摘要本設(shè)計(jì)主要是以ATmega8單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的一種空調(diào)節(jié)能控制器。目前市場上對于空調(diào)節(jié)能控制器，主要有基于特定單片機(jī)、變頻技術(shù)、和自然冷源三種空調(diào)節(jié)能控制器。本設(shè)計(jì)選擇了“基于ATmega8單片機(jī)空調(diào)節(jié)能控制器”的設(shè)計(jì)方案。該方案利用ATmega8單片機(jī)為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了溫度采集、空調(diào)開關(guān)控制和通信等功能。在硬件方面，采用了DS18B20實(shí)現(xiàn)了溫度采集模塊，使用了光耦和繼電器配合萬能遙控器實(shí)現(xiàn)了控制空調(diào)模塊，利用了MAX487芯片實(shí)現(xiàn)了通訊模塊；在軟件方面，通過程序讀取DS18B20的溫度實(shí)現(xiàn)了溫度采集子程序，利用了比較進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的溫差實(shí)現(xiàn)空調(diào)開關(guān)判斷子程序，使用了單片機(jī)的接受中斷和發(fā)送子程序?qū)崿F(xiàn)了通訊子程序。最后在硬件和軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)試，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度的采集、空調(diào)開關(guān)控制等功能。在正常通信情況下，可發(fā)送指令開啟和關(guān)閉空調(diào)；在通信故障情況下，可以根據(jù)實(shí)際的溫度開關(guān)空調(diào)，從而使溫度控制在合理的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)節(jié)能目的。關(guān)鍵詞：空調(diào)節(jié)能單片機(jī)DS18B202目錄緒論.3第一章ATmage8概述.41.1ATmega8的特點(diǎn).41.2ATmega8編程和系統(tǒng)開發(fā)工具.4第二章現(xiàn)有機(jī)房空調(diào)節(jié)能控制器設(shè)計(jì).52.1現(xiàn)有機(jī)房空調(diào)節(jié)能控制器介紹.52.1.1基于特定單片機(jī)的空調(diào)節(jié)能控制器設(shè)計(jì).52.1.2基于變頻技術(shù)的空調(diào)節(jié)能控制器設(shè)計(jì).62.1.3基于利用自然冷源的空調(diào)節(jié)能控制器設(shè)計(jì).62.1.4基于機(jī)房空調(diào)機(jī)組自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì).72.2方案設(shè)計(jì)比較.7第三章總體方案設(shè)計(jì).103.1溫度采集模塊設(shè)計(jì).103.2控制空調(diào)開關(guān)模塊設(shè)計(jì).103.3通信模塊設(shè)計(jì).113.4其他模塊設(shè)計(jì).11第四章硬件設(shè)計(jì).124.1ATmega8單片機(jī)IO口分配.124.2溫度采集模塊設(shè)計(jì).124.3空調(diào)開關(guān)控制模塊設(shè)計(jì).134.4通信模塊設(shè)計(jì).144.5其他模塊設(shè)計(jì).144.5.1電源轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì).144.5.2485地址設(shè)置.154.5.3測試電路設(shè)計(jì).16第五章軟件設(shè)計(jì).175.1總體程序流程圖.175.2溫度采集模塊軟件設(shè)計(jì).185.3空調(diào)狀態(tài)控制模塊.205.4通訊模塊.215.5其他模塊實(shí)現(xiàn).23第六章系統(tǒng)實(shí)現(xiàn).246.1硬件調(diào)試.246.1.1電路的檢測.246.1.2遇到的問題及解決.256.2軟件調(diào)試.256.2.1各模塊的調(diào)試及實(shí)現(xiàn).256.2.2遇到的問題及解決.276.3系統(tǒng)測試.286.4結(jié)論.30第七章總結(jié).31致謝.32參考文獻(xiàn).33附錄一空調(diào)控制器原理圖和PCB板圖.34附錄二空調(diào)節(jié)能控制器C語言程序代碼.363緒論當(dāng)今，節(jié)能持續(xù)成為電信運(yùn)營商降低成本、提高競爭力的重要發(fā)展戰(zhàn)略之一。而通信基站和機(jī)房龐大的空調(diào)耗能則是運(yùn)營商最關(guān)注的節(jié)能問題。在通信機(jī)房中，為保持通信設(shè)備運(yùn)行所需要的環(huán)境，機(jī)房的空調(diào)幾乎處于全年運(yùn)行的狀態(tài)，存在著大量的電能浪費(fèi)，根據(jù)電信相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，通信機(jī)房耗電量占到了整個(gè)電信企業(yè)用電的90%以上，而機(jī)房空調(diào)占到了整個(gè)機(jī)房設(shè)備耗能電量的40%以上，可以看出空調(diào)的節(jié)能工作較為薄弱，能源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，因此，如何在確保通信設(shè)備安全正常運(yùn)行的前提下，最大限度地降低機(jī)房空調(diào)的能耗，是實(shí)現(xiàn)通信機(jī)房節(jié)能的關(guān)鍵所以加強(qiáng)空調(diào)的維護(hù)管理和技術(shù)改造，可以達(dá)到非常顯著的節(jié)能效果。