基于單片機(jī)的移動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦藝萌，吳其洲

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

移動(dòng)空調(diào)又稱為點(diǎn)式多用途制冷機(jī)或移動(dòng)式工業(yè)冷氣機(jī)，突破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，相比于傳統(tǒng)分離式空調(diào)更便捷、即開即用，低成本、電路設(shè)計(jì)及部件構(gòu)造等相對(duì)于傳統(tǒng)空調(diào)性價(jià)比更高，體積小、無需安裝，壓縮機(jī)、排風(fēng)機(jī)、電熱器、蒸發(fā)器、冷凝器全部集成在一起，有可隨意放置等優(yōu)點(diǎn)，可以兼具制冷、取暖、通風(fēng)、除濕等多種功能，適用于安裝或者固定安裝成本過高的場所. 國內(nèi)較于國外針對(duì)移動(dòng)空調(diào)的發(fā)展起步較晚，但目前也已經(jīng)發(fā)展到一定程度，市場開始對(duì)功耗和性能做要求[1].

單片機(jī)作為信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)奈⑿涂刂朴?jì)算器，在家居產(chǎn)品中發(fā)揮著重要作用，其可以結(jié)合不同的外圍模塊實(shí)現(xiàn)多種控制方式，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性. 不斷促進(jìn)生活方式向更方便、更快捷、更高效的趨勢(shì)發(fā)展. 針對(duì)如今快節(jié)奏的生活來說，滿足人們?cè)诠ぷ骱蜕畹确矫孀非蟾咝?、即開即用的需求. 基于此，本文實(shí)現(xiàn)以SH79F3283單片機(jī)為基礎(chǔ)的移動(dòng)空調(diào)的設(shè)計(jì).

1 系統(tǒng)硬件

1.1 低功耗主控芯片的選型

低功耗是設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的重要考慮因素，本文采用SH79F3283單片機(jī)，集成了EUART0，EUART1全雙工的串口通行模塊[2]，內(nèi)建看門狗定時(shí)器，低電壓復(fù)位功能及系統(tǒng)時(shí)鐘監(jiān)控功能. 如圖 1 所示，引腳24-26控制系統(tǒng)的顯示模塊，引腳41-42控制峰鳴器的發(fā)音時(shí)長與頻率，引腳19-21控制系統(tǒng)的溫濕度調(diào)節(jié)等功能. 本方案選用的單片機(jī)為減少功耗，提供兩種低功耗省電模式： 空閑模式及掉電模式. 空閑模式能夠降低系統(tǒng)功耗，在此模式下，程序終止運(yùn)行，但外部設(shè)備始終保持進(jìn)入空閑狀態(tài)前并保證繼續(xù)運(yùn)行； 掉電模式可以使系統(tǒng)進(jìn)入功耗非常低的狀態(tài)，停止CPU和外圍設(shè)備的所有時(shí)鐘信號(hào). 此外，選用EUART0的9 b異步、固定波特率串行方式. 8 MHz 晶振作為主振蕩器，為提高串口通信的穩(wěn)定性，外加兩個(gè)30pf的陶瓷諧振電容.

圖 1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

1.2 按鍵操作顯示模塊

此模塊采用一種帶鍵盤掃描接口的驅(qū)動(dòng)控制專用芯片TM1628來驅(qū)動(dòng)8段2 b的數(shù)碼管，其最高可支持10*2的矩陣按鍵掃描，本文使用3*2 即可[3]. 例如，當(dāng)SW2按鍵按下時(shí)，SEG2/KS2 輸出高電平，K1因其導(dǎo)通為高電平被單片機(jī)讀取. 此外，因?yàn)镾EG1/KS1- SEG10/KS10是顯示和按鍵掃描復(fù)用的，為解決在同時(shí)按下按鍵時(shí)形成的通路造成數(shù)碼管顯示異常的現(xiàn)象，需要串聯(lián)一個(gè)二極管，如圖 2 所示.

