變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)多參數(shù)測量方法

摘 要:室內(nèi)環(huán)境溫濕度是空調(diào)系統(tǒng)的兩個主要參數(shù)，對其及時、準確測量是設(shè)計變風(fēng)量空調(diào)風(fēng)口形式的一個重要依據(jù)。介紹由單片機AT89C52和數(shù)字式、單總線型溫度傳感器DS18B20以及溫濕度傳感器SHT11組成的多點測量系統(tǒng)。采用28個DS18B20組成矩形測溫網(wǎng)絡(luò)，3個SHT11組成溫濕度測量部分，有效地改善了系統(tǒng)的測控能力，為風(fēng)口形式的設(shè)計提供了研究平臺。 關(guān)鍵詞:變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng); 室內(nèi)溫濕度;AT89C52;DS18B20; SHT11

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)18-0154-03

Multi-parameter Measurement Method for Variable Air Volume Air-conditioning System

YANG Ting， YAN Jie

(College of Mechanical Electrical Engineering， Xi’an University of Architecture Technology， Xi’an 710055， China)

Abstract: Temperature and humidity in indoor environment are two main parameters of an air-conditioning system， for which the accurate measurement is a basis of designing the type of the VAV air-conditioning vent. A multi-point measurement system composed of singal chip microcontroller AT89C52， single-bus category digital sensor DS18B20 and temperature / humidity sensor SHT11 is introduced. This system includes a rectangle temperature detecting network with 28 DS18B20 sensors and a temperature / humidity measurement section with 3 SHT11 sensors， which efficiently improve the measurement and control ability of this system， and offer a research platform for designing the vents of VAV air-conditioning systems.Keywords: variable air volume air-conditioning system; temperature / humidity in indoor environment; AT89C52; DS18B20; SHT11

0 引 言

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是利用改變送入空調(diào)區(qū)域的送風(fēng)量來適應(yīng)區(qū)域內(nèi)負荷變化的一種空調(diào)系統(tǒng)。它不僅能提供良好的舒適性，而且有顯著的節(jié)能效果，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是靠變風(fēng)量末端來實現(xiàn)的，而控制變風(fēng)量末端設(shè)備的依據(jù)是室內(nèi)空調(diào)參數(shù)，合理準確地測量室內(nèi)參數(shù)是實現(xiàn)控制的基本保證。因此要成功實現(xiàn)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)口結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，及時、準確的測控環(huán)境溫度是關(guān)鍵。

隨著信息技術(shù)革命的深入和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各種先進技術(shù)都應(yīng)用于VAV系統(tǒng)中，對溫濕度檢測技術(shù)的要求也愈來愈高。傳統(tǒng)對變風(fēng)量空調(diào)實驗室變風(fēng)量末端裝置的研究依據(jù)是采用傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器熱電偶作為傳感器的測溫系統(tǒng)，測量時存在零點補償問題，且外圍電路復(fù)雜，體積較大，其轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)不易用計算機處理，而通常傳統(tǒng)模擬濕度傳感器不僅要設(shè)計信號調(diào)理電路，還要經(jīng)過復(fù)雜的校準和標定過程，其測量精度難以保證。本系統(tǒng)采用集散測控系統(tǒng)設(shè)計方案，即由MCS 51系列單片機、28只溫度傳感器DS18B20和3個SHT11構(gòu)成下位溫濕度采集系統(tǒng)，單片機負責(zé)數(shù)據(jù)的采集和上傳。28只DS18B20組成矩形測溫網(wǎng)絡(luò)，3只SHT11構(gòu)成濕度測量部分。為了節(jié)約資源，SHT11既測量濕度，也測量溫度。上位機利用軟件實現(xiàn)溫度的實時測控、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理等功能。

由于SHT11的數(shù)據(jù)傳輸方式是兩線制的，多點測溫時占用微處理器的口線多，所以采用單總線制的DS18B20智能溫度傳感器測量多點溫度，而濕度的測量可以采用SHT11，用它既可測量濕度，也可以測量溫度，從而節(jié)約資源。

1 多點測量系統(tǒng)工作原理

整個系統(tǒng)包括28個DS18B20傳感器，3個SHT11溫濕度傳感器，1個AT89C52單片機，由它們共同完成數(shù)據(jù)采集功能;RS 232總線和PC機構(gòu)成了數(shù)據(jù)接收、顯示、分析及處理單元，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

AT89C52單片機控制28個單總線溫度傳感器DS18B20和3個兩線制溫濕度傳感器SHT11，向總線上的傳感器發(fā)命令，分別控制溫度測量和濕度測量;通過RS 232接口將數(shù)據(jù)傳送到計算機中，利用軟件對數(shù)據(jù)進行存儲、顯示和處理。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 溫濕度傳感器

