基于ATmega128的精密空调控制系统设计

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(1.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210016;2.四川航天技术研究院，四川 成都 610100)

基于ATmega128的精密空调控制系统设计

周驰1，乐贵高1，陈福红2，吴斌1

(1.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210016;2.四川航天技术研究院，四川 成都 610100)

0 引言

随着信息技术的高速发展和普及，计算机系统和通讯设备的增加，机房已经成为各企事业单位的信息管理中心和信息交流平台。

通信机房作为数据处理和电子通讯设备的存放基地,热负荷大，以及局部温度会急剧升高。特别是近年来随着电子设备的体积小型化、功能多样化以及运行速度的不断提高，单位面散热量大幅增长，对机房的环境条件要求越来越高，这对通信机房空调的监控提出了更高的技术要求。

系统采用一种结构简单、成本低、可靠性高的设计方案，可以全天候的对通信机房进行监控。根据系统的需求，可以适当加大风机的输出量来消除机房的集中散热问题，采用RS485通信接口可以实现上位PC机远程控制。

1 系统硬件系统设计[1]

1.1 电源电路

AVR单片机工作电压在5 V左右，电源电路应该直接提供5 V的电压，但又考虑到空调加湿器、风机和控制阀等器件的工作电压都在24V左右，而集成放大器的电源电压为12V，所以电源电路设计采用24V直接供电，5 V和12V电压通过转换电路由24V得到。为避免电源信号对AVR单片机控制信号的干扰，转换芯片采用具有隔离作用的LM2576-5和LM2576-12芯片[2]，具体电路如图1所示。

图1 电源电路

1.2 AVR最小系统的实现

AVR最小系统是指单片机在正常工作前提下具备最少外部电路的系统，主要包括电源模块、复位模块、时钟模块和仿真模块等[3]。系统为了尽量降低功耗，采用了内部时钟方式，在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体(晶振)就构成了自激振荡器，并在单片机的内部产生时钟脉冲信号，晶振CYS选用的是16 MHz。复位电路采用了按键复位，按下复位开关键，系统自动复位。

1.3 温湿度采集模块电路

温湿度是机房环境控制的主要参数，也是各个外部执行器件动作的主要依据，为此必须确保控制系统能够精确检测到空调运行环境的温度和湿度，并及时传回AVR单片机进行运算处理。基于温湿度检测精度和速度的要求，控制系统采用数字温湿度传感器SHT11进行设计[4]。该温湿度传感器的温度量程-40～123.8 ℃,湿度量程0% RH ～ 100% RH,测湿精度为±4.5% RH,测温精度±0.5 ℃,湿度分辨率0.03% RH,温度分辨率0.01℃。传感器有4个引脚，包括1个电源、1个地、1个数据输出端和1个时钟输入端。设计时将电源和地接入控制板的电源系统中，将数据输出端接到单片机的数据输入I/O口，时钟输入由单片机I/O管脚控制，具体电路如图2所示。

图2 传感器电路

1.4 加湿器控制电路

加湿器是湿度调节主要执行器件，直接接入24V直流电就可以正常工作，因此，设计时只需考虑如何由单片机控制24V供电电路的通断。为此，系统采用光耦电路来实现24V电源开关，具体电路如图3所示。

图3 加湿器控制电路

1.5 按键与显示电路

为方便现场操作和调试，需要设计手操板，系统中采用5个导电按键和1个LCD12864显示屏来实现手操板的设计。5个按键的功能分别设置为控制板的开/关、菜单、增加、降低和确定；显示器主要显示温湿度实时数值以及菜单选项。单片机与按键的连接可以是普通的I/O口，也可以是中断口，但为了实现快速及时反应，系统对按键的程序设计采用中断处理，因此，在硬件上需要将其接入AVR单片机的外部中断口，显示模块采用液晶LCD12864实现，内部自建振荡源，具有自动电源启动复位功能．主要由行驱动器/列驱动器和 128×64全点阵液晶显示器组成，可以显示 8×4个(16×16 点阵)汉字[5]。

1.6 风机控制电路

由于该空调系统的风机采用施乐佰公司的产品，其自身带有风机控制板，设计时只需将控制板上接口正确接线即可。查控制板的使用说明，知其控制端主要有开/关控制端口、风速比例调节端口，需要外部电路控制。具体电路设计如图4所示。风机控制板中开关控制取决于外部电路能否将+24V端口与D1端口连接，设计时，采用光耦芯片来实现风机输入信号的通断控制；风机风速的调控则取决于E1口的输入电压，可以采用滑动变阻器来定量控制风机两端的电压从而达到设定风速的目的。