本文就是針對空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)能問題,介紹了一種空調(diào)節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)方案,對其硬軟件部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行了實(shí)際測試,驗(yàn)證該節(jié)能控制器的可行性。4第一章ATmage8概述ATmega8單片機(jī)是高檔AVR單片機(jī)中ATmega系列的一種，該單片機(jī)是由ATMEL公司的第一個(gè)真正的8位RISC型單片機(jī)，并它同F(xiàn)LASH和EEPROM技術(shù)相結(jié)合，有極高的性價(jià)比1。1.1ATmega8的特點(diǎn)ATmega8是一種非常特殊的單片機(jī)，它的芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大硬件接口電路，具備AVR高檔單片機(jī)MEGE系列的全部性能和特點(diǎn)7。ATmega8具有高性能低功耗的8位AVR微處理器、先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)、非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、強(qiáng)大的外部接口性能、帶片內(nèi)RC振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器片內(nèi)模擬比較器、最多23個(gè)編程的I/O口、4.5-5.5V的寬工作電壓、高達(dá)16MHz的運(yùn)行速度等特點(diǎn)。該類單片機(jī)還具有系統(tǒng)內(nèi)可編程特性，可無需購買昂貴的仿真器和編輯器也可進(jìn)行單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)，尤其是對于單片機(jī)的初學(xué)者來說，可提供了非常方便和簡捷的學(xué)習(xí)開發(fā)環(huán)境。因此，本設(shè)計(jì)選擇了ATmega8單片機(jī)為主控芯片來實(shí)現(xiàn)空調(diào)節(jié)能控制功能。1.2ATmega8編程和系統(tǒng)開發(fā)工具ATmega8具有了一整套的編程和開發(fā)工具，它包括宏匯編編譯器、C語言編譯器、BSCOM-BASIC語言編譯器以及在線調(diào)試/仿真器和評估板。本設(shè)計(jì)所采用的是ICCAVR軟件開發(fā)環(huán)境，它是一種使用符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)的C語言來開發(fā)AVR系列單片機(jī)程序的一個(gè)工具,能產(chǎn)生可以直接使用的INTELHEX格式文件,這種格式文件可被大多數(shù)的編程器所支持。本設(shè)計(jì)中采用的編程器是緯煌編程器，它可以實(shí)現(xiàn)直接下載程序到單片機(jī)芯片中，方便快捷的實(shí)現(xiàn)各模塊功能。5第二章現(xiàn)有機(jī)房空調(diào)節(jié)能控制器設(shè)計(jì)2.1現(xiàn)有機(jī)房空調(diào)節(jié)能控制器介紹機(jī)房節(jié)能的重點(diǎn)就是是降低空調(diào)能耗。實(shí)現(xiàn)空調(diào)節(jié)能的途徑有很多種，空調(diào)節(jié)能控制器就是其中一種途徑，目前空調(diào)控制器的有很多種，他們有著不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，下面主要闡述了幾種的空調(diào)節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)及對他們的總結(jié)。2.1.1基于特定單片機(jī)的空調(diào)節(jié)能控制器設(shè)計(jì)（1）基于PIC16F877單片機(jī)的空調(diào)節(jié)能控制器設(shè)計(jì)該空調(diào)節(jié)能控制器是通過優(yōu)化壓縮機(jī)運(yùn)行曲線,根據(jù)空調(diào)的運(yùn)行特性及環(huán)境對溫度的感適能力,通過一個(gè)繼電器控制空調(diào)內(nèi)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),調(diào)整了空調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)行曲線,達(dá)到調(diào)控溫度及節(jié)省耗電的功能。該節(jié)能控制器硬件電路以PIC16F877單片機(jī)為控制核心,主要包括溫度采集模塊、參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)顯示模塊、壓縮機(jī)控制模塊等。溫度采集模塊對室溫進(jìn)行采集,送入主控制單元；參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)顯示單元主要是選擇節(jié)能控制器的工作模式及節(jié)能效率,并對相應(yīng)的工作模式以及設(shè)定的溫度進(jìn)行顯示；壓縮機(jī)控制模塊主要對空調(diào)壓縮機(jī)電路進(jìn)行控制。