圖 2 按鍵掃描電路

1.3 音樂蜂鳴器電路

PNP8550作為開關(guān)電路驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，如圖 3 所示. 其中pBUZ-P和pBUZ-F是單片機(jī)的PWM定時(shí)器輸出信號(hào)和定時(shí)器互補(bǔ)輸出信號(hào)，經(jīng)ULN2003增益后向蜂鳴器電路提供驅(qū)動(dòng). 當(dāng)BUZ-P點(diǎn)電位小于11.3 V，滿足三極管導(dǎo)通壓降時(shí)，Q1導(dǎo)通蜂鳴器發(fā)聲，BUZ-F控制蜂鳴器發(fā)聲頻率即音調(diào)，發(fā)音頻率與發(fā)音時(shí)長的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖 4 所示. 當(dāng)Q1截止，E7，R34放電，為蜂鳴器發(fā)聲提供尾音.

圖 3 音樂蜂鳴器電路Fig.3 Music buzzer circuit

圖 4 音樂蜂鳴器示例波形Fig.4 Music buzzer Sample waveform

1.4 溫度信息采集電路

此模塊需采集的信息包括室溫、空調(diào)內(nèi)部的蒸發(fā)器及冷凝器的溫度，另外還需監(jiān)測水箱水位，以便在無法正常工作時(shí)報(bào)警. 如圖 5 所示，RC電路(指模塊中R41及C9組成的RC電路)是為防止初上電時(shí)，電壓信號(hào)不穩(wěn)會(huì)產(chǎn)生的誤觸發(fā)情況. 即R41必須是時(shí)電壓信號(hào)較敏感的高精度電阻，以便更精確地反映溫度變化.

(1)

式中：V為采集到的電壓信號(hào)；RNTC為熱敏電阻值；R46為采集電壓信號(hào)的下拉電阻；VCC為單片機(jī)外部電壓參考引腳. 采集到的電壓信號(hào)經(jīng)AD(AD為數(shù)模轉(zhuǎn)換的量化值代稱，表示輸入模擬電平與參考電平數(shù)值轉(zhuǎn)化的比例量化結(jié)果值)轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)[4].

(2)

本文所用的SH79F3283為8 b單片機(jī)，AD為12 b，即n為12.

圖 5 溫度信息采集電路Fig.5 Temperature information acquisition circuit

1.5 供電電路

系統(tǒng)單片機(jī)、其他芯片及繼電器等元器件需要 5 V 和12 V的直流電源，因此，本設(shè)計(jì)供電電路采用可補(bǔ)償過載功率的TNY288PN構(gòu)成高效離線式開關(guān)IC，電源電路如圖 6 所示. 開關(guān)電源的基本原理是輸入端直接將交流電變成直流電，再在高頻振蕩電路的作用下，用開關(guān)控制電路的通斷[5]. 開關(guān)周期由芯片內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)來調(diào)控. 振蕩器電路可產(chǎn)生輕微的頻率抖動(dòng)，當(dāng)振蕩電路的調(diào)制速率設(shè)置在1 kHz的水平時(shí)，能有效降低電磁干擾.

開關(guān)IC的使能引腳由光耦驅(qū)動(dòng)，可以有效隔離上下級(jí)電路，減小干擾并增加安全性. 同時(shí)為提高輸出反饋精度，本設(shè)計(jì)中，由TL431代替穩(wěn)壓二極管由輸出分壓引入反饋，如圖 6 所示，當(dāng)輸出電壓大于TL431的基準(zhǔn)電壓VREF與光耦正向壓降之和時(shí)，電流流向光耦LED[6]，從而下拉光耦中晶體管的電流. 此電流超出使能引腳閾值時(shí)，將抑制下一個(gè)開關(guān)周期. 當(dāng)下降的輸出電壓VO低于反饋閾值時(shí)，會(huì)使能下一個(gè)開關(guān)周期. 通過調(diào)節(jié)使能周期數(shù)量來調(diào)節(jié)電壓，從而穩(wěn)定提供12 V直流電源.

(3)

此外，此電路還具有過壓保護(hù)功能，電路部分由R8，R11，E6，D2，VR1構(gòu)成.當(dāng)發(fā)生過壓情況，即偏置電壓大于VR1與旁路引腳電壓之和時(shí)，MOSFET關(guān)斷[7].

5 V直流電源由7805降壓濾波后提供. 其中電解電容濾波使輸出電壓紋波更加平滑，可以改善電源質(zhì)量； 每個(gè)電解電容再并聯(lián)一個(gè)0.1 μF的電容，如圖 6 中的E1，E2，E3等，用于濾除高頻干擾[8].

圖 6 開關(guān)電源及反饋電路

2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的移動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)中的軟件主要是使用功能C語言進(jìn)行編寫. 系統(tǒng)控制流程如圖 7 所示.