图4 风机控制电路

1.7 冷、热源阀控制电路

冷、热源阀是温度调节的主要执行器件，但由于空调系统中的控制阀为外购设备，一般自带控制板，设计时同风机控制一样，只需按其使用说明书进行接线即可。系统采用的是M9106-GGx-4系列控制阀，电源端口由24V的直流电提供；外部控制器端口采用场效应管电路配合单片机进行程序开关控制；冷热源阀采用单片机自带的PWM功能，通过改变占空比来定量调节输出电压，从而实现定量调节；由于冷源阀与热源阀的控制原理一样，现以热源阀为例说明，具体电路如图5所示。

图5 热源阀控制电路

1.8 RS485通信模块

要实现计算机对空调的监控，必须将计算机与控制板连接在一起，进行有效的数据交流。计算机与微机之间的接口一般有USB,RS232,RS422和RS485等，PC机大多通过RS232接口对单片机进行控制,由于计算机上的RS232协议所传输的距离不能超过30m,所以在远距离数据传送和控制时,需将RS232转换成RS485协议进行远距离传输[6],根据系统设计要求，上位PC机应能对空调实现远程监控。

所以系统选用RS485接口进行通信设计。在电路设计中，采用MAX485作为收发器，采用稳压管组成吸收回路来抑制各种干扰，同时为确保A端的电压高于B端，分别在A端接上拉电阻、B端接下拉电阻，具体电路设计如图6所示。

图6 RS485通信接口

2 系统软件设计

系统单片机采用C语言编程，以ICCAVR为开发环境，将编写的C源代码生成COFF文件，再用AVR Studio进行程序仿真。为了方便程序调试和可靠性，程序采用模块化结构，控制器软件的核心部分逻辑控制程序流程如图7所示。

图7 系统主程序流程

对于温湿度的采样处理，由于具有较大的延迟性和惯性，系统在数据采样处理的时候采用了平滑处理和均值处理法。其主要思想为[7]：

a.采样周期为2s。

b.当前值和前一个值比较，差距超过2°，就丢掉。

c.记录当前值和之前的4个值，共5个值，做平均处理，计算出平均温湿度，用这个平均温湿度判断逻辑。

d.空调控制系统的控制终端在每次动作之前设置5 s的延时，防止空调到达控制临界点时，频繁出现开断而导致空调的使用寿命变短。

3 结束语

设计的精密空调控制系统与上位PC机相连,经过测试使用,在正常温度范围内,系统满足温度测试误差±0.1℃、相对湿度测试误差±3%的要求。执行电路能根据上位机和手操板上发送过来的控制命令，准确无误地对空调进行控制, 实现了温湿度的监测与自动控制，这种自动智能化控制,在节能的同时,也给人们带来了便利。

[1] 郭小龙,曾光明,吴兴利，等.基于AVR单片机温室智能控制系统的设计[J].天津科技大学学报,2012,27(5):65-68.

[2] 陈 柱，聂立波，常 浩. 基于AVR单片机的温度测量与控制系统设计[J]. 湖南工业大学学报,2012,26(3):76-81.

[3] 耿德根,宋建国,马 潮，等. AVR高速嵌入式单片机原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2001.

[4] 王武礼,杨 华. 基于SHT11的粮仓温湿度测控系统的设计[J].仪表技术与传感器,2010(9):50-53.

[5] 兰 羽,卢庆林.基于AT89C52的便携式甲醛检测仪设计[J].机械与电子,2014(1)：67-70.

[6] 李 永,李芙玲, 贺秀玲. 基于PC机和AVR单片机的RS485通信系统的设计与实现[J].工矿自动化，2008(1):108-110.

[7] 陆 秋,程小辉.基于单片机的恒温箱节能控制设计[J].计算机测量与控制,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)

为了能够准确监测和控制机房的温湿度，以保证通信机房内计算机的高效运行。系统采用ATmega128单片机为控制中心,由STH11温湿度传感器、RS485通信接口及12864字符型液晶模块构成的精密空调控制系统,实现对机房的温湿度精确测量与控制。该系统电路简单、工作稳定、集成度高,调试方便,测试精度高,具有一定的实用价值。

通信机房；ATmega128单片机；STH11温湿度传感器；精密空调控制系统

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

周驰(1990-)，男，湖北汉川人，硕士研究生，研究方向为机电一体化；乐贵高(1964-)，男，江苏南京人，教授，研究方向为机、电、液一体化控制设计及仿真。