基于ATmega128的精密空調控制系統設計

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(1.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210016;2.四川航天技術研究院，四川 成都 610100)

基于ATmega128的精密空調控制系統設計

周馳1，樂貴高1，陳福紅2，吳斌1

(1.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210016;2.四川航天技術研究院，四川 成都 610100)

0 引言

隨著信息技術的高速發展和普及，計算機系統和通訊設備的增加，機房已經成為各企事業單位的信息管理中心和信息交流平臺。

通信機房作為數據處理和電子通訊設備的存放基地,熱負荷大，以及局部溫度會急劇升高。特別是近年來隨著電子設備的體積小型化、功能多樣化以及運行速度的不斷提高，單位面散熱量大幅增長，對機房的環境條件要求越來越高，這對通信機房空調的監控提出了更高的技術要求。

系統采用一種結構簡單、成本低、可靠性高的設計方案，可以全天候的對通信機房進行監控。根據系統的需求，可以適當加大風機的輸出量來消除機房的集中散熱問題，采用RS485通信接口可以實現上位PC機遠程控制。

1 系統硬件系統設計[1]

1.1 電源電路

AVR單片機工作電壓在5 V左右，電源電路應該直接提供5 V的電壓，但又考慮到空調加濕器、風機和控制閥等器件的工作電壓都在24V左右，而集成放大器的電源電壓為12V，所以電源電路設計采用24V直接供電，5 V和12V電壓通過轉換電路由24V得到。為避免電源信號對AVR單片機控制信號的干擾，轉換芯片采用具有隔離作用的LM2576-5和LM2576-12芯片[2]，具體電路如圖1所示。

圖1 電源電路

1.2 AVR最小系統的實現

AVR最小系統是指單片機在正常工作前提下具備最少外部電路的系統，主要包括電源模塊、復位模塊、時鐘模塊和仿真模塊等[3]。系統為了盡量降低功耗，采用了內部時鐘方式，在單片機的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體(晶振)就構成了自激振蕩器，并在單片機的內部產生時鐘脈沖信號，晶振CYS選用的是16 MHz。復位電路采用了按鍵復位，按下復位開關鍵，系統自動復位。

1.3 溫濕度采集模塊電路

溫濕度是機房環境控制的主要參數，也是各個外部執行器件動作的主要依據，為此必須確保控制系統能夠精確檢測到空調運行環境的溫度和濕度，并及時傳回AVR單片機進行運算處理。基于溫濕度檢測精度和速度的要求，控制系統采用數字溫濕度傳感器SHT11進行設計[4]。該溫濕度傳感器的溫度量程-40～123.8 ℃,濕度量程0% RH ～ 100% RH,測濕精度為±4.5% RH,測溫精度±0.5 ℃,濕度分辨率0.03% RH,溫度分辨率0.01℃。傳感器有4個引腳，包括1個電源、1個地、1個數據輸出端和1個時鐘輸入端。設計時將電源和地接入控制板的電源系統中，將數據輸出端接到單片機的數據輸入I/O口，時鐘輸入由單片機I/O管腳控制，具體電路如圖2所示。

圖2 傳感器電路

1.4 加濕器控制電路

加濕器是濕度調節主要執行器件，直接接入24V直流電就可以正常工作，因此，設計時只需考慮如何由單片機控制24V供電電路的通斷。為此，系統采用光耦電路來實現24V電源開關，具體電路如圖3所示。

圖3 加濕器控制電路

1.5 按鍵與顯示電路

為方便現場操作和調試，需要設計手操板，系統中采用5個導電按鍵和1個LCD12864顯示屏來實現手操板的設計。5個按鍵的功能分別設置為控制板的開/關、菜單、增加、降低和確定；顯示器主要顯示溫濕度實時數值以及菜單選項。單片機與按鍵的連接可以是普通的I/O口，也可以是中斷口，但為了實現快速及時反應，系統對按鍵的程序設計采用中斷處理，因此，在硬件上需要將其接入AVR單片機的外部中斷口，顯示模塊采用液晶LCD12864實現，內部自建振蕩源，具有自動電源啟動復位功能．主要由行驅動器/列驅動器和 128×64全點陣液晶顯示器組成，可以顯示 8×4個(16×16 點陣)漢字[5]。

1.6 風機控制電路

由于該空調系統的風機采用施樂佰公司的產品，其自身帶有風機控制板，設計時只需將控制板上接口正確接線即可。查控制板的使用說明，知其控制端主要有開/關控制端口、風速比例調節端口，需要外部電路控制。具體電路設計如圖4所示。風機控制板中開關控制取決于外部電路能否將+24V端口與D1端口連接，設計時，采用光耦芯片來實現風機輸入信號的通斷控制；風機風速的調控則取決于E1口的輸入電壓，可以采用滑動變阻器來定量控制風機兩端的電壓從而達到設定風速的目的。

圖4 風機控制電路

1.7 冷、熱源閥控制電路

冷、熱源閥是溫度調節的主要執行器件，但由于空調系統中的控制閥為外購設備，一般自帶控制板，設計時同風機控制一樣，只需按其使用說明書進行接線即可。系統采用的是M9106-GGx-4系列控制閥，電源端口由24V的直流電提供；外部控制器端口采用場效應管電路配合單片機進行程序開關控制；冷熱源閥采用單片機自帶的PWM功能，通過改變占空比來定量調節輸出電壓，從而實現定量調節；由于冷源閥與熱源閥的控制原理一樣，現以熱源閥為例說明，具體電路如圖5所示。

