戶外設(shè)備的小型除濕器系統(tǒng)的設(shè)計

駱舒萍

(黎明職業(yè)大學(xué) 實驗實訓(xùn)部，福建 泉州362000)

0 引言

隨著科技的發(fā)展進步、自動化程度的不斷提高、裝置設(shè)備的變革更新，各類戶外設(shè)備都在朝著密集型、緊湊型方向發(fā)展，由于柜體的空間密閉且體積越來越狹小，在下雨高溫的潮濕天時，常常會造成部分戶外設(shè)備受潮導(dǎo)致絕緣性能下降，發(fā)生短路或是無法正常工作，從而造成嚴(yán)重故障或經(jīng)濟損失，因此對濕度的控制顯得尤為重要。

本項目采用AVR 單片機作為控制中心，利用半導(dǎo)體冷凝除濕技術(shù)，實現(xiàn)濕度檢測顯示，自動抽濕控制等功能，同時具備過熱保護裝置。對比于現(xiàn)有的除濕機體積大、無法小型化的缺點，該系統(tǒng)更為小巧便捷，且功耗低，性能好，安裝容易，適用于較小的封閉空間，可作為電力設(shè)備開關(guān)柜、電氣控制柜等設(shè)備的除濕裝置。在較低成本的情況下，使戶外電氣設(shè)備工作保持在良好干燥的環(huán)境中，從而延長戶外設(shè)備的使用壽命并降低故障發(fā)生幾率。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

除濕器系統(tǒng)控制硬件平臺主要包含5 部分基本電路:ATmega8 單片機控制模塊、溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊、報警模塊、LED 數(shù)碼顯示和除濕執(zhí)行控制單元。系統(tǒng)提供12V 和5V 電源為各模塊供電，整體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。系統(tǒng)以AVR 單片機為主處理器，通過傳感器分別采集溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)由采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換后判別溫濕度是否超過預(yù)設(shè)閥值。如果濕度超過則開啟除濕控制裝置，實現(xiàn)了開機的自動化。而溫度超標(biāo)則停止制冷，對半導(dǎo)體制冷片起過熱保護作用。

1.2 各功能模塊的選型

1.2.1 控制芯片

圖1 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

控制單元是整個系統(tǒng)的核心，它直接接收來自溫濕度傳感器采集的信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，實時監(jiān)測做出正確的判斷，從而完成LED 數(shù)碼顯示、自動除濕和報警輸出等任務(wù)。本設(shè)計選用ATMEL 公司MEGA8 AVR單片機作為微處理器。基于AVR 內(nèi)核的MEGA8 單片機性能高，指令執(zhí)行時間短，功耗低。它的芯片內(nèi)部提供了實時時鐘電路RTC、PWM 產(chǎn)生器;集成了如多路ADC 轉(zhuǎn)換器等強大豐富的硬件接口資源;擁有較大容量的Flash 和較強的驅(qū)動能力，可直接驅(qū)動LED 等大電流負(fù)載。另外它的運行速度快，運行速率可以高達(dá)1MIPS/MHz，但價格卻與低檔單片機相當(dāng)，是一款高性價比的單片機［1－2］，很適合作為除濕器的MCU 控制中心。

1.2.2 濕度采集模塊

濕度采集模塊主要選用濕度傳感器HS1101，它是一種基于獨特工藝設(shè)計的可靠性高、長期穩(wěn)定性好的電容式傳感器。HS1101 的電容值會隨著所測空氣相對濕度的變化而變化，兩者呈線性關(guān)系即相對濕度增大電容值也隨之增大。它測量的濕度范圍在0%～100%RH 之間，電容量由162PF 變到200PF，其誤差不大于±2%RH，同時具有較快速的反應(yīng)時間，響應(yīng)時間小于5s［3］。圖2 所示為濕度采集電路。

圖3 中我們用傳感器HS1101 和555 定時器搭建成多穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，J8 為Hs1101 濕度傳感器，在電路中等效于一個電容變量，一端與555 的TRIG 和THRES 兩引腳相接，一端接地，當(dāng)所處環(huán)境的濕度發(fā)生變化時，它的電容值也將隨之發(fā)生改變。根據(jù)多諧振蕩器的特性，采集電路將電容變量轉(zhuǎn)化成為與之成反比的電壓頻率輸出信號，分別經(jīng)由電阻R10、R11通過PD2、PD4 口送入ATMEGA8 進行數(shù)據(jù)處理計算脈沖頻率，這里電阻R10、R11 主要是防止輸出電流過大，起限流和短路保護作用，而電阻R12 主要是引入溫度效應(yīng)，做為內(nèi)部溫度補償［4］。根據(jù)555 電路輸出頻率和相對濕度的關(guān)系，如表1 所示，最終通過測量頻率達(dá)到檢測外界濕度值的目的。表1 中RH 代表相對濕度百分比(%RH)，F(xiàn)r 代表對應(yīng)濕度的頻率(Hz)。

