基于ATmega16的農業機械空調控制系統設計

朱天順 ，孟 浩 ，楊光明 ，董宇輝

（空軍預警學院雷達士官學校，湖北 武漢 430000）

隨著現代農業機械技術的發展，空調已成為大中型農業機械設備的標配，其中定頻空調因價格便宜、制冷效果好、性價比高，在農業機械中大量使用。空調已成為農業機械的必備裝置，與此同時，其故障率也相應增多，空調修理學員迫切希望能夠掌握空調的工作原理，以便快速對空調電路系統進行維修。本文以ATmega16單片機為核心，設計了一款農業機械空調控制系統，全真模擬了空調器制冷、制熱運行過程，該設計形象直觀、簡單可靠，方便修理人員及開發人員了解空調運行過程，能夠較好地滿足教學和科研需要[1]。

1 系統總體設計

空調控制系統結構圖如圖1所示，本文設計的空調實驗系統選擇以ATmega16單片機為核心的雙傳感器空調微電腦控制系統[2]。控制系統主要由電源電路、ATmega16控制器電路、溫度傳感器電路、紅外接收電路、驅動電路和顯示部分等組成。ATmega16單片機是空調系統的核心，它能接收外部遙控器信號，并采集溫度傳感器的輸入信號，經過運算處理后，輸出控制信號，驅動壓縮機、風機、四通閥的運行和停止，實現空調的制冷、制熱效果[3]。

圖1 空調控制系統結構圖

2 硬件電路設計

2.1 電源電路

電源電路主要由交流電源和直流電源兩部分組成，其中交流電源為市電交流220 V，主要給變壓器、壓縮機、內風機、外風機、四通閥等執行元件提供電源。直流電源由交流降壓變壓器、橋式整流電路、濾波電容和集成穩壓芯片構成。直流電源經過變壓、整流、濾波、穩壓后，最終會輸出+5 V、+12 V的直流電壓；其中+5 V電壓的要求較高，必須為穩定電源，主要為單片機、溫度傳感器等供電；+12 V主要為反相器和繼電器供電[4]。

2.2 單片機主控電路

單片機主控電路以ATmega16為核心，該單片機是一款低功耗8位微控制器，價格便宜，編程簡單[5]。本實驗系統的最大優勢是該單片機內置有8路10位精度A/D轉換器，無需外接A/D轉換芯片即可實現熱敏電阻分壓大小的采集。另外，帶有定時器及外部中斷，可實現紅外接收解碼；豐富的I/O資源，可靈活控制繼電器的吸合斷開；片內自帶512字節EEPROM，可存儲簡單運行數據。ATmega16單片機最小系統僅需提供電源、晶振、復位電路即可正常工作。

2.3 溫度檢測電路

溫度檢測電路將溫度傳感器與固定電阻串聯，如圖2所示。溫度傳感器采用的是負溫度系數的熱敏電阻，溫度越高，阻值越小。ATmega16單片機的ADC輸入引腳采集固定電阻的分壓，傳感溫度過高，則ADC輸入端的電位高；傳感溫度過低，則ADC輸入端的電位低。單片機會將檢測電壓轉換為當前的室溫和管溫，作為輸出控制指令的依據[6]。

圖2 溫度檢測電路

2.4 紅外接收及應急開關電路

紅外接收電路主要通過紅外遙控接收器將紅外光信號轉換為電信號，再經過放大濾波等處理后變成脈沖調制碼傳送給ATmega16單片機進行處理分析，并輸出相應的控制信號[7]。

應急開關電路主要由一個按鈕開關和限流電阻構成，當按下應急開關時，會觸發一個低電平信號，強制空調進入自動模式。此開關一般在檢修時備用，不可長期使用。紅外接收及應急開關電路圖，如圖3所示。

圖3 紅外接收及應急開關電路

2.5 驅動電路

本空調實驗系統的驅動電路主要是由達林頓驅動芯片ULN2003反相器實現的。ULN2003輸入端接單片機引腳，輸出端接對應的繼電器。這樣ATmega16單片機輸出的微弱信號經過反相器放大后，就可以驅動控制內外風機、壓縮機、四通閥的6個繼電器[8]。

2.6 執行機構電路

執行機構電路如圖4所示，它主要根據單片機發出的控制指令，通過繼電器的通斷來控制壓縮機、外風機、四通閥工作并調節內風機的風速。其中，壓縮機、內外風機的副繞組均需要串聯啟動電容[9]。

圖4 執行機構電路

3 系統軟件設計

本文所設計的空調實驗系統的軟件部分如圖5所示，主要包括程序初始化、紅外信號處理、應急按鍵處理、溫度數據采集、主功能處理、數據顯示等模塊[10]。

圖5 主程序

系統上電后，首先進行初始化工作，然后進入待機狀態，等待外部遙控輸入或者應急按鍵動作，如有開機信號，則進行A/D轉換，讀取熱敏電阻的分壓大小，轉換為當前的室溫、管溫，再送至主功能處理子程序。主功能處理子程序流程如圖6所示，主要判斷空調的工作模式，分為自動模式、制冷模式、制熱模式以及風速調節模式。自動模式下，當室溫大于等于23 ℃時空調進入制冷狀態，小于23 ℃時進入制熱狀態[11]；制冷模式下，室溫高于設定溫度時，控制相應繼電器驅動壓縮機，內外風機啟動開始制冷，室溫低于設定溫度后，停止制冷；制熱模式下，室溫低于設定溫度時，啟動壓縮機、內外風機、四通閥開始制熱，室溫高于設定溫度后，停止制熱；風速調節模式下，可以根據設置的風速，控制抽頭風機工作于高、中、低三種風速狀態。

圖6 主功能處理子程序

4 結語

本文將廣泛使用的ATmega16單片機作為農業機械空調設備的控制核心，設計出的軟硬件簡單可靠且性價比高，較好地實現了農業機械設備駕駛室的溫度采集，并能夠根據設定溫度控制執行機構的運行和停止，調節駕駛室內溫度并使其穩定在一定范圍內，具有一定的創新性和實用性，對空調修理技術人員學習和掌握空調控制原理具有重要意義。但是，本控制系統還存在以下不足之處：一是內風機采用的是抽頭風機，不能實現無級調速，噪聲有點大；二是未實現對變頻壓縮機的控制，因此后續還可以對其進行進一步改進和完善。