基于ATmega8单片机远程空调控制器.doc

摘要本设计主要是以ATmega8单片机为核心设计的一种空调节能控制器。目前市场上对于空调节能控制器，主要有基于特定单片机、变频技术、和自然冷源三种空调节能控制器。本设计选择了“基于ATmega8单片机空调节能控制器”的设计方案。该方案利用ATmega8单片机为主控芯片，实现了温度采集、空调开关控制和通信等功能。在硬件方面，采用了DS18B20实现了温度采集模块，使用了光耦和继电器配合万能遥控器实现了控制空调模块，利用了MAX487芯片实现了通讯模块；在软件方面，通过程序读取DS18B20的温度实现了温度采集子程序，利用了比较进风口和出风口的温差实现空调开关判断子程序，使用了单片机的接受中断和发送子程序实现了通讯子程序。最后在硬件和软件的基础上进行调试，系统实现了温度的采集、空调开关控制等功能。在正常通信情况下，可发送指令开启和关闭空调；在通信故障情况下，可以根据实际的温度开关空调，从而使温度控制在合理的范围内，实现了空调节能目的。关键词：空调节能单片机DS18B202目录绪论.3第一章ATmage8概述.41.1ATmega8的特点.41.2ATmega8编程和系统开发工具.4第二章现有机房空调节能控制器设计.52.1现有机房空调节能控制器介绍.52.1.1基于特定单片机的空调节能控制器设计.52.1.2基于变频技术的空调节能控制器设计.62.1.3基于利用自然冷源的空调节能控制器设计.62.1.4基于机房空调机组自适应控制器设计.72.2方案设计比较.7第三章总体方案设计.103.1温度采集模块设计.103.2控制空调开关模块设计.103.3通信模块设计.113.4其他模块设计.11第四章硬件设计.124.1ATmega8单片机IO口分配.124.2温度采集模块设计.124.3空调开关控制模块设计.134.4通信模块设计.144.5其他模块设计.144.5.1电源转换模块设计.144.5.2485地址设置.154.5.3测试电路设计.16第五章软件设计.175.1总体程序流程图.175.2温度采集模块软件设计.185.3空调状态控制模块.205.4通讯模块.215.5其他模块实现.23第六章系统实现.246.1硬件调试.246.1.1电路的检测.246.1.2遇到的问题及解决.256.2软件调试.256.2.1各模块的调试及实现.256.2.2遇到的问题及解决.276.3系统测试.286.4结论.30第七章总结.31致谢.32参考文献.33附录一空调控制器原理图和PCB板图.34附录二空调节能控制器C语言程序代码.363绪论当今，节能持续成为电信运营商降低成本、提高竞争力的重要发展战略之一。而通信基站和机房庞大的空调耗能则是运营商最关注的节能问题。在通信机房中，为保持通信设备运行所需要的环境，机房的空调几乎处于全年运行的状态，存在着大量的电能浪费，根据电信相关资料统计，通信机房耗电量占到了整个电信企业用电的90%以上，而机房空调占到了整个机房设备耗能电量的40%以上，可以看出空调的节能工作较为薄弱，能源浪费现象严重，因此，如何在确保通信设备安全正常运行的前提下，最大限度地降低机房空调的能耗，是实现通信机房节能的关键所以加强空调的维护管理和技术改造，可以达到非常显著的节能效果。本文就是针对空调节能系统的节能问题,介绍了一种空调节能控制器的设计方案,对其硬软件部分的设计进行了详细的阐述，并在此基础之上进行了实际测试,验证该节能控制器的可行性。4第一章ATmage8概述ATmega8单片机是高档AVR单片机中ATmega系列的一种，该单片机是由ATMEL公司的第一个真正的8位RISC型单片机，并它同FLASH和EEPROM技术相结合，有极高的性价比1。1.1ATmega8的特点ATmega8是一种非常特殊的单片机，它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大硬件接口电路，具备AVR高档单片机MEGE系列的全部性能和特点7。