該節(jié)能控制器軟件設(shè)計(jì)是將節(jié)能控制分為兩種節(jié)能狀態(tài),對制冷溫度進(jìn)行設(shè)定,并對壓縮機(jī)強(qiáng)制關(guān)斷時(shí)間做出選擇,達(dá)到設(shè)定溫度后,兩種節(jié)能狀態(tài)程序分別通過強(qiáng)制關(guān)斷壓縮機(jī)10分鐘和15分鐘來克服壓縮機(jī)的長時(shí)間工作和頻繁啟動(dòng),達(dá)到節(jié)省電能的目的。該設(shè)計(jì)程序可分為:初始化模塊、按鍵采集及處理模塊、顯示模塊、壓縮機(jī)控制模塊、參數(shù)重置模塊四個(gè)功能模塊5。（2）基于C8051F020的環(huán)保節(jié)能空調(diào)控制器的設(shè)計(jì)該空調(diào)控制器設(shè)計(jì)利用抽取地下水形成環(huán)流熱交換實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的一種方法，根據(jù)熱轉(zhuǎn)換前的溫度、環(huán)境的溫度、熱轉(zhuǎn)換后的溫度，通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對水流速度的控制，同時(shí)控制小型風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)熱交換效率，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果6。6該空調(diào)控制器設(shè)計(jì)硬件電路以C8051F020單片機(jī)為核心，由溫度采集電路、溫度顯示電路、數(shù)據(jù)傳輸電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、小型風(fēng)扇控制電路及熱交換部分組成。系統(tǒng)完成溫度的采集與處理，通過控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)水流速度的控制，同時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來改變熱交換效率，并完成與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。該空調(diào)控制器設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件和單片機(jī)監(jiān)控軟件兩部分，其中上位機(jī)軟件用于接收、存儲(chǔ)單片機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示；監(jiān)控軟件主要包括溫度采集、處理、顯示，步進(jìn)電機(jī)控制及風(fēng)扇速度的調(diào)節(jié)等，并與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。2.1.2基于變頻技術(shù)的空調(diào)節(jié)能控制器設(shè)計(jì)基于變頻技術(shù)的空調(diào)節(jié)能控制器是根據(jù)空調(diào)具有冷負(fù)荷變化范圍大的特點(diǎn)，南方地區(qū)供冷范圍10%-100%之間變化大的優(yōu)勢來調(diào)整空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)2。下面闡述了這種技術(shù)的兩種方式：（1）中央空調(diào)系統(tǒng)水系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能方式采用交流變頻技術(shù)控制水泵的運(yùn)行，是通過對閥門調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速兩種狀態(tài)下的H-Q（壓力流量）關(guān)系及P-Q（功率流量）控制。當(dāng)所需流量減少時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速降低，電動(dòng)機(jī)所需功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的60%（即f=30Hz）時(shí)，電動(dòng)機(jī)消耗功率將下降78.4%，即節(jié)電率為78.4%，這種方式控制來減少水泵流量的效果是十分顯著。（2）機(jī)房專用空調(diào)壓縮機(jī)變頻方式機(jī)房專用空調(diào)壓縮機(jī)變頻技術(shù)是利用變頻器改變壓縮機(jī)的供電頻率，通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到控制室溫的目的?？照{(diào)每次啟動(dòng)時(shí)，先以最大功率、最大風(fēng)量進(jìn)行制熱或制冷，迅速接近所設(shè)定的溫度后，壓縮機(jī)便在低轉(zhuǎn)速、低能耗狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，僅以所需的功率維持設(shè)定的溫度3。這樣的控制器不但溫度穩(wěn)定，避免了壓縮機(jī)頻繁地開、停所造成的使用壽命的縮減，而且耗電量大大下降。2.1.3基于利用自然冷源的空調(diào)節(jié)能控制器設(shè)計(jì)這種節(jié)能技術(shù)的原理是把室外的自然環(huán)境作為冷源，用控制器判斷室外空氣溫度低于室內(nèi)空氣溫度且達(dá)到一定程度時(shí)，通過通風(fēng)將機(jī)房內(nèi)的熱量帶走，達(dá)到7降低機(jī)房內(nèi)部溫度的目的。這樣可以減少空調(diào)的使用時(shí)間，達(dá)到節(jié)約電能的目的。