1、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
2、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 DS18B20 2 目 录 绪 论 . 3 第一章 ATmage8 概述 . 4 1.1 ATmega8 的特点 . 4 1.2 ATmega8 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 . 5 2.1 现有机房空调节能控制器介绍 .
3、5 2.1.1 基于特定单片机的空调节能控制器设计 . 5 2.1.2 基于变频技术的空调节能控制器设计 . 6 2.1.3 基于利用自然冷源的空调节能控制器设计 . 6 2.1.4 基于机 房空调机组自适应控制器设计 . 7 2.2 方案设计比较 . 7 第三章 总体方案设计 . 10 3.1 温度采集模块设计 . 10 3.2 控制空调开关模块设计 . 10 3.3 通信模块设计 .11 3.4 其他模块设计 .11 第四章 硬件设计 . 12 4.1 ATmega8 单片机 IO 口分配 . 12 4.2 温度采集模块设计 . 12 4.3 空调开关控制模块设计 . 13 4.4 通信模
4、块设计 . 14 4.5 其他模块设计 . 14 4.5.1 电源转换模块设计 . 14 4.5.2 485 地址设置 . 15 4.5.3 测试电路设计 . 16 第五 章 软件设计 . 17 5.1 总体程序流程图 . 17 5.2 温度采集模块软件设计 . 18 5.3 空调状态控制模块 . 20 5.4 通讯模块 . 21 5.5 其他模块实现 . 23 第六章 系统实现 . 24 6.1 硬件调试 . 24 6.1.1 电路的检测 . 24 6.1.2 遇到的问题及解决 . 25 6.2 软件调试 . 25 6.2.1 各模块的调试及实现 . 25 6.2.2 遇到的问题及解决 .
5、27 6.3 系统测试 . 28 6.4 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 . 36 3 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
6、，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
7、FLASH 和 EEPROM 技术相结合，有极高的性价比 1。 1.1 ATmega8 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
8、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。 1.2 ATmega8 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 ICC AVR 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
9、具 ,能 产生可以直接使用的 INTEL HEX 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）
10、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
11、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
12、，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
13、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 6 0% （即 f = 3 0 H z ）时，电动机消耗功率将下降 7
14、8.4% ，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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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 优化压缩机的运行曲线，减少空调器的运行时间 适用于各类空调 基于 变频 技术 节能效果显著，尤其适合通信机房内长期连续运行的空调系统 变频改造所需投资较大，需考虑投资效益 适用于各类空调 空调自适应控制 系 统自动设定更合理的运行参数，群组化工作 投资规模较大，工程较复杂 适用于通信枢纽
20、楼，大型交换局等机房安装多台空调机组的场合，不适用于小型机房 基于 利用自然冷源 直接利用自然风，热交换效率高，节能效果显著 引起机房内空气洁净度下降，设备因灰尘，静电等故障增多 全 年室外气温低于15 的 小 时 数 在3000h以上的地区。仅使用在对洁净度要求不高的接入层机房 10 第三章 总体方案设计 本设计是 利用 ATmega8 单片机 为主控芯片来 实现 空 调节能控制，有 温度采集模块、控制空调开关 模块、 通讯模块等几大功能模块 。 下面主要述说 几大模块实现的总体 设计 思路。 3.1 温度采集模块 设计 本设计 要实现温度采集模块， 选用 DS18B20（如图 3.1） 为
21、温度传感器 ,该传感器 是 “一线总线”数字化温度传感器支持“一线总线”接口， 它 测量温度范围从 -55到 +125，精度为 0.5， 支持 3V 到 5.5V 的电压范围，程序 可 设定 9到 12位的分辨率，精度为 0.5， 转换时间为 750ms， 可选择小的封装方式（跟三极管相似）， 更宽的电压适用范围和分辨率设定 ， 只要正确的提供电源 就可以读取芯片采集 温 度。在本设计中，主要利用 DS18B20 数字温度计 实现采集空调的出 风口和进风口实时的温度的变化，并通过两者温差来判断空调工作的状态 ，方便如何 控制空调的开关。 图 3.1 DS18B20 引脚图 3.2 控制空调 开关模块 设计 本模块主要实现控制空调开关功能。 因空调机房的空调品牌多样， 一种遥控器不能实现对多个机房空调的控制 。 本设计选用万能遥控器作为空调遥控， 可以很好的 解决对 各机房的不同空调的状态 的控制 问题 ， 通过控制万能遥控 器的 电源
