户外设备的小型除湿器系统的设计

骆舒萍

(黎明职业大学 实验实训部，福建 泉州362000)

0 引言

随着科技的发展进步、自动化程度的不断提高、装置设备的变革更新，各类户外设备都在朝着密集型、紧凑型方向发展，由于柜体的空间密闭且体积越来越狭小，在下雨高温的潮湿天时，常常会造成部分户外设备受潮导致绝缘性能下降，发生短路或是无法正常工作，从而造成严重故障或经济损失，因此对湿度的控制显得尤为重要。

本项目采用AVR 单片机作为控制中心，利用半导体冷凝除湿技术，实现湿度检测显示，自动抽湿控制等功能，同时具备过热保护装置。对比于现有的除湿机体积大、无法小型化的缺点，该系统更为小巧便捷，且功耗低，性能好，安装容易，适用于较小的封闭空间，可作为电力设备开关柜、电气控制柜等设备的除湿装置。在较低成本的情况下，使户外电气设备工作保持在良好干燥的环境中，从而延长户外设备的使用寿命并降低故障发生几率。

1 系统的硬件设计

1.1 硬件系统的结构

除湿器系统控制硬件平台主要包含5 部分基本电路:ATmega8 单片机控制模块、温湿度数据采集模块、报警模块、LED 数码显示和除湿执行控制单元。系统提供12V 和5V 电源为各模块供电，整体设计结构图如图1 所示。系统以AVR 单片机为主处理器，通过传感器分别采集温湿度数据，经由采样、模数转换后判别温湿度是否超过预设阀值。如果湿度超过则开启除湿控制装置，实现了开机的自动化。而温度超标则停止制冷，对半导体制冷片起过热保护作用。

1.2 各功能模块的选型

1.2.1 控制芯片

图1 系统设计结构图

控制单元是整个系统的核心，它直接接收来自温湿度传感器采集的信号，经过数据处理，实时监测做出正确的判断，从而完成LED 数码显示、自动除湿和报警输出等任务。本设计选用ATMEL 公司MEGA8 AVR单片机作为微处理器。基于AVR 内核的MEGA8 单片机性能高，指令执行时间短，功耗低。它的芯片内部提供了实时时钟电路RTC、PWM 产生器;集成了如多路ADC 转换器等强大丰富的硬件接口资源;拥有较大容量的Flash 和较强的驱动能力，可直接驱动LED 等大电流负载。另外它的运行速度快，运行速率可以高达1MIPS/MHz，但价格却与低档单片机相当，是一款高性价比的单片机［1－2］，很适合作为除湿器的MCU 控制中心。

1.2.2 湿度采集模块

湿度采集模块主要选用湿度传感器HS1101，它是一种基于独特工艺设计的可靠性高、长期稳定性好的电容式传感器。HS1101 的电容值会随着所测空气相对湿度的变化而变化，两者呈线性关系即相对湿度增大电容值也随之增大。它测量的湿度范围在0%～100%RH 之间，电容量由162PF 变到200PF，其误差不大于±2%RH，同时具有较快速的反应时间，响应时间小于5s［3］。图2 所示为湿度采集电路。

图3 中我们用传感器HS1101 和555 定时器搭建成多稳态触发器，J8 为Hs1101 湿度传感器，在电路中等效于一个电容变量，一端与555 的TRIG 和THRES 两引脚相接，一端接地，当所处环境的湿度发生变化时，它的电容值也将随之发生改变。根据多谐振荡器的特性，采集电路将电容变量转化成为与之成反比的电压频率输出信号，分别经由电阻R10、R11通过PD2、PD4 口送入ATMEGA8 进行数据处理计算脉冲频率，这里电阻R10、R11 主要是防止输出电流过大，起限流和短路保护作用，而电阻R12 主要是引入温度效应，做为内部温度补偿［4］。根据555 电路输出频率和相对湿度的关系，如表1 所示，最终通过测量频率达到检测外界湿度值的目的。表1 中RH 代表相对湿度百分比(%RH)，Fr 代表对应湿度的频率(Hz)。