ATmega8具有高性能低功耗的8位AVR微处理器、先进的RISC结构、非易失性的程序和数据存储器、强大的外部接口性能、带片内RC振荡器的可编程看门狗定时器片内模拟比较器、最多23个编程的I/O口、4.5-5.5V的宽工作电压、高达16MHz的运行速度等特点。该类单片机还具有系统内可编程特性，可无需购买昂贵的仿真器和编辑器也可进行单片机嵌入式系统设计和开发，尤其是对于单片机的初学者来说，可提供了非常方便和简捷的学习开发环境。因此，本设计选择了ATmega8单片机为主控芯片来实现空调节能控制功能。1.2ATmega8编程和系统开发工具ATmega8具有了一整套的编程和开发工具，它包括宏汇编编译器、C语言编译器、BSCOM-BASIC语言编译器以及在线调试/仿真器和评估板。本设计所采用的是ICCAVR软件开发环境，它是一种使用符合ANSI标准的C语言来开发AVR系列单片机程序的一个工具,能产生可以直接使用的INTELHEX格式文件,这种格式文件可被大多数的编程器所支持。本设计中采用的编程器是纬煌编程器，它可以实现直接下载程序到单片机芯片中，方便快捷的实现各模块功能。5第二章现有机房空调节能控制器设计2.1现有机房空调节能控制器介绍机房节能的重点就是是降低空调能耗。实现空调节能的途径有很多种，空调节能控制器就是其中一种途径，目前空调控制器的有很多种，他们有着不同的优点和缺点，下面主要阐述了几种的空调节能控制器的设计及对他们的总结。2.1.1基于特定单片机的空调节能控制器设计（1）基于PIC16F877单片机的空调节能控制器设计该空调节能控制器是通过优化压缩机运行曲线,根据空调的运行特性及环境对温度的感适能力,通过一个继电器控制空调内压缩机的运行状态,调整了空调压缩机的运行曲线,达到调控温度及节省耗电的功能。该节能控制器硬件电路以PIC16F877单片机为控制核心,主要包括温度采集模块、参数设置及状态显示模块、压缩机控制模块等。温度采集模块对室温进行采集,送入主控制单元；参数设置及状态显示单元主要是选择节能控制器的工作模式及节能效率,并对相应的工作模式以及设定的温度进行显示；压缩机控制模块主要对空调压缩机电路进行控制。该节能控制器软件设计是将节能控制分为两种节能状态,对制冷温度进行设定,并对压缩机强制关断时间做出选择,达到设定温度后,两种节能状态程序分别通过强制关断压缩机10分钟和15分钟来克服压缩机的长时间工作和频繁启动,达到节省电能的目的。该设计程序可分为:初始化模块、按键采集及处理模块、显示模块、压缩机控制模块、参数重置模块四个功能模块5。（2）基于C8051F020的环保节能空调控制器的设计该空调控制器设计利用抽取地下水形成环流热交换实现调节室内温度的一种方法，根据热转换前的温度、环境的温度、热转换后的温度，通过控制步进电机的转动来实现对水流速度的控制，同时控制小型风扇的转速来调节热交换效率，实现对环境温度的自动调节，实现节能效果6。6该空调控制器设计硬件电路以C8051F020单片机为核心，由温度采集电路、温度显示电路、数据传输电路、步进电机驱动电路、小型风扇控制电路及热交换部分组成。系统完成温度的采集与处理，通过控制步进电机转动来实现水流速度的控制，同时调节风扇转速来改变热交换效率，并完成与上位机之间的数据传输。该空调控制器设计系统软件设计包括上位机软件和单片机监控软件两部分，其中上位机软件用于接收、存储单片机上传的数据，并进行显示；监控软件主要包括温度采集、处理、显示，步进电机控制及风扇速度的调节等，并与计算机进行通讯。2.1.2基于变频技术的空调节能控制器设计基于变频技术的空调节能控制器是根据空调具有冷负荷变化范围大的特点，南方地区供冷范围10%-100%之间变化大的优势来调整空调机组的运行参数2。下面阐述了这种技术的两种方式：（1）中央空调系统水系统变频调速节能方式采用交流变频技术控制水泵的运行，是通过对阀门调节和变频调速两种状态下的H-Q（压力流量）关系及P-Q（功率流量）控制。