基于单片机的移动空调系统设计

秦艺萌，吴其洲

(中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051)

0 引 言

移动空调又称为点式多用途制冷机或移动式工业冷气机，突破了传统的设计理念，相比于传统分离式空调更便捷、即开即用，低成本、电路设计及部件构造等相对于传统空调性价比更高，体积小、无需安装，压缩机、排风机、电热器、蒸发器、冷凝器全部集成在一起，有可随意放置等优点，可以兼具制冷、取暖、通风、除湿等多种功能，适用于安装或者固定安装成本过高的场所. 国内较于国外针对移动空调的发展起步较晚，但目前也已经发展到一定程度，市场开始对功耗和性能做要求[1].

单片机作为信息实时传输的微型控制计算器，在家居产品中发挥着重要作用，其可以结合不同的外围模块实现多种控制方式，简化系统结构，增强系统的稳定性. 不断促进生活方式向更方便、更快捷、更高效的趋势发展. 针对如今快节奏的生活来说，满足人们在工作和生活等方面追求更高效率、即开即用的需求. 基于此，本文实现以SH79F3283单片机为基础的移动空调的设计.

1 系统硬件

1.1 低功耗主控芯片的选型

低功耗是设计本系统的重要考虑因素，本文采用SH79F3283单片机，集成了EUART0，EUART1全双工的串口通行模块[2]，内建看门狗定时器，低电压复位功能及系统时钟监控功能. 如图 1 所示，引脚24-26控制系统的显示模块，引脚41-42控制峰鸣器的发音时长与频率，引脚19-21控制系统的温湿度调节等功能. 本方案选用的单片机为减少功耗，提供两种低功耗省电模式： 空闲模式及掉电模式. 空闲模式能够降低系统功耗，在此模式下，程序终止运行，但外部设备始终保持进入空闲状态前并保证继续运行； 掉电模式可以使系统进入功耗非常低的状态，停止CPU和外围设备的所有时钟信号. 此外，选用EUART0的9 b异步、固定波特率串行方式. 8 MHz 晶振作为主振荡器，为提高串口通信的稳定性，外加两个30pf的陶瓷谐振电容.

图 1 单片机最小系统

1.2 按键操作显示模块

此模块采用一种带键盘扫描接口的驱动控制专用芯片TM1628来驱动8段2 b的数码管，其最高可支持10*2的矩阵按键扫描，本文使用3*2 即可[3]. 例如，当SW2按键按下时，SEG2/KS2 输出高电平，K1因其导通为高电平被单片机读取. 此外，因为SEG1/KS1- SEG10/KS10是显示和按键扫描复用的，为解决在同时按下按键时形成的通路造成数码管显示异常的现象，需要串联一个二极管，如图 2 所示.

图 2 按键扫描电路

1.3 音乐蜂鸣器电路

PNP8550作为开关电路驱动蜂鸣器，如图 3 所示. 其中pBUZ-P和pBUZ-F是单片机的PWM定时器输出信号和定时器互补输出信号，经ULN2003增益后向蜂鸣器电路提供驱动. 当BUZ-P点电位小于11.3 V，满足三极管导通压降时，Q1导通蜂鸣器发声，BUZ-F控制蜂鸣器发声频率即音调，发音频率与发音时长的对应关系如图 4 所示. 当Q1截止，E7，R34放电，为蜂鸣器发声提供尾音.

图 3 音乐蜂鸣器电路Fig.3 Music buzzer circuit

图 4 音乐蜂鸣器示例波形Fig.4 Music buzzer Sample waveform

1.4 温度信息采集电路

此模块需采集的信息包括室温、空调内部的蒸发器及冷凝器的温度，另外还需监测水箱水位，以便在无法正常工作时报警. 如图 5 所示，RC电路(指模块中R41及C9组成的RC电路)是为防止初上电时，电压信号不稳会产生的误触发情况. 即R41必须是时电压信号较敏感的高精度电阻，以便更精确地反映温度变化.

(1)

式中：V为采集到的电压信号；RNTC为热敏电阻值；R46为采集电压信号的下拉电阻；VCC为单片机外部电压参考引脚. 采集到的电压信号经AD(AD为数模转换的量化值代称，表示输入模拟电平与参考电平数值转化的比例量化结果值)转换将数据传入单片机[4].

(2)

本文所用的SH79F3283为8 b单片机，AD为12 b，即n为12.

