中央空調溫濕度檢測系統設計

易紅建，胡德超

（天海集團鶴壁海昌專用設備有限公司 河南 鄭州458030）

隨著人民生活水平的提高，人們對居住環境的要求不斷提高，辦公樓、商住樓、商場、酒店等建筑已必須配備舒適的中央空調系統。舒適的中央空調系統需要對房間內的溫度、濕度、潔凈度、空氣質量等實行實時監視及準確控制。計算機和自動化技術的發展，新的高科技技術不斷應用到各個方面中，使得智能化已成為一種發展的必然趨勢。數字傳感器的普及，及其直接輸出的數字信號可適配于各種微處理器，使中央空調溫濕度檢測系統應該在系統穩定性、抗干擾性、實時性和經濟性等方面有很高的要求。

1 系統的總體設計方案

1.1 系統的組成

因為本系統是以嵌入式微控制器為核心，它控制本系統的各模塊功能，因此選擇性能可靠、發展技術成熟的AT89S52單片機為本系統的控制器[1]。本系統主要完成中央空調溫濕度信號的采集，信號的處理，以及液晶實時顯示等主要任務。下位機由微控制器、溫濕度傳感器、LCD顯示器、鍵盤輸入等組成，其中，溫濕度檢測模塊采用單總線實際方案，僅需1根線實現電源及雙向數據傳輸。其任務是完成中央空調送風口的溫濕度信息的采集。上位機主要實現對下位機進行控制，根據溫濕度傳感器提供的參考數據實現對送風口溫濕度的有效的、合理的控制。中央空調溫濕度檢測系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 Block diagram of system

1.2 系統的工作過程

本系統主要是以溫濕度檢測模塊為核心，濕度傳感器采用熱固聚酯電容式傳感頭，同時在內部集成了信號處理功能電路，因此該傳感器可完成將相對濕度值變換成電容值，再將電容值轉換成線性電壓輸送到含有2個ADC和一個溫度傳感器的DS2438溫度傳感器內。由DS2438將模擬濕度電壓信號數字化后，連同溫度的數字信號一同通過單總線送入微控制器，完成溫濕度信號的采集。微控制器將溫濕度信號通過特定的算法換算成溫濕度值通過LCD12864直觀的顯示出來，給中央空調的溫濕度調節提供了可靠的依據。

1.3 溫濕度檢測模塊的設計

本設計中溫濕度傳感器分別選用的是美國DALLAS公司生產的智能單總線溫度傳感器DS2438和Honeywell公司生產的集成線性濕度傳感器HIH-4000組合而成符合單總線協議的溫濕度檢測模塊[2]。DS2438器件的工作方式采用單總線技術的工作方式，即僅用1根口線實現電源及雙向數據傳輸。其內置13位溫度傳感器（最小分辨率為0.031 25℃）、二通道10位電壓A／D轉換寄存器、10位電流A／D轉換寄存器、40字節非易失性用戶存儲器。濕度傳感器HIH-4000具有精度高、響應快速、高穩定性、低溫漂、抗化學腐蝕性能強及互換性好等優點。HIH-4000輸出電壓與濕度的關系曲線如圖2所示。

由特性指標及輸出電壓與相對濕度關系曲線可得出如下結論：HIH-4000在供電電壓為5 V時，其消耗電流僅為200μA，故完全可滿足一線總線對器件低功耗的要求。濕度傳感器HIH-4000的輸出電壓與濕度的關系式為：

圖2 相對濕度與輸出電壓關系圖Fig.2 The relative diagram of humidity and the output voltage

式中：VRHout為HIH-4000的輸出電壓；VRHcc為HIH-4000的電源電壓 （由圖 2可知 VRHcc等于 DS2438的 VDD）；sensor%RH為相對濕度。VRHout和VRHcc的值，利用DS2438內置的兩個電壓A／D轉換寄存器測出，則相對濕度sensor%RH的表達式為：

圖3 系統原理圖Fig.3 Principle diagram of system

值得一提的是電壓VRHcc并非恒等于5 V，事實上受到技術上和電網等干擾的影響，其電壓是在5 V附近有微小的波動。公式（2）是在25℃時傳感器輸出和濕度的關系，當環境溫度改變時應進行溫度補償，補償公式為：

