魯克明

基于單片機(jī)的機(jī)艙溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

魯克明

（海軍駐武漢四三八廠軍代室，武漢 430060）

設(shè)計(jì)了一臺(tái)基于單片機(jī)控制的機(jī)艙溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理樣機(jī)，對(duì)系統(tǒng)的溫度測量、紅外遙控、液晶顯示、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制等主要電路進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。原理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的裝置能依據(jù)機(jī)艙溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量來控制艙室的溫度。

溫度測量 紅外遙控 調(diào)速控制

0 引言

現(xiàn)代機(jī)艙的降溫方法主要有兩種：機(jī)艙通風(fēng)降溫和機(jī)械制冷降溫。機(jī)艙通風(fēng)降溫又分為自然通風(fēng)降溫和機(jī)械通風(fēng)降溫。通風(fēng)降溫方法簡單易行，特別是自然通風(fēng)，投資少，不消耗動(dòng)力，但是該種通風(fēng)方法適用范圍有限，對(duì)于水平面以上機(jī)艙可以采用自然通風(fēng)，但對(duì)于水下機(jī)艙，空間狹窄，相對(duì)密閉，只能采用機(jī)械通風(fēng)。采用機(jī)械通風(fēng)，可以根據(jù)機(jī)艙溫度，人為調(diào)節(jié)風(fēng)速的大小，以達(dá)到機(jī)艙快速降溫度的效果；機(jī)械制冷降溫一般用于艦員住艙，這種方法降溫速度快，降溫效果好。相對(duì)機(jī)械通風(fēng)，投資大，設(shè)備復(fù)雜，占用空間大。對(duì)于空間狹窄，管路復(fù)雜的機(jī)艙內(nèi)不宜使用機(jī)械制冷降溫。

本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)機(jī)械通風(fēng)的船舶機(jī)艙溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境溫度大小自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量，以達(dá)到最好的降溫效果。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)艙溫度控制系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)電機(jī)采用L型副相抽頭調(diào)速式單相異步電機(jī)，電機(jī)繞組接線方式如圖1所示。當(dāng)電容接在“低”，風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行，系統(tǒng)處于“小風(fēng)”狀態(tài)；當(dāng)電容接在“中”，風(fēng)機(jī)中速運(yùn)行，系統(tǒng)處于“中風(fēng)”狀態(tài)；當(dāng)電容接在“高”，風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行，系統(tǒng)處于“大風(fēng)”狀態(tài)。

圖1 單相電機(jī)的接線圖

系統(tǒng)的控制芯片采用51系列的AT80C51芯片，如圖2所示。系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式。系統(tǒng)開機(jī)以后，使用紅外遙控對(duì)機(jī)艙溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，當(dāng)工作模式選擇為手動(dòng)模式，這時(shí)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大小只取決于紅外遙控的控制信號(hào)，通過紅外遙控可以直接以三種風(fēng)速的任意一種風(fēng)速起動(dòng)風(fēng)機(jī)，并且可以實(shí)現(xiàn)三種風(fēng)速的任意轉(zhuǎn)換或直接在任意轉(zhuǎn)速使風(fēng)機(jī)停止工作；當(dāng)系統(tǒng)工作模式選擇為自動(dòng)模式時(shí)，可以采用紅外遙控設(shè)定風(fēng)機(jī)速度的切換溫度和起動(dòng)溫度，使系統(tǒng)根據(jù)艙室溫度自動(dòng)進(jìn)行調(diào)速（風(fēng)量），艙室溫度、設(shè)定的切換溫度、風(fēng)機(jī)工作模式以及風(fēng)機(jī)工況均顯示在液晶屏上。

圖2 機(jī)艙溫度控制系統(tǒng)示意圖

2 機(jī)艙溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3 系統(tǒng)控制線路板

整個(gè)控制裝置如圖3所示，它由溫度測量模塊、紅外遙控模塊、液晶顯示模塊等部分組成，系統(tǒng)控制板如圖3所示。

2.1 溫度測量模塊

為保證單片機(jī)引腳輸出能夠驅(qū)動(dòng)DS18B20，在單片機(jī)引腳輸出時(shí)加一個(gè)10K上拉電阻，靠近VCC引腳在VCC引腳和GND引腳之間跨接一個(gè)100 nF（104）的電容，進(jìn)行電源濾波。布局時(shí)遠(yuǎn)離時(shí)鐘電路，以防止高頻的干擾。

圖4 溫度測量電路

2.2 紅外遙控模塊

作為人機(jī)控制接口，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)以及設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)。通過遙控器按鍵選擇自動(dòng)或手動(dòng)控制模式，手動(dòng)控制模式時(shí)設(shè)定風(fēng)機(jī)起動(dòng)、停止和運(yùn)行速度；自動(dòng)控制模式時(shí)設(shè)定風(fēng)機(jī)自動(dòng)起動(dòng)、停止的溫度以及各種風(fēng)速切換的溫度；