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，目前有下列兩種方式：（1）自然通風(fēng)新風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)室外空氣溫度較低時(shí)，通過控制器控制直接將室外低溫空氣送至室內(nèi)，為室內(nèi)降溫；當(dāng)室外溫度高不足以帶走室內(nèi)熱量時(shí)，則開啟空調(diào)。FCX系列節(jié)能空調(diào)采用自然通風(fēng)新風(fēng)系統(tǒng)，直接將室外心外新風(fēng)引入，改組沒有傳熱順勢，運(yùn)行效率高3。（2）熱交換新風(fēng)系統(tǒng)熱交換新風(fēng)系統(tǒng)采用隔絕換熱方式，室內(nèi)外空氣并不接觸，室外空氣只作為冷源將室內(nèi)熱量帶走，室內(nèi)空氣換熱冷卻后重新回到室內(nèi)，不改變機(jī)房內(nèi)部濕度，潔凈度也能得到更好的保證。FCR系列機(jī)房節(jié)能空調(diào)采用的就是熱交換新風(fēng)系統(tǒng)，核心部件是板式顯熱換熱器，室內(nèi)外空氣在換熱芯片內(nèi)進(jìn)行能量交換3。2.1.4基于機(jī)房空調(diào)機(jī)組自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)基于機(jī)房空調(diào)機(jī)組自適應(yīng)控制器以機(jī)房專用空調(diào)回風(fēng)口處傳感器的溫濕度值作為數(shù)據(jù)采樣參考點(diǎn)，監(jiān)測整個(gè)機(jī)房平面的真實(shí)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。上海電信就是利用機(jī)房專用空調(diào)系統(tǒng)組合的綜合控制能力以及機(jī)房內(nèi)氣流組織的優(yōu)化處理，該控制器采用的是計(jì)算機(jī)溫度模擬技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型，并通過自動(dòng)計(jì)算機(jī)房不同的工況、空調(diào)冷量分布等綜合數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)跟蹤計(jì)算不同季節(jié)空調(diào)在外部的環(huán)境溫度與室內(nèi)目標(biāo)溫度的關(guān)系和空調(diào)當(dāng)前的富余容量，精確控制“N+1”、“N+0”、“N-1”臺(tái)等空調(diào)數(shù)量的優(yōu)先開、關(guān)機(jī)順序，使空調(diào)組群始終處于最合理的工作狀態(tài)，從而達(dá)到空調(diào)效率最大化的目的2。機(jī)房專用空調(diào)自適應(yīng)恒溫恒濕控制節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的安裝和施工簡單方便，不需要對機(jī)房結(jié)構(gòu)做任何變動(dòng)，不影響原有空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，具有安全可靠性等特點(diǎn)，且有利于日常維護(hù)。2.2方案設(shè)計(jì)比較以上介紹了現(xiàn)有的幾種空調(diào)節(jié)能控制器設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)，現(xiàn)在將他們進(jìn)行比較，比較如下：（1)基于變頻技術(shù)的空調(diào)控制器，該設(shè)計(jì)改造必須治理好諧波效應(yīng)，避免其8干擾機(jī)房設(shè)備的正常工作，且由于其投資較大，因此在實(shí)際節(jié)能改造中需慎重考慮。(2)基于空調(diào)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的空調(diào)節(jié)能控制器要滿足響應(yīng)時(shí)間短，控制速度快，控制精度高等特點(diǎn)，因此只有高質(zhì)量的控制系統(tǒng)才能利用空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)，安全，節(jié)能運(yùn)行。(3)基于利用自然冷源空調(diào)節(jié)能控制器，該設(shè)計(jì)的新風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)和熱交換節(jié)能系統(tǒng)利用的是室外大氣冷源，冷量來源廉價(jià)易得，且取之不盡，用之不竭，但節(jié)能效果受室外條件的影響，在北方和南方溫度較低的地區(qū)節(jié)能效果更顯著。（4）基于某單片機(jī)的空調(diào)節(jié)能控制器：采用專門的空調(diào)控制器代替器原有的溫度控制器，將原先空調(diào)壓縮機(jī)的啟動(dòng)和關(guān)閉由一個(gè)溫度設(shè)定點(diǎn)改為溫度區(qū)段控制，優(yōu)化壓縮機(jī)的運(yùn)行曲線，減少空調(diào)器的運(yùn)行時(shí)間以達(dá)到節(jié)能的目的。此方法實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，相對變頻空調(diào)來說投資少，相對空調(diào)自適應(yīng)空調(diào)控制器的控制系統(tǒng)要求低。并且沒有南北方地區(qū)差異，適應(yīng)于各個(gè)地方。下面對以上四種節(jié)能控制器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)以及建議使用的場合進(jìn)行比較。如下表2.1所示（見下頁）：9表2.1現(xiàn)有空調(diào)節(jié)能控制器對比表節(jié)能方案優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)建議使用場合基于某單片機(jī)優(yōu)化