式中：功環境攝氏溫度值，New%RH為濕度的修正值，即環境的實際濕度值。式中溫度補償值利用DS2438內部的溫度傳感器提供。本系統利用DS2438內部的溫度傳感器實現環境溫度的測量[3]，此溫度一方面由于溫度值輸出，另一方面用于濕度測量時溫度值的補償。然后利用DS2438內部的電壓ADC，通過多路開關切換分別得到濕度測量值和濕度測量時單線[4]的電壓值。這樣，通過DS2438可獲得溫濕度測量值及溫度補償值。

2 系統的硬件設計

中央空調溫濕度檢測系統的硬件原理圖如圖3所示。

溫濕度檢測模塊與AT89S52的P1.0口相連接，同時在P1.0口上接一個4.7 kΩ的上拉電阻[5]。它主要包括溫濕度檢測與單片機處理、鍵盤輸入與顯示輸出。其中溫濕度傳感器是本系統的測量單元[6]。設計一個控制系統，硬件部分尤其重要，它是整個系統的骨架，缺少硬件支撐的系統將會癱瘓。另外硬件是軟件實現其功能的基礎，軟件只有通過與硬件相互聯系才能更好的實現其功能。

3 系統的軟件設計

軟件是系統功能實現中最為關鍵的部分，它的完成與實現也決定了整個設計系統的正常運行的成功與否本系統的軟件設計主要包括溫濕度檢測[7]、LCD顯示、鍵盤等程序設計。因為DS2438單總線期間對時序的要求非常嚴格，對溫濕度檢測采取匯編語言進行編寫，而LCD和鍵盤驅動則采用C語言進行編寫，整體采用目前流行的C語言與匯編嵌套的編程思路。這樣做的目的是既能達到DS2438的時序要求高的要求，又能以最少的工作量完成整體的程序設計。系統的主程序框圖與溫濕度檢測模塊框圖如圖4所示。

4 結 論

本次設計論述了基于單總線設計的中央空調溫濕度檢測表系統，采用AT89S52作為系統的核心，采用MAX232數據傳輸完成與上位機的通信，通過12864液晶顯示器將采集到的溫濕度顯示出來。

按本系統搭接成的實物放在某室內已成功運行數月，測試結果基本正常，但是，由于一些客觀因素存在的關系，致使濕度傳感器測得的結果波動范圍較大，但總體還算穩定。本人分析原因可能是由于板子是自己搭接而成，不是正規印制電路板，加之室內有較大的電磁干擾源而造成的誤差。而這些誤差的存在是不能避免的。

圖4 系統的主程序框圖與溫濕度檢測模塊框圖Fig.4 Diagram of the main program of system and diagram of detection module of temperature and humidity

整個電路本著簡單可靠，選用低價格通用元器件的原則完成了本設計的任務，而抗干擾技術是單片機應用系統設計過程中的重要環節，合理地使用硬件和軟件抗干擾技術，可使系統最大限度的避免干擾的產生和受干擾后能使系統恢復正常運行，保證系統長期穩定可靠地工作。本次設計中選用的器件都是價格低廉、性能穩，性價比高元器件，經過進一步改造定能投入使用。

[1]周興華.手把手教你學單片機[M].北京：北京航天航空大學出版社，2001.

[2]Awtrey D.The 1-wire weather station[J].Sensors，1998，15（6）:34-40.

[3]PROFIBUSTechnical Description Version[S].2000.

[4]求是科技.單片機典型外圍器件及應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[5]Stauffer H B.The smart house system:a technical overview[J].The Computer Application Journal，1993:12-30.

[6]王興亮.數字通信原理與技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.

[7]黃文力，胡天彤.一種新的數字式溫濕度監控系統的設計[J].工業儀表與自動化裝置，2011（4）：95-97.HUANGWen-li，HUTian-tong.A new design of purely digital temperature and humidity supervising system[J].Industrial Instrumentation&Automation，2011（4）：95-97.