圖5 紅外接收電路及紅外遙控器

圖6 液晶顯示電路

IRD引腳接單片機(jī)的P32/CS1引腳，GND2和VCC3之間跨接一個(gè)100 nF（104）的電容，在進(jìn)行布局時(shí)遠(yuǎn)離時(shí)鐘電路，以防止高頻干擾。

2.3 液晶顯示模塊

采用LCD1602液晶顯示測量的數(shù)據(jù)以及控制命令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的交換。

為保證單片機(jī)能夠驅(qū)動(dòng)液晶，在液晶與單片機(jī)連接的每個(gè)引腳上接了一個(gè)10K的上拉電阻，跨接在電源端的兩個(gè)電容都靠近電源的正極端。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

原理樣機(jī)的風(fēng)機(jī)由三檔調(diào)速的電風(fēng)扇替代，將其調(diào)速器拆除，電機(jī)繞組的接線由控制板上的三個(gè)繼電器控制。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 機(jī)艙溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)原理樣機(jī)

3.1 手動(dòng)實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)開機(jī)后，使用紅外遙控器選擇手動(dòng)模式。

此狀態(tài)下，通過紅外遙控可以直接以三種風(fēng)速的任意一種風(fēng)速起動(dòng)風(fēng)機(jī)，并且可以實(shí)現(xiàn)三種風(fēng)速的任意轉(zhuǎn)換或直接在任意轉(zhuǎn)速使風(fēng)機(jī)停止工作。系統(tǒng)反復(fù)操作，運(yùn)行可靠，性能穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

在低速模式時(shí)，單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為900 r/min；在中速模式時(shí)，單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1050 r/min;高速模式時(shí)，單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1200 r/min。

圖8 高速時(shí)電機(jī)電壓和電流波形

圖8為風(fēng)機(jī)在高速（1200 r/min）運(yùn)行時(shí)的電壓電流波形，示波器1通道輸入的為電流，毛刺較多，2通道輸入為電壓，其中電流波形中200 mV對(duì)應(yīng)于1 A。

3.2 自動(dòng)實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)開機(jī)以后，使用紅外遙控器選擇自動(dòng)工作模式。

此狀態(tài)下，系統(tǒng)會(huì)監(jiān)測環(huán)境溫度，并將環(huán)境溫度與已設(shè)置的風(fēng)機(jī)起動(dòng)溫度進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到風(fēng)機(jī)的起動(dòng)溫度，風(fēng)機(jī)自動(dòng)低速起動(dòng)；環(huán)境溫度繼續(xù)升高達(dá)到中速切換溫度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出調(diào)速指令，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在中風(fēng)狀態(tài)；環(huán)境溫度繼續(xù)升高達(dá)到高速切換溫度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出調(diào)速指令，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在大風(fēng)狀態(tài)；反之環(huán)境溫度下降，風(fēng)速也自動(dòng)調(diào)整。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用吹風(fēng)機(jī)加熱溫度傳感器來模擬環(huán)境溫度變化，系統(tǒng)反復(fù)操作，運(yùn)行可靠，性能穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

在低速模式時(shí)，單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為900 r/min；在中速模式時(shí)，單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1050 r/min;高速模式時(shí)，單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1200 r/min。

下面是調(diào)速時(shí)每個(gè)固定風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的單相異步電動(dòng)機(jī)的輸入電壓和輸入電流：

圖9 低速時(shí)電機(jī)電壓和電流波形

圖9為風(fēng)機(jī)在低速（900 r/min）運(yùn)行時(shí)的電壓電流波形，示波器1通道輸入的為電流，毛刺較多，2通道輸入為電壓，其中電流波形中200 mv對(duì)應(yīng)于1 A。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套機(jī)艙溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)控制裝置的原理樣機(jī)。風(fēng)機(jī)由L型副相抽頭調(diào)速式單相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)并制作了紅外遙控電路、溫度測量電路、液晶顯示電路、單相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制電路以及單片機(jī)最小系統(tǒng)電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的機(jī)艙溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)原理樣機(jī)具有手動(dòng)和自動(dòng)功能：手動(dòng)控制時(shí)，可以使用紅外遙控對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)速；自動(dòng)控制時(shí)，可以采用紅外遙控設(shè)定風(fēng)機(jī)的切換溫度和起動(dòng)溫度，使原理樣機(jī)根據(jù)艙室溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量；艙室溫度、設(shè)定的切換溫度、風(fēng)機(jī)工作模式以及風(fēng)機(jī)工況均可顯示在液晶屏上。

[1] U.Tietze Ch. Schenk. Electronic Circuits. Handbook for Design and Application, Berlin, New York: Spinger –Verlag,2005.

[2] 楊剛, 龍海燕. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2009年3月.

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Design of Cabin Temperature Automatic Control System Based on Single Chip

Lu Keming

(Naval Representatives Office in No. 438 Factory, Wuhan 430060, China)

TM571

A

1003-4862（2014）10-0059-03

2014-03-24

魯克明(1963-)，男，高工。專業(yè)方向：艦船裝備監(jiān)造、機(jī)電管理。