2.1.1 溫度傳感器的確定

系統(tǒng)采用美國Dallas公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字式智能溫度傳感器DS18B20，測溫范圍在-55～+125 ℃;轉(zhuǎn)換精度為9～12位進制數(shù)，可編程確定轉(zhuǎn)換的位數(shù);測溫分辨率:9位精度為0.5 ℃，12位精度為0.062 5 ℃;轉(zhuǎn)換時間:9位精度為93.75 ms，10位精度為187.5 ms，12位精度為750 ms;內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置[1]。此外，還具有獨特的單總線(地址線﹑數(shù)據(jù)線﹑控制線合為一條信號線)接口方式，僅需要一根口線就可以與微處理器雙向通信，而且允許在一根總線上掛接多個DS18B20，很方便地組成多點溫度檢測系統(tǒng)。每個DS18B20都有一個全球惟一的64位二進制ROM代碼標志著器件的ID號，在多路測溫時就是通過匹配每個芯片的ROM代碼來搜索該路溫度的[2]。由于總線上所有的器件都通過一條信號線傳輸信息，這樣整個系統(tǒng)就要嚴格地按該器件單總線協(xié)議規(guī)定的時序進行工作。DS18B20的操作主要有以下幾個步驟:初始化;搜索DS18B20;匹配DS18B20;發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令;讀取溫度值[3]。

2.1.2 濕度傳感器[4]

SHT11采用Sensirio公司專利的CMOSen技術(shù)，該傳感器將溫濕度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、二線制串行接口全部集成在同一個芯片內(nèi)[5]。體積僅與大火柴頭相近，使傳感器具有品質(zhì)卓越，響應(yīng)超快，抗干擾能力強，性價比極高等優(yōu)點。SHT11傳感器默認的分辨率分別為14位(溫度)、12位(濕度)，也可以降至12位、8位。濕度測量范圍是0~100%RH，對于12位的分辨率為0.03%RH，測溫范圍為-40~+123.8 ℃;對于14位的分辨率為0.01 ℃。每個傳感器芯片都在極為精確的濕度室中進行標定，校準系數(shù)以程序形式儲存在OTP內(nèi)存中。在測量過程中，可對相對濕度進行自動校準，使SHT11具有100%的互換性。它的測量原理是首先利用兩只傳感器分別產(chǎn)生相對濕度、溫度的信號，然后經(jīng)過放大，分別送至A/D轉(zhuǎn)換器進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、校準和糾錯，最后通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至微控器，再利用微控器完成非線性補償和溫度補償[6]。

2.2 微處理器的選擇

數(shù)據(jù)采集的前端裝置由微處理器構(gòu)成，掛接傳感器矩陣中28個測點的傳感器，3個測點的SHT11，存儲采集控制程序和器件序列號，實現(xiàn)巡回采樣、數(shù)據(jù)處理和通信等功能。與DS18B20，SHT11匹配的處理器主要有單片機芯片、ARM芯片、DSP芯片等。

選擇原則如下:

(1) 微處理器的位數(shù)應(yīng)與傳感器的精度保持一致;

(2) 微處理器提供的I/O接口形式和數(shù)量應(yīng)滿足傳感器的要求;

(3) 微處理器應(yīng)能提供軟件編程要求的內(nèi)存容量。

考慮到系統(tǒng)的實用性、經(jīng)濟性，以及布線的難易程度，選擇了Aimel公司的AT89C52作為處理器。AT89C52為8位處理器，對12位傳感器分辨率可采用雙精度數(shù)據(jù)處理。在應(yīng)用AT89C52非總線時，可提供32根I/O線，用其中8根掛接傳感器，兩根進行串口通信，其I/O接口形式也應(yīng)滿足傳感器要求。AT89C52與同系列處理器89C51相比，引腳是一樣的，主要的區(qū)別在于89C51的ROM空間為4 KB，而AT89C52的空間為8 KB，可用來存儲大量DS18B20的序列號。

2.3 單片機與DS18B20及SHT11通信電路設(shè)計

本系統(tǒng)使用AT89C52單片機，它設(shè)定案件手動電平復(fù)位方式，外接11.059 2 MHz晶振作為系統(tǒng)時鐘，用單片機P1口的4條單總線分開進行溫度采集。

為了保證有足夠的負載能力驅(qū)動該總線，DS18B20采用外接電源供電方式，單線總線上加一個4.7 kΩ的上拉電阻，完成對DS18B20總線的上拉。該系統(tǒng)共有28個DS18B20，通過雙腳屏蔽電纜分組接在P1口的4條單總線上，組成行距0.8，列距0.5的4行7列矩形測量網(wǎng)絡(luò)。