圖5 熱源閥控制電路

1.8 RS485通信模塊

要實現計算機對空調的監控，必須將計算機與控制板連接在一起，進行有效的數據交流。計算機與微機之間的接口一般有USB,RS232,RS422和RS485等，PC機大多通過RS232接口對單片機進行控制,由于計算機上的RS232協議所傳輸的距離不能超過30m,所以在遠距離數據傳送和控制時,需將RS232轉換成RS485協議進行遠距離傳輸[6],根據系統設計要求，上位PC機應能對空調實現遠程監控。

所以系統選用RS485接口進行通信設計。在電路設計中，采用MAX485作為收發器，采用穩壓管組成吸收回路來抑制各種干擾，同時為確保A端的電壓高于B端，分別在A端接上拉電阻、B端接下拉電阻，具體電路設計如圖6所示。

圖6 RS485通信接口

2 系統軟件設計

系統單片機采用C語言編程，以ICCAVR為開發環境，將編寫的C源代碼生成COFF文件，再用AVR Studio進行程序仿真。為了方便程序調試和可靠性，程序采用模塊化結構，控制器軟件的核心部分邏輯控制程序流程如圖7所示。

圖7 系統主程序流程

對于溫濕度的采樣處理，由于具有較大的延遲性和慣性，系統在數據采樣處理的時候采用了平滑處理和均值處理法。其主要思想為[7]：

a.采樣周期為2s。

b.當前值和前一個值比較，差距超過2°，就丟掉。

c.記錄當前值和之前的4個值，共5個值，做平均處理，計算出平均溫濕度，用這個平均溫濕度判斷邏輯。

d.空調控制系統的控制終端在每次動作之前設置5 s的延時，防止空調到達控制臨界點時，頻繁出現開斷而導致空調的使用壽命變短。

3 結束語

設計的精密空調控制系統與上位PC機相連,經過測試使用,在正常溫度范圍內,系統滿足溫度測試誤差±0.1℃、相對濕度測試誤差±3%的要求。執行電路能根據上位機和手操板上發送過來的控制命令，準確無誤地對空調進行控制, 實現了溫濕度的監測與自動控制，這種自動智能化控制,在節能的同時,也給人們帶來了便利。

[1] 郭小龍,曾光明,吳興利，等.基于AVR單片機溫室智能控制系統的設計[J].天津科技大學學報,2012,27(5):65-68.

[2] 陳 柱，聶立波，常 浩. 基于AVR單片機的溫度測量與控制系統設計[J]. 湖南工業大學學報,2012,26(3):76-81.

[3] 耿德根,宋建國,馬 潮，等. AVR高速嵌入式單片機原理與應用[M].北京:北京航空航天大學出版社, 2001.

[4] 王武禮,楊 華. 基于SHT11的糧倉溫濕度測控系統的設計[J].儀表技術與傳感器,2010(9):50-53.

[5] 蘭 羽,盧慶林.基于AT89C52的便攜式甲醛檢測儀設計[J].機械與電子,2014(1)：67-70.

[6] 李 永,李芙玲, 賀秀玲. 基于PC機和AVR單片機的RS485通信系統的設計與實現[J].工礦自動化，2008(1):108-110.

[7] 陸 秋,程小輝.基于單片機的恒溫箱節能控制設計[J].計算機測量與控制,2012,20(6):1565-1568.

Design of Precision Air Conditioning Control System Based on ATmega128

ZHOUChi1,LEGuigao1,CHENFuhong2,WUBin1

(1.School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210016,China；2.Sichuan Academy of Spaceflight Technology,Chengdu 610100, China)

為了能夠準確監測和控制機房的溫濕度，以保證通信機房內計算機的高效運行。系統采用ATmega128單片機為控制中心,由STH11溫濕度傳感器、RS485通信接口及12864字符型液晶模塊構成的精密空調控制系統,實現對機房的溫濕度精確測量與控制。該系統電路簡單、工作穩定、集成度高,調試方便,測試精度高,具有一定的實用價值。

通信機房；ATmega128單片機；STH11溫濕度傳感器；精密空調控制系統

In order to be able to detect and control the temperature and humidity of the room accurately, and ensure the high-efficient operation of computer in the communication equipment room. The system uses the ATmega128 microcontroller as the control center. Precision air conditioning control system is composed of the STH11temperature and humidity sensor, RS485 communication interface and the 12864character LCD module, which achieves precision measurement and control of the temperature and humidity of the room. The system has the advantages of simple circuit, stable work, high integration, convenient debugging, Therefore the system has a certain practical value.

communication equipment room; ATmega128 microcontroller; STH11temperature and humidity sensor; precision air conditioning control system

2014-04-21

TP368

A

1001-2257(2014)09-0056-04

周馳(1990-)，男，湖北漢川人，碩士研究生，研究方向為機電一體化；樂貴高(1964-)，男，江蘇南京人，教授，研究方向為機、電、液一體化控制設計及仿真。