫度的[2]。由于總線上所有的器件都通過一條信號線傳輸信息，這樣整個系統就要嚴格地按該器件單總線協議規定的時序進行工作。DS18B20的操作主要有以下幾個步驟:初始化;搜索DS18B20;匹配DS18B20;發送溫度轉換指令;讀取溫度值[3]。

2.1.2 濕度傳感器[4]

SHT11采用Sensirio公司專利的CMOSen技術，該傳感器將溫濕度傳感器、信號放大調理、A/D轉換、二線制串行接口全部集成在同一個芯片內[5]。體積僅與大火柴頭相近，使傳感器具有品質卓越，響應超快，抗干擾能力強，性價比極高等優點。SHT11傳感器默認的分辨率分別為14位(溫度)、12位(濕度)，也可以降至12位、8位。濕度測量范圍是0~100%RH，對于12位的分辨率為0.03%RH，測溫范圍為-40~+123.8 ℃;對于14位的分辨率為0.01 ℃。每個傳感器芯片都在極為精確的濕度室中進行標定，校準系數以程序形式儲存在OTP內存中。在測量過程中，可對相對濕度進行自動校準，使SHT11具有100%的互換性。它的測量原理是首先利用兩只傳感器分別產生相對濕度、溫度的信號，然后經過放大，分別送至A/D轉換器進行模/數轉換、校準和糾錯，最后通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數據送至微控器，再利用微控器完成非線性補償和溫度補償[6]。

2.2 微處理器的選擇

數據采集的前端裝置由微處理器構成，掛接傳感器矩陣中28個測點的傳感器，3個測點的SHT11，存儲采集控制程序和器件序列號，實現巡回采樣、數據處理和通信等功能。與DS18B20，SHT11匹配的處理器主要有單片機芯片、ARM芯片、DSP芯片等。

選擇原則如下:

(1) 微處理器的位數應與傳感器的精度保持一致;

(2) 微處理器提供的I/O接口形式和數量應滿足傳感器的要求;

(3) 微處理器應能提供軟件編程要求的內存容量。

考慮到系統的實用性、經濟性，以及布線的難易程度，選擇了Aimel公司的AT89C52作為處理器。AT89C52為8位處理器，對12位傳感器分辨率可采用雙精度數據處理。在應用AT89C52非總線時，可提供32根I/O線，用其中8根掛接傳感器，兩根進行串口通信，其I/O接口形式也應滿足傳感器要求。AT89C52與同系列處理器89C51相比，引腳是一樣的，主要的區別在于89C51的ROM空間為4 KB，而AT89C52的空間為8 KB，可用來存儲大量DS18B20的序列號。

2.3 單片機與DS18B20及SHT11通信電路設計

本系統使用AT89C52單片機，它設定案件手動電平復位方式，外接11.059 2 MHz晶振作為系統時鐘，用單片機P1口的4條單總線分開進行溫度采集。

為了保證有足夠的負載能力驅動該總線，DS18B20采用外接電源供電方式，單線總線上加一個4.7 kΩ的上拉電阻，完成對DS18B20總線的上拉。該系統共有28個DS18B20，通過雙腳屏蔽電纜分組接在P1口的4條單總線上，組成行距0.8，列距0.5的4行7列矩形測量網絡。

SHT11是兩線制的數據傳輸方式，通常在多點測量應用系統中是將多個SHT11分別獨立地連接到微控制器的I/O口上，微控制器通過對每一個SHT11進行測量操作，得到每一點的溫濕度數據。但這樣的連接方式存在兩個主要缺點。一是，由于每個SHT11占用微控制器兩個I/O口，所以微控制器有限的I/O口資源將制約著單個微控制器上所能測量的最大點數;二是，由于每個SHT11的測量所需時間是固定不變的，所以采用單獨操作的逐個測量方式在多點測量系統中必然導致數據采集時間過長，控制滯后，從而影響控制系統性能的提高[7]。

在空調測控系統中，要求所采集的溫濕度數據是反應整個室內環境相同時間點的總體情況，所以多個SHT11必須同時開始測量，即微控制器必須同時向多個SHT11發送測量命令。結合室內應用的具體要求，本文對多個SHT11傳感器和微控制器的連接方式采取如下方案:各SHT11的SCK線接到微控制器的同一個I/O口上，而DATA線則分別接到不同I/O口線上。這種連接方式有幾個優點:首先，n個傳感器只占用n+1個I/O口，比前述方式節省了n-1個I/O口，解決了多點測量系統中微控制器I/O口資源短缺和盡可能增加測量點之間矛盾的問題;其次，由于多個SHT11共用一條時鐘線，所以在每次測量中可以同時發出測量命令，多個傳感器同時進行測量，只需一次等待時間則完成了整體數據的收集，大大縮短了數據采集時間，為控制系統快速響應提供了條件。

圖2中3個SHT11的SCK時鐘均接到P1.0口，而各DATA線分別接到P1.1，P1.2和P1.3口，當需要再增加測量點時，只需要增加對應的I/O口數即可，而且只需要對程序做很少的修改，即可實現系統的靈活擴展。P1.4~Pl.7共4根I/O口線作為4條單總線的數據線，每條總線上掛接7個DS18B20，這樣一個單片機Pl口就可以控制測量28個測點的溫度，剛好滿足變風量空調實驗室內溫度場測量的需要。本系統要求每根測溫總線長度約為5 m，這種長度對電纜的要求較低，這里采用單總線推薦使用的5類無屏蔽雙絞線。

圖2 部分硬件原理圖

圖3是PC與單片機的硬件連接電路圖[8]。一般溫度變化緩慢，通過RS 232C串行接口將單片機采集的數據傳送到PC機，從而利用軟件對數據進行處理和顯示。RS 232C是目前最常用的串行接口標準，它提供了單片機與單片機、單片機與PC機間串行數據通信的標準接口，通信距離可達到15 m。AT89C52輸入/輸出電平為TTL電平，PC機配置的是RS 232標準串行接口，二者的電氣規范不一致，采用MAX232E芯片實現TTL電平到RS 232電平的轉換[9]。

圖3 PC與單片機的硬件連接電路圖

3 程序設計

溫濕度多點測量系統的軟件設計采用模塊化結構，Keil C51編程語言。軟件設計主要包括2部分:一是上位機單片機AT89C52的軟件編程，用于實現測溫點及測濕點的選擇和溫濕度數據的采集;二是下位機與上位機PC機間的通信。

在SHT11測量前必須將其接到單片機發送的命令時序，而DS18B20有其惟一的ID碼，通過匹配每個芯片的ROM碼就可以搜索該路溫度，濕度采集，如圖4所示。

圖4 濕度采集程序流程圖

4 結 語

根據變風量空調實驗室傳統溫度測控方法的不足，以及具體情況設計出可行性測溫方案，它由單片機和28個DS18B20組成矩形溫度測量網絡，3個SHT11組成的溫濕度測量單元。具有實時、方便、可靠地實現對空調室內空調參數的測量，可通過RS232串行通訊將采集的溫濕度數據傳送至PC機。該方案與以前的測控方案相比，實現了測溫的實時性，并為測控的網絡化提供了基礎，此外該系統還具有智能化，體積小，可靠性高，實時性強等優點。

參考文獻

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