圖 7 AD值轉(zhuǎn)換程序流程圖Fig.7 AD value conversion program flowchart

如圖 8 所示，系統(tǒng)功能分為自動(dòng)、制冷、睡眠、制熱、通風(fēng)、除濕6種功能，其中在睡眠模式下可保持制冷或制熱功能的正常運(yùn)行. 系統(tǒng)初上電自動(dòng)檢測掉電記憶功能，顯示初始界面以后數(shù)碼管顯示室溫，等待中斷. 通過按鍵掃描判斷用戶的設(shè)定信息，系統(tǒng)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息運(yùn)行. 其中自動(dòng)模式中，當(dāng)室溫高于26 ℃時(shí)，制冷至24 ℃； 當(dāng)室溫低于23 ℃時(shí)，制熱至24 ℃； 否則為通風(fēng)模式. 制冷、制熱運(yùn)行時(shí)可設(shè)置睡眠模式，睡眠模式可通過按鍵中斷. 在程序中先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化設(shè)置，選擇AD通道ADCH=0xe0，定時(shí)器賦初值，設(shè)置EA=1允許中斷. 進(jìn)入while(1)循環(huán)，設(shè)置看門狗RSTSTAT=0x05為16ms溢出，當(dāng)有中斷發(fā)生時(shí)，硬件置位相應(yīng)的中斷標(biāo)志位，CPU響應(yīng)中斷，進(jìn)行中斷子程序[9]. 例如，當(dāng)判斷到自己定義的標(biāo)志位rsmod.bits.on_c=1時(shí)，則進(jìn)入自動(dòng)模式，判斷標(biāo)志位flag1.bits.clhtsel=1時(shí)，進(jìn)入制熱模式并清除睡眠，判斷有無按鍵中斷設(shè)置溫度. 若無設(shè)置溫度，則在自動(dòng)模式下的制熱默認(rèn)溫度設(shè)置為Ts=24 ℃，則繼續(xù)判斷室溫Tr與默認(rèn)Ts的關(guān)系，進(jìn)而設(shè)置風(fēng)速高低及制熱方式.

圖 8 移動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)控制流程圖Fig.8 Mobile air conditioning system control flow chart

3 系統(tǒng)驗(yàn)證與總結(jié)

為驗(yàn)證系統(tǒng)溫度檢測及顯示的準(zhǔn)確度，將系統(tǒng)放進(jìn)可設(shè)定溫度及濕度的恒溫箱，測試其顯示溫度與傳感器對(duì)應(yīng)阻值的關(guān)系，并與傳感器標(biāo)準(zhǔn)溫度阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系做對(duì)比. 實(shí)測數(shù)據(jù)為相同條件下進(jìn)行了3次重復(fù)試驗(yàn)測量的均值，結(jié)合系統(tǒng)電控工作環(huán)境，溫度范圍為-10 ℃～60 ℃，根據(jù)系統(tǒng)工作時(shí)可能的溫度范圍及傳感器的溫度檢測范圍，設(shè)置了61個(gè)采樣點(diǎn)，結(jié)果如圖 9 所示. 截取其中一部分放大，便于讀者觀察，如圖 10 所示.

圖 9 系統(tǒng)顯示溫度-阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.9 The system displays the corresponding relationship temperature-resistance

圖 10 部分放大圖示Fig.10 Partially enlarged icon

阻值的平均偏差

(4)

(5)

式中：R25為10 kΩ，n=61，計(jì)算結(jié)果滿足技術(shù)要求.

本文使用結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉的SH79F3283單片機(jī)作為系統(tǒng)主控模塊，軟件及硬件電路并不復(fù)雜，程序能夠?qū)崿F(xiàn)的功能包括上電、正常按鍵掃描、開關(guān)響應(yīng)、信息準(zhǔn)確采集等，并將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)[10]，單片機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能化分析和處理，并且能夠利用操作面板設(shè)置的參數(shù)對(duì)溫濕度進(jìn)行控制. 相比于同類產(chǎn)品有空閑及掉電兩種低功耗模式，空閑模式時(shí)仍能保持運(yùn)行，掉電模式下可存儲(chǔ)掉電前的所有運(yùn)行狀態(tài)，以此使系統(tǒng)能夠良好地實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境溫濕度的調(diào)節(jié)及監(jiān)測.