中央空調(diào)溫濕度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：中央空調(diào)的溫濕度檢測系統(tǒng)是空調(diào)系統(tǒng)的最基本最重要的控制系統(tǒng)，它的發(fā)展必將影響到中央空調(diào)性能的發(fā)展。文中主要分析并設(shè)計(jì)了溫濕度數(shù)據(jù)采集電路，單總線接口電路以及液晶顯示電路，采用MAX232與現(xiàn)場PC機(jī)通信。整個(gè)系統(tǒng)的控制器選用單片機(jī)AT89S52，溫度傳感器選用DS2438，濕度傳感器選用HIH-4000。在軟件設(shè)計(jì)部分，采用C51編寫程序來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性，快速性，穩(wěn)定性、精確性等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：AT89S52；單總線技術(shù)；測控系統(tǒng)；傳感器

    隨著人民生活水平的提高，人們對居住環(huán)境的要求不斷提高，辦公樓、商住樓、商場、酒店等建筑已必須配備舒適的中央空調(diào)系統(tǒng)。舒適的中央空調(diào)系統(tǒng)需要對房間內(nèi)的溫度、濕度、潔凈度、空氣質(zhì)量等實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)視及準(zhǔn)確控制。計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，新的高科技技術(shù)不斷應(yīng)用到各個(gè)方面中，使得智能化已成為一種發(fā)展的必然趨勢。數(shù)字傳感器的普及，及其直接輸出的數(shù)字信號可適配于各種微處理器，使中央空調(diào)溫濕度檢測系統(tǒng)應(yīng)該在系統(tǒng)穩(wěn)定性、抗干擾性、實(shí)時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性等方面有很高的要求。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案
1．1 系統(tǒng)的組成
    因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是以嵌入式微控制器為核心，它控制本系統(tǒng)的各模塊功能，因此選擇性能可靠、發(fā)展技術(shù)成熟的AT89S52單片機(jī)為本系統(tǒng)的控制器。本系統(tǒng)主要完成中央空調(diào)溫濕度信號的采集，信號的處理，以及液晶實(shí)時(shí)顯示等主要任務(wù)。下位機(jī)由微控制器、溫濕度傳感器、LCD顯示器、鍵盤輸入等組成，其中，溫濕度檢測模塊采用單總線實(shí)際方案，僅需1根線實(shí)現(xiàn)電源及雙向數(shù)據(jù)傳輸。其任務(wù)是完成中央空調(diào)送風(fēng)口的溫濕度信息的采集。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)進(jìn)行控制，根據(jù)溫濕度傳感器提供的參考數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對送風(fēng)口溫濕度的有效的、合理的控制。中央空調(diào)溫濕度檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)的工作過程
    本系統(tǒng)主要是以溫濕度檢測模塊為核心，濕度傳感器采用熱固聚酯電容式傳感頭，同時(shí)在內(nèi)部集成了信號處理功能電路，因此該傳感器可完成將相對濕度值變換成電容值，再將電容值轉(zhuǎn)換成線性電壓輸送到含有2個(gè)ADC和一個(gè)溫度傳感器的DS2438溫度傳感器內(nèi)。由DS2438將模擬濕度電壓信號數(shù)字化后，連同溫度的數(shù)字信號一同通過單總線送入微控制器，完成溫濕度信號的采集。微控制器將溫濕度信號通過特定的算法換算成溫濕度值通過LCD12864直觀的顯示出來，給中央空調(diào)的溫濕度調(diào)節(jié)提供了可靠的依據(jù)。
1．3 溫濕度檢測模塊的設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)中溫濕度傳感器分別選用的是美國DALLAS公司生產(chǎn)的智能單總線溫度傳感器DS2438和Honeywell公司生產(chǎn)的集成線性濕度傳感器HIH-4000組合而成符合單總線協(xié)議的溫濕度檢測模塊。DS2438器件的工作方式采用單總線技術(shù)的工作方式，即僅用1根口線實(shí)現(xiàn)電源及雙向數(shù)據(jù)傳輸。其內(nèi)置13位溫度傳感器(最小分辨率為0．031 25℃)、二通道10位電壓A／D轉(zhuǎn)換寄存器、10位電流A／D轉(zhuǎn)換寄存器、40字節(jié)非易失性用戶存儲(chǔ)器。濕度傳感器HIH-4000具有精度高、響應(yīng)快速、高穩(wěn)定性、低溫漂、抗化學(xué)腐蝕性能強(qiáng)及互換性好等優(yōu)點(diǎn)。HIH-4000輸出電壓與濕度的關(guān)系曲線如圖2所示。

