基于ATmega16的农业机械空调控制系统设计
2023-01-09朱天顺杨光明董宇辉
朱天顺 ,孟 浩 ,杨光明 ,董宇辉
(空军预警学院雷达士官学校,湖北 武汉 430000)
随着现代农业机械技术的发展,空调已成为大中型农业机械设备的标配,其中定频空调因价格便宜、制冷效果好、性价比高,在农业机械中大量使用。空调已成为农业机械的必备装置,与此同时,其故障率也相应增多,空调修理学员迫切希望能够掌握空调的工作原理,以便快速对空调电路系统进行维修。本文以ATmega16单片机为核心,设计了一款农业机械空调控制系统,全真模拟了空调器制冷、制热运行过程,该设计形象直观、简单可靠,方便修理人员及开发人员了解空调运行过程,能够较好地满足教学和科研需要[1]。
1 系统总体设计
空调控制系统结构图如图1所示,本文设计的空调实验系统选择以ATmega16单片机为核心的双传感器空调微电脑控制系统[2]。控制系统主要由电源电路、ATmega16控制器电路、温度传感器电路、红外接收电路、驱动电路和显示部分等组成。ATmega16单片机是空调系统的核心,它能接收外部遥控器信号,并采集温度传感器的输入信号,经过运算处理后,输出控制信号,驱动压缩机、风机、四通阀的运行和停止,实现空调的制冷、制热效果[3]。
图1 空调控制系统结构图
2 硬件电路设计
2.1 电源电路
电源电路主要由交流电源和直流电源两部分组成,其中交流电源为市电交流220 V,主要给变压器、压缩机、内风机、外风机、四通阀等执行元件提供电源。直流电源由交流降压变压器、桥式整流电路、滤波电容和集成稳压芯片构成。直流电源经过变压、整流、滤波、稳压后,最终会输出+5 V、+12 V的直流电压;其中+5 V电压的要求较高,必须为稳定电源,主要为单片机、温度传感器等供电;+12 V主要为反相器和继电器供电[4]。
2.2 单片机主控电路
单片机主控电路以ATmega16为核心,该单片机是一款低功耗8位微控制器,价格便宜,编程简单[5]。本实验系统的最大优势是该单片机内置有8路10位精度A/D转换器,无需外接A/D转换芯片即可实现热敏电阻分压大小的采集。另外,带有定时器及外部中断,可实现红外接收解码;丰富的I/O资源,可灵活控制继电器的吸合断开;片内自带512字节EEPROM,可存储简单运行数据。ATmega16单片机最小系统仅需提供电源、晶振、复位电路即可正常工作。
2.3 温度检测电路
温度检测电路将温度传感器与固定电阻串联,如图2所示。温度传感器采用的是负温度系数的热敏电阻,温度越高,阻值越小。ATmega16单片机的ADC输入引脚采集固定电阻的分压,传感温度过高,则ADC输入端的电位高;传感温度过低,则ADC输入端的电位低。单片机会将检测电压转换为当前的室温和管温,作为输出控制指令的依据[6]。
图2 温度检测电路
2.4 红外接收及应急开关电路
红外接收电路主要通过红外遥控接收器将红外光信号转换为电信号,再经过放大滤波等处理后变成脉冲调制码传送给ATmega16单片机进行处理分析,并输出相应的控制信号[7]。
应急开关电路主要由一个按钮开关和限流电阻构成,当按下应急开关时,会触发一个低电平信号,强制空调进入自动模式。此开关一般在检修时备用,不可长期使用。红外接收及应急开关电路图,如图3所示。
图3 红外接收及应急开关电路
2.5 驱动电路
本空调实验系统的驱动电路主要是由达林顿驱动芯片ULN2003反相器实现的。ULN2003输入端接单片机引脚,输出端接对应的继电器。这样ATmega16单片机输出的微弱信号经过反相器放大后,就可以驱动控制内外风机、压缩机、四通阀的6个继电器[8]。
2.6 执行机构电路
执行机构电路如图4所示,它主要根据单片机发出的控制指令,通过继电器的通断来控制压缩机、外风机、四通阀工作并调节内风机的风速。其中,压缩机、内外风机的副绕组均需要串联启动电容[9]。
图4 执行机构电路
3 系统软件设计
本文所设计的空调实验系统的软件部分如图5所示,主要包括程序初始化、红外信号处理、应急按键处理、温度数据采集、主功能处理、数据显示等模块[10]。
图5 主程序
系统上电后,首先进行初始化工作,然后进入待机状态,等待外部遥控输入或者应急按键动作,如有开机信号,则进行A/D转换,读取热敏电阻的分压大小,转换为当前的室温、管温,再送至主功能处理子程序。主功能处理子程序流程如图6所示,主要判断空调的工作模式,分为自动模式、制冷模式、制热模式以及风速调节模式。自动模式下,当室温大于等于23 ℃时空调进入制冷状态,小于23 ℃时进入制热状态[11];制冷模式下,室温高于设定温度时,控制相应继电器驱动压缩机,内外风机启动开始制冷,室温低于设定温度后,停止制冷;制热模式下,室温低于设定温度时,启动压缩机、内外风机、四通阀开始制热,室温高于设定温度后,停止制热;风速调节模式下,可以根据设置的风速,控制抽头风机工作于高、中、低三种风速状态。
图6 主功能处理子程序
4 结语
本文将广泛使用的ATmega16单片机作为农业机械空调设备的控制核心,设计出的软硬件简单可靠且性价比高,较好地实现了农业机械设备驾驶室的温度采集,并能够根据设定温度控制执行机构的运行和停止,调节驾驶室内温度并使其稳定在一定范围内,具有一定的创新性和实用性,对空调修理技术人员学习和掌握空调控制原理具有重要意义。但是,本控制系统还存在以下不足之处:一是内风机采用的是抽头风机,不能实现无级调速,噪声有点大;二是未实现对变频压缩机的控制,因此后续还可以对其进行进一步改进和完善。