SHT11是兩線制的數(shù)據(jù)傳輸方式，通常在多點測量應(yīng)用系統(tǒng)中是將多個SHT11分別獨立地連接到微控制器的I/O口上，微控制器通過對每一個SHT11進行測量操作，得到每一點的溫濕度數(shù)據(jù)。但這樣的連接方式存在兩個主要缺點。一是，由于每個SHT11占用微控制器兩個I/O口，所以微控制器有限的I/O口資源將制約著單個微控制器上所能測量的最大點數(shù);二是，由于每個SHT11的測量所需時間是固定不變的，所以采用單獨操作的逐個測量方式在多點測量系統(tǒng)中必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集時間過長，控制滯后，從而影響控制系統(tǒng)性能的提高[7]。

在空調(diào)測控系統(tǒng)中，要求所采集的溫濕度數(shù)據(jù)是反應(yīng)整個室內(nèi)環(huán)境相同時間點的總體情況，所以多個SHT11必須同時開始測量，即微控制器必須同時向多個SHT11發(fā)送測量命令。結(jié)合室內(nèi)應(yīng)用的具體要求，本文對多個SHT11傳感器和微控制器的連接方式采取如下方案:各SHT11的SCK線接到微控制器的同一個I/O口上，而DATA線則分別接到不同I/O口線上。這種連接方式有幾個優(yōu)點:首先，n個傳感器只占用n+1個I/O口，比前述方式節(jié)省了n-1個I/O口，解決了多點測量系統(tǒng)中微控制器I/O口資源短缺和盡可能增加測量點之間矛盾的問題;其次，由于多個SHT11共用一條時鐘線，所以在每次測量中可以同時發(fā)出測量命令，多個傳感器同時進行測量，只需一次等待時間則完成了整體數(shù)據(jù)的收集，大大縮短了數(shù)據(jù)采集時間，為控制系統(tǒng)快速響應(yīng)提供了條件。

圖2中3個SHT11的SCK時鐘均接到P1.0口，而各DATA線分別接到P1.1，P1.2和P1.3口，當需要再增加測量點時，只需要增加對應(yīng)的I/O口數(shù)即可，而且只需要對程序做很少的修改，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活擴展。P1.4~Pl.7共4根I/O口線作為4條單總線的數(shù)據(jù)線，每條總線上掛接7個DS18B20，這樣一個單片機Pl口就可以控制測量28個測點的溫度，剛好滿足變風(fēng)量空調(diào)實驗室內(nèi)溫度場測量的需要。本系統(tǒng)要求每根測溫總線長度約為5 m，這種長度對電纜的要求較低，這里采用單總線推薦使用的5類無屏蔽雙絞線。

圖2 部分硬件原理圖

圖3是PC與單片機的硬件連接電路圖[8]。一般溫度變化緩慢，通過RS 232C串行接口將單片機采集的數(shù)據(jù)傳送到PC機，從而利用軟件對數(shù)據(jù)進行處理和顯示。RS 232C是目前最常用的串行接口標準，它提供了單片機與單片機、單片機與PC機間串行數(shù)據(jù)通信的標準接口，通信距離可達到15 m。AT89C52輸入/輸出電平為TTL電平，PC機配置的是RS 232標準串行接口，二者的電氣規(guī)范不一致，采用MAX232E芯片實現(xiàn)TTL電平到RS 232電平的轉(zhuǎn)換[9]。

圖3 PC與單片機的硬件連接電路圖

3 程序設(shè)計

溫濕度多點測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，Keil C51編程語言。軟件設(shè)計主要包括2部分:一是上位機單片機AT89C52的軟件編程，用于實現(xiàn)測溫點及測濕點的選擇和溫濕度數(shù)據(jù)的采集;二是下位機與上位機PC機間的通信。

在SHT11測量前必須將其接到單片機發(fā)送的命令時序，而DS18B20有其惟一的ID碼，通過匹配每個芯片的ROM碼就可以搜索該路溫度，濕度采集，如圖4所示。

圖4 濕度采集程序流程圖

4 結(jié) 語

根據(jù)變風(fēng)量空調(diào)實驗室傳統(tǒng)溫度測控方法的不足，以及具體情況設(shè)計出可行性測溫方案，它由單片機和28個DS18B20組成矩形溫度測量網(wǎng)絡(luò)，3個SHT11組成的溫濕度測量單元。具有實時、方便、可靠地實現(xiàn)對空調(diào)室內(nèi)空調(diào)參數(shù)的測量，可通過RS232串行通訊將采集的溫濕度數(shù)據(jù)傳送至PC機。該方案與以前的測控方案相比，實現(xiàn)了測溫的實時性，并為測控的網(wǎng)絡(luò)化提供了基礎(chǔ)，此外該系統(tǒng)還具有智能化，體積小，可靠性高，實時性強等優(yōu)點。

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