    由特性指標(biāo)及輸出電壓與相對濕度關(guān)系曲線可得出如下結(jié)論：HIH-4000在供電電壓為5 V時(shí)，其消耗電流僅為200μA，故完全可滿足一線總線對器件低功耗的要求。濕度傳感器HIH-4000的輸出電壓與濕度的關(guān)系式為：
    VRHout=VRHoc[0．006 2(Sensor％RH)+0．16]         (1)
    式中：VRHout為HIH-4000的輸出電壓；VRHoc為HIH-4000的電源電壓(由圖2可知VRHoc等于DS2438的VDD)；sensor％RH為相對濕度。VRH out和VRHoc的值，利用DS2438內(nèi)置的兩個(gè)電壓A／D轉(zhuǎn)換寄存器測出，則相對濕度sensor％RH的表達(dá)式為：
   
    值得一提的是電壓VRHoc并非恒等于5 V，事實(shí)上受到技術(shù)上和電網(wǎng)等干擾的影響，其電壓是在5 V附近有微小的波動(dòng)。公式(2)是在25℃時(shí)傳感器輸出和濕度的關(guān)系，當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償公式為：
    New％RH=(Sensor％RH)／(1．054 6-0．002 16T)       (3)
    式中：功環(huán)境攝氏溫度值，New％RH為濕度的修正值，即環(huán)境的實(shí)際濕度值。式中溫度補(bǔ)償值利用DS2438內(nèi)部的溫度傳感器提供。本系統(tǒng)利用DS2438內(nèi)部的溫度傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的測量，此溫度一方面由于溫度值輸出，另一方面用于濕度測量時(shí)溫度值的補(bǔ)償。然后利用DS24 38內(nèi)部的電壓ADC，通過多路開關(guān)切換分別得到濕度測量值和濕度測量時(shí)單線的電壓值。這樣，通過DS2438可獲得溫濕度測量值及溫度補(bǔ)償值。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    中央空調(diào)溫濕度檢測系統(tǒng)的硬件原理圖如圖3所示。

    溫濕度檢測模塊與AT89S52的P1．0口相連接，同時(shí)在P1．0 口上接一個(gè)4．7 kΩ的上拉電阻。它主要包括溫濕度檢測與單片機(jī)處理、鍵盤輸入與顯示輸出。其中溫濕度傳感器是本系統(tǒng)的測域單元。設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，硬件部分尤其重要，它是整個(gè)系統(tǒng)的骨架，缺少硬件支撐的系統(tǒng)將會(huì)癱瘓。另外硬件是軟件實(shí)現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)，軟件只有通過與硬件相互聯(lián)系才能更好的實(shí)現(xiàn)其功能。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    軟件是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)中最為關(guān)鍵的部分，它的完成與實(shí)現(xiàn)也決定了整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行的成功與否本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括溫濕度檢測、LCD顯示、鍵盤等程序設(shè)計(jì)。因?yàn)镈S2438單總線期間對時(shí)序的要求非常嚴(yán)格，對溫濕度檢測采取匯編語言進(jìn)行編寫，而LCD和鍵盤驅(qū)動(dòng)則采用C語言進(jìn)行編寫，整體采用目前流行的C語言與匯編嵌套的編程思路。這樣做的目的是既能達(dá)到DS2438的時(shí)序要求高的要求，義能以最少的工作量完成整體的程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的主程序框圖與溫濕度檢測模塊框圖如圖4所示。

4 結(jié)論
    本次設(shè)計(jì)論述了基于單總線設(shè)計(jì)的中央空調(diào)溫濕度檢測表系統(tǒng)，采用AT89S52作為系統(tǒng)的核心，采用MAX232數(shù)據(jù)傳輸完成與上位機(jī)的通信，通過12864液晶顯示器將采集到的溫濕度顯示出來。
    按本系統(tǒng)搭接成的實(shí)物放在某室內(nèi)已成功運(yùn)行數(shù)月，測試結(jié)果基本正常，但是，由于一些客觀因素存在的關(guān)系，致使?jié)穸葌鞲衅鳒y得的結(jié)果波動(dòng)范同較大，但總體還算穩(wěn)定。本人分析原因可能是由于板子是自己搭接而成，不是正規(guī)印制電路板，加之室內(nèi)有較大的電磁干擾源而造成的誤差。而這些誤差的存在是不能避免的。
    整個(gè)電路本著簡單可靠，選用低價(jià)格通用元器件的原則完成了本設(shè)計(jì)的任務(wù)，而抗干擾技術(shù)是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié)，合理地使用硬件和軟件抗干擾技術(shù)，可使系統(tǒng)最大限度的避免干擾的產(chǎn)生和受干擾后能使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地工作。本次設(shè)計(jì)中選用的器件都是價(jià)格低廉、性能穩(wěn)，性價(jià)比高元器件，經(jīng)過進(jìn)一步改造定能投入使用。