当所需流量减少时，水泵转速降低，电动机所需功率按转速的三次方下降。当水泵转速下降到额定转速的60%（即f=30Hz）时，电动机消耗功率将下降78.4%，即节电率为78.4%，这种方式控制来减少水泵流量的效果是十分显著。（2）机房专用空调压缩机变频方式机房专用空调压缩机变频技术是利用变频器改变压缩机的供电频率，通过调节压缩机的转速达到控制室温的目的。空调每次启动时，先以最大功率、最大风量进行制热或制冷，迅速接近所设定的温度后，压缩机便在低转速、低能耗状态下运转，仅以所需的功率维持设定的温度3。这样的控制器不但温度稳定，避免了压缩机频繁地开、停所造成的使用寿命的缩减，而且耗电量大大下降。2.1.3基于利用自然冷源的空调节能控制器设计这种节能技术的原理是把室外的自然环境作为冷源，用控制器判断室外空气温度低于室内空气温度且达到一定程度时，通过通风将机房内的热量带走，达到7降低机房内部温度的目的。这样可以减少空调的使用时间，达到节约电能的目的。在技术实现上，目前有下列两种方式：（1）自然通风新风系统当室外空气温度较低时，通过控制器控制直接将室外低温空气送至室内，为室内降温；当室外温度高不足以带走室内热量时，则开启空调。FCX系列节能空调采用自然通风新风系统，直接将室外心外新风引入，改组没有传热顺势，运行效率高3。（2）热交换新风系统热交换新风系统采用隔绝换热方式，室内外空气并不接触，室外空气只作为冷源将室内热量带走，室内空气换热冷却后重新回到室内，不改变机房内部湿度，洁净度也能得到更好的保证。FCR系列机房节能空调采用的就是热交换新风系统，核心部件是板式显热换热器，室内外空气在换热芯片内进行能量交换3。2.1.4基于机房空调机组自适应控制器设计基于机房空调机组自适应控制器以机房专用空调回风口处传感器的温湿度值作为数据采样参考点，监测整个机房平面的真实环境温湿度数据。上海电信就是利用机房专用空调系统组合的综合控制能力以及机房内气流组织的优化处理，该控制器采用的是计算机温度模拟技术建立数学模型，并通过自动计算机房不同的工况、空调冷量分布等综合数据，动态跟踪计算不同季节空调在外部的环境温度与室内目标温度的关系和空调当前的富余容量，精确控制“N+1”、“N+0”、“N-1”台等空调数量的优先开、关机顺序，使空调组群始终处于最合理的工作状态，从而达到空调效率最大化的目的2。机房专用空调自适应恒温恒湿控制节能监控系统的安装和施工简单方便，不需要对机房结构做任何变动，不影响原有空调系统的结构，具有安全可靠性等特点，且有利于日常维护。2.2方案设计比较以上介绍了现有的几种空调节能控制器设计方案设计，现在将他们进行比较，比较如下：（1)基于变频技术的空调控制器，该设计改造必须治理好谐波效应，避免其8干扰机房设备的正常工作，且由于其投资较大，因此在实际节能改造中需慎重考虑。(2)基于空调自适应控制系统的空调节能控制器要满足响应时间短，控制速度快，控制精度高等特点，因此只有高质量的控制系统才能利用空调系统的自动，安全，节能运行。(3)基于利用自然冷源空调节能控制器，该设计的新风节能系统和热交换节能系统利用的是室外大气冷源，冷量来源廉价易得，且取之不尽，用之不竭，但节能效果受室外条件的影响，在北方和南方温度较低的地区节能效果更显著。（4）基于某单片机的空调节能控制器：采用专门的空调控制器代替器原有的温度控制器，将原先空调压缩机的启动和关闭由一个温度设定点改为温度区段控制，优化压缩机的运行曲线，减少空调器的运行时间以达到节能的目的。此方法实现起来比较简单，相对变频空调来说投资少，相对空调自适应空调控制器的控制系统要求低。并且没有南北方地区差异，适应于各个地方。下面对以上四种节能控制器的优点和缺点以及建议使用的场合进行比较。如下表2.1所示（见下页）：9表2.1现有空调节能控制器对比表节能方案优点缺点建议使用场合基于某单片机优化