图 5 温度信息采集电路Fig.5 Temperature information acquisition circuit

1.5 供电电路

系统单片机、其他芯片及继电器等元器件需要 5 V 和12 V的直流电源，因此，本设计供电电路采用可补偿过载功率的TNY288PN构成高效离线式开关IC，电源电路如图 6 所示. 开关电源的基本原理是输入端直接将交流电变成直流电，再在高频振荡电路的作用下，用开关控制电路的通断[5]. 开关周期由芯片内部振荡器产生时钟信号来调控. 振荡器电路可产生轻微的频率抖动，当振荡电路的调制速率设置在1 kHz的水平时，能有效降低电磁干扰.

开关IC的使能引脚由光耦驱动，可以有效隔离上下级电路，减小干扰并增加安全性. 同时为提高输出反馈精度，本设计中，由TL431代替稳压二极管由输出分压引入反馈，如图 6 所示，当输出电压大于TL431的基准电压VREF与光耦正向压降之和时，电流流向光耦LED[6]，从而下拉光耦中晶体管的电流. 此电流超出使能引脚阈值时，将抑制下一个开关周期. 当下降的输出电压VO低于反馈阈值时，会使能下一个开关周期. 通过调节使能周期数量来调节电压，从而稳定提供12 V直流电源.

(3)

此外，此电路还具有过压保护功能，电路部分由R8，R11，E6，D2，VR1构成.当发生过压情况，即偏置电压大于VR1与旁路引脚电压之和时，MOSFET关断[7].

5 V直流电源由7805降压滤波后提供. 其中电解电容滤波使输出电压纹波更加平滑，可以改善电源质量； 每个电解电容再并联一个0.1 μF的电容，如图 6 中的E1，E2，E3等，用于滤除高频干扰[8].

图 6 开关电源及反馈电路

2 系统程序设计

本文所设计的移动空调系统中的软件主要是使用功能C语言进行编写. 系统控制流程如图 7 所示.

图 7 AD值转换程序流程图Fig.7 AD value conversion program flowchart

如图 8 所示，系统功能分为自动、制冷、睡眠、制热、通风、除湿6种功能，其中在睡眠模式下可保持制冷或制热功能的正常运行. 系统初上电自动检测掉电记忆功能，显示初始界面以后数码管显示室温，等待中断. 通过按键扫描判断用户的设定信息，系统根据采集到的数据信息运行. 其中自动模式中，当室温高于26 ℃时，制冷至24 ℃； 当室温低于23 ℃时，制热至24 ℃； 否则为通风模式. 制冷、制热运行时可设置睡眠模式，睡眠模式可通过按键中断. 在程序中先对单片机进行初始化设置，选择AD通道ADCH=0xe0，定时器赋初值，设置EA=1允许中断. 进入while(1)循环，设置看门狗RSTSTAT=0x05为16ms溢出，当有中断发生时，硬件置位相应的中断标志位，CPU响应中断，进行中断子程序[9]. 例如，当判断到自己定义的标志位rsmod.bits.on_c=1时，则进入自动模式，判断标志位flag1.bits.clhtsel=1时，进入制热模式并清除睡眠，判断有无按键中断设置温度. 若无设置温度，则在自动模式下的制热默认温度设置为Ts=24 ℃，则继续判断室温Tr与默认Ts的关系，进而设置风速高低及制热方式.

图 8 移动空调系统控制流程图Fig.8 Mobile air conditioning system control flow chart

3 系统验证与总结

为验证系统温度检测及显示的准确度，将系统放进可设定温度及湿度的恒温箱，测试其显示温度与传感器对应阻值的关系，并与传感器标准温度阻值对应关系做对比. 实测数据为相同条件下进行了3次重复试验测量的均值，结合系统电控工作环境，温度范围为-10 ℃～60 ℃，根据系统工作时可能的温度范围及传感器的温度检测范围，设置了61个采样点，结果如图 9 所示. 截取其中一部分放大，便于读者观察，如图 10 所示.

图 9 系统显示温度-阻值对应关系Fig.9 The system displays the corresponding relationship temperature-resistance

图 10 部分放大图示Fig.10 Partially enlarged icon

阻值的平均偏差

(4)

(5)

式中：R25为10 kΩ，n=61，计算结果满足技术要求.

本文使用结构简单、价格低廉的SH79F3283单片机作为系统主控模块，软件及硬件电路并不复杂，程序能够实现的功能包括上电、正常按键扫描、开关响应、信息准确采集等，并将数据传送给单片机[10]，单片机根据数据实现智能化分析和处理，并且能够利用操作面板设置的参数对温湿度进行控制. 相比于同类产品有空闲及掉电两种低功耗模式，空闲模式时仍能保持运行，掉电模式下可存储掉电前的所有运行状态，以此使系统能够良好地实现对家居环境温湿度的调节及监测.