图2 湿度采集电路

表1 输出频率与相对湿度百分比关系表

1.2.3 温度采集模块

该模块选用由National Semiconductor 公司生产的一款具有高工作精度的模拟温度传感器LM35。它拥有较宽的线性工作范围，输出为模拟电压，且输出的电压与摄氏温度呈线性正比关系，转换公式为Vout=10*T(mV)，即0℃时输出电压Vout 为0V，温度每上升一度，Vout 就会增加10mV。在常温下，LM35 不需要额外的校准处理或微调即可达到±1/4℃的常用室温精确率［5－7］。LM35 可在正负双电源和单电源两种供电模式下工作，本设计采用+5V 单电源为其供电，工作电流小，十分省电。电路中温度传感器输出脚直接与单片机的PC0 口相连，将采集到的模拟电压信号送入ATmega8，通过ATmega8 的片内A/D 转换器进行模数转换读取数值，再由ATmega8 单片机系统驱动LED 数码显示所测外界温度。

该模块检测温度主要是对半导体制冷器件起过热保护的作用，根据半导体制冷器件的特性，它的最大温差不能高于65℃，否则器件将不能正常工作或损坏。因此本系统设计当温度高于60 度并持续6s 后，系统将提示报警，同时关闭半导体制冷设备。

1.2.4 半导体制冷模块

半导体制冷片是实现除湿的核心主件，控制电路如图3所示，额定工作电压12V。制冷片这里选用TEC1－12704，它是一种电流换能型器件，通过对电流方向的控制达到冷却和加热的目的。制冷片主要是珀尔帖效应在制冷技术方面的应用，其重量轻、体积小，安装便捷，无需靠制冷剂制冷且制冷速度快，绿色环保，控制精度高［8－9］，适用于一些空间受限、可靠性要求高的场合。制冷片工作时其热端将户外设备机柜内的潮湿空气进行加热处理，同时在风扇装置的作用下促进内部空气加速流动。当热风循环经过冷端时，流动空气中的水分快速遇冷凝结成水滴，最后通过排水装置排出柜外以达到除湿干燥空气的目的。

2 软件流程与设计

系统主程序流程图如图4 所示，它是整个系统程序的框架，采用模块化设计及时响应各种服务请求、进行数据采集、数据处理、系统通信和控制输出，实现了控制输出的实时性与快速性，确保了除湿器的正常工作。主程序主要由初始化设备、温湿度数据采集、数据处理以及向除湿器发出控制命令几部分组成。

图3 制冷、风扇控制电路

图4 控制系统信息处理主程序流程图

系统上电后首先完成对各端口硬件的初始化工作，然后自动采集来自温湿度传感器的数据，经过数据加工处理存入寄存器，接着调用显示程序启动LED 数码显示温湿度数值，同时向串口发送温湿度值，调用温湿度报警检测程序，根据检测到的数据信息和设定的参数阈值进行比较判别，若超出则输出相应的控制指令，启动制冷除湿设备和报警，否则回到待机状态。

在软件设计中包括以下几个主要任务函数:温度采集函数Get_temper、湿度采集函数Get_humidity、温度值转换显示函数Temper_play、湿度显示函数Humidity_play、阀值控制函数Sys_control 和Led 状态显示函数Led_play。系统控制部分程序如下:

程序里定义字节Sys_zt 代表系统当前所处状态，它用数值＆H00、＆H20、＆H14 分别来表示待机、制冷和报警三种状态。当检测到外界环境相对湿度高于或等于58%且持续6 秒时系统进入制冷状态，启动制冷及风扇，当检测到外界温度高于60 度且持续6 秒启动报警，同时关闭制冷保护除湿设备。

3 结语

本设计将单片机控制技术、传感器技术和通信技术有机结合，完成了自动除湿控制系统的设计［10－11］。该小型除湿器系统电路结构简单，运行平稳，可连续工作，而且它无需使用干燥剂和制冷剂，环境友好，使用便捷，方案成本相对低廉，性能稳定可靠，可对温湿度进行实时的监控，智能调节空间内湿度。除了能运用到户外用电设备，更好的保护设备外，该技术还可以推广运用到人们的工作家居生活等，如实验室精密仪器的存放柜和小型操作箱的除湿和控湿、家庭保险柜或储物柜内贵重物品的除湿防潮等地方，实用性强，具有广阔的应用前景，在经济上和技术上都具有积极意义。

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