圖2 濕度采集電路

表1 輸出頻率與相對濕度百分比關(guān)系表

1.2.3 溫度采集模塊

該模塊選用由National Semiconductor 公司生產(chǎn)的一款具有高工作精度的模擬溫度傳感器LM35。它擁有較寬的線性工作范圍，輸出為模擬電壓，且輸出的電壓與攝氏溫度呈線性正比關(guān)系，轉(zhuǎn)換公式為Vout=10*T(mV)，即0℃時輸出電壓Vout 為0V，溫度每上升一度，Vout 就會增加10mV。在常溫下，LM35 不需要額外的校準(zhǔn)處理或微調(diào)即可達(dá)到±1/4℃的常用室溫精確率［5－7］。LM35 可在正負(fù)雙電源和單電源兩種供電模式下工作，本設(shè)計采用+5V 單電源為其供電，工作電流小，十分省電。電路中溫度傳感器輸出腳直接與單片機的PC0 口相連，將采集到的模擬電壓信號送入ATmega8，通過ATmega8 的片內(nèi)A/D 轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換讀取數(shù)值，再由ATmega8 單片機系統(tǒng)驅(qū)動LED 數(shù)碼顯示所測外界溫度。

該模塊檢測溫度主要是對半導(dǎo)體制冷器件起過熱保護的作用，根據(jù)半導(dǎo)體制冷器件的特性，它的最大溫差不能高于65℃，否則器件將不能正常工作或損壞。因此本系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)溫度高于60 度并持續(xù)6s 后，系統(tǒng)將提示報警，同時關(guān)閉半導(dǎo)體制冷設(shè)備。

1.2.4 半導(dǎo)體制冷模塊

半導(dǎo)體制冷片是實現(xiàn)除濕的核心主件，控制電路如圖3所示，額定工作電壓12V。制冷片這里選用TEC1－12704，它是一種電流換能型器件，通過對電流方向的控制達(dá)到冷卻和加熱的目的。制冷片主要是珀爾帖效應(yīng)在制冷技術(shù)方面的應(yīng)用，其重量輕、體積小，安裝便捷，無需靠制冷劑制冷且制冷速度快，綠色環(huán)保，控制精度高［8－9］，適用于一些空間受限、可靠性要求高的場合。制冷片工作時其熱端將戶外設(shè)備機柜內(nèi)的潮濕空氣進行加熱處理，同時在風(fēng)扇裝置的作用下促進內(nèi)部空氣加速流動。當(dāng)熱風(fēng)循環(huán)經(jīng)過冷端時，流動空氣中的水分快速遇冷凝結(jié)成水滴，最后通過排水裝置排出柜外以達(dá)到除濕干燥空氣的目的。

2 軟件流程與設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖4 所示，它是整個系統(tǒng)程序的框架，采用模塊化設(shè)計及時響應(yīng)各種服務(wù)請求、進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)通信和控制輸出，實現(xiàn)了控制輸出的實時性與快速性，確保了除濕器的正常工作。主程序主要由初始化設(shè)備、溫濕度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及向除濕器發(fā)出控制命令幾部分組成。

圖3 制冷、風(fēng)扇控制電路

圖4 控制系統(tǒng)信息處理主程序流程圖

系統(tǒng)上電后首先完成對各端口硬件的初始化工作，然后自動采集來自溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)加工處理存入寄存器，接著調(diào)用顯示程序啟動LED 數(shù)碼顯示溫濕度數(shù)值，同時向串口發(fā)送溫濕度值，調(diào)用溫濕度報警檢測程序，根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)信息和設(shè)定的參數(shù)閾值進行比較判別，若超出則輸出相應(yīng)的控制指令，啟動制冷除濕設(shè)備和報警，否則回到待機狀態(tài)。

在軟件設(shè)計中包括以下幾個主要任務(wù)函數(shù):溫度采集函數(shù)Get_temper、濕度采集函數(shù)Get_humidity、溫度值轉(zhuǎn)換顯示函數(shù)Temper_play、濕度顯示函數(shù)Humidity_play、閥值控制函數(shù)Sys_control 和Led 狀態(tài)顯示函數(shù)Led_play。系統(tǒng)控制部分程序如下:

程序里定義字節(jié)Sys_zt 代表系統(tǒng)當(dāng)前所處狀態(tài)，它用數(shù)值＆H00、＆H20、＆H14 分別來表示待機、制冷和報警三種狀態(tài)。當(dāng)檢測到外界環(huán)境相對濕度高于或等于58%且持續(xù)6 秒時系統(tǒng)進入制冷狀態(tài)，啟動制冷及風(fēng)扇，當(dāng)檢測到外界溫度高于60 度且持續(xù)6 秒啟動報警，同時關(guān)閉制冷保護除濕設(shè)備。

3 結(jié)語

本設(shè)計將單片機控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和通信技術(shù)有機結(jié)合，完成了自動除濕控制系統(tǒng)的設(shè)計［10－11］。該小型除濕器系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，運行平穩(wěn)，可連續(xù)工作，而且它無需使用干燥劑和制冷劑，環(huán)境友好，使用便捷，方案成本相對低廉，性能穩(wěn)定可靠，可對溫濕度進行實時的監(jiān)控，智能調(diào)節(jié)空間內(nèi)濕度。除了能運用到戶外用電設(shè)備，更好的保護設(shè)備外，該技術(shù)還可以推廣運用到人們的工作家居生活等，如實驗室精密儀器的存放柜和小型操作箱的除濕和控濕、家庭保險柜或儲物柜內(nèi)貴重物品的除濕防潮等地方，實用性強，具有廣闊的應(yīng)用前景，在經(jīng)濟上和技術(shù)上都具有積極意義。

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