基于单片机的机舱温度自动控制系统的设计

鲁克明

基于单片机的机舱温度自动控制系统的设计

鲁克明

（海军驻武汉四三八厂军代室，武汉 430060）

设计了一台基于单片机控制的机舱温度自动控制系统的原理样机，对系统的温度测量、红外遥控、液晶显示、异步电动机调速控制等主要电路进行了分析和设计。原理样机的实验表明，所设计的装置能依据机舱温度自动调节风量来控制舱室的温度。

温度测量 红外遥控 调速控制

0 引言

现代机舱的降温方法主要有两种：机舱通风降温和机械制冷降温。机舱通风降温又分为自然通风降温和机械通风降温。通风降温方法简单易行，特别是自然通风，投资少，不消耗动力，但是该种通风方法适用范围有限，对于水平面以上机舱可以采用自然通风，但对于水下机舱，空间狭窄，相对密闭，只能采用机械通风。采用机械通风，可以根据机舱温度，人为调节风速的大小，以达到机舱快速降温度的效果；机械制冷降温一般用于舰员住舱，这种方法降温速度快，降温效果好。相对机械通风，投资大，设备复杂，占用空间大。对于空间狭窄，管路复杂的机舱内不宜使用机械制冷降温。

本文设计了一台机械通风的船舶机舱温度自动控制系统，该系统可以根据环境温度大小自动调节风量，以达到最好的降温效果。

1 系统构成

机舱温度控制系统的风机电机采用L型副相抽头调速式单相异步电机，电机绕组接线方式如图1所示。当电容接在“低”，风机低速运行，系统处于“小风”状态；当电容接在“中”，风机中速运行，系统处于“中风”状态；当电容接在“高”，风机高速运行，系统处于“大风”状态。

图1 单相电机的接线图

系统的控制芯片采用51系列的AT80C51芯片，如图2所示。系统有手动和自动两种控制模式。系统开机以后，使用红外遥控对机舱温度自动控制系统进行控制，当工作模式选择为手动模式，这时风机的风量大小只取决于红外遥控的控制信号，通过红外遥控可以直接以三种风速的任意一种风速起动风机，并且可以实现三种风速的任意转换或直接在任意转速使风机停止工作；当系统工作模式选择为自动模式时，可以采用红外遥控设定风机速度的切换温度和起动温度，使系统根据舱室温度自动进行调速（风量），舱室温度、设定的切换温度、风机工作模式以及风机工况均显示在液晶屏上。

图2 机舱温度控制系统示意图

2 机舱温度控制系统设计

图3 系统控制线路板

整个控制装置如图3所示，它由温度测量模块、红外遥控模块、液晶显示模块等部分组成，系统控制板如图3所示。

2.1 温度测量模块

为保证单片机引脚输出能够驱动DS18B20，在单片机引脚输出时加一个10K上拉电阻，靠近VCC引脚在VCC引脚和GND引脚之间跨接一个100 nF（104）的电容，进行电源滤波。布局时远离时钟电路，以防止高频的干扰。

图4 温度测量电路

2.2 红外遥控模块

作为人机控制接口，控制整个系统的运行状态以及设置系统的参数。通过遥控器按键选择自动或手动控制模式，手动控制模式时设定风机起动、停止和运行速度；自动控制模式时设定风机自动起动、停止的温度以及各种风速切换的温度；

图5 红外接收电路及红外遥控器

图6 液晶显示电路

IRD引脚接单片机的P32/CS1引脚，GND2和VCC3之间跨接一个100 nF（104）的电容，在进行布局时远离时钟电路，以防止高频干扰。

2.3 液晶显示模块

采用LCD1602液晶显示测量的数据以及控制命令，实现人机界面的交换。

为保证单片机能够驱动液晶，在液晶与单片机连接的每个引脚上接了一个10K的上拉电阻，跨接在电源端的两个电容都靠近电源的正极端。

3 系统实验

原理样机的风机由三档调速的电风扇替代，将其调速器拆除，电机绕组的接线由控制板上的三个继电器控制。实验系统如图7所示。

图7 机舱温度自动控制系统原理样机

3.1 手动实验

系统开机后，使用红外遥控器选择手动模式。

此状态下，通过红外遥控可以直接以三种风速的任意一种风速起动风机，并且可以实现三种风速的任意转换或直接在任意转速使风机停止工作。系统反复操作，运行可靠，性能稳定，达到了设计要求。

在低速模式时，单相异步电动机的转速为900 r/min；在中速模式时，单相异步电动机的转速为1050 r/min;高速模式时，单相异步电动机的转速为1200 r/min。

图8 高速时电机电压和电流波形

图8为风机在高速（1200 r/min）运行时的电压电流波形，示波器1通道输入的为电流，毛刺较多，2通道输入为电压，其中电流波形中200 mV对应于1 A。

3.2 自动实验

系统开机以后，使用红外遥控器选择自动工作模式。

此状态下，系统会监测环境温度，并将环境温度与已设置的风机起动温度进行对比，当环境温度达到风机的起动温度，风机自动低速起动；环境温度继续升高达到中速切换温度时，系统自动发出调速指令，使风机运行在中风状态；环境温度继续升高达到高速切换温度时，系统自动发出调速指令，使风机运行在大风状态；反之环境温度下降，风速也自动调整。

实验时，采用吹风机加热温度传感器来模拟环境温度变化，系统反复操作，运行可靠，性能稳定，达到了设计要求。

在低速模式时，单相异步电动机的转速为900 r/min；在中速模式时，单相异步电动机的转速为1050 r/min;高速模式时，单相异步电动机的转速为1200 r/min。

下面是调速时每个固定风速所对应的单相异步电动机的输入电压和输入电流：

图9 低速时电机电压和电流波形

图9为风机在低速（900 r/min）运行时的电压电流波形，示波器1通道输入的为电流，毛刺较多，2通道输入为电压，其中电流波形中200 mv对应于1 A。

4 结论

本文设计了一套机舱温度自动调节控制装置的原理样机。风机由L型副相抽头调速式单相异步电机驱动。设计并制作了红外遥控电路、温度测量电路、液晶显示电路、单相异步电动机调速控制电路以及单片机最小系统电路。实验结果表明，所设计的机舱温度自动控制系统原理样机具有手动和自动功能：手动控制时，可以使用红外遥控对原理样机进行手动调速；自动控制时，可以采用红外遥控设定风机的切换温度和起动温度，使原理样机根据舱室温度自动调节风量；舱室温度、设定的切换温度、风机工作模式以及风机工况均可显示在液晶屏上。

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

[2] 杨刚, 龙海燕. 嵌入式系统设计与实践. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2009年3月.

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[5] 钱照明, 陈恒林. 电力电子装置电磁兼容研究最新进展[J]. 电工技术学报, 2007,(6).

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

鲁克明(1963-)，男，高工。专业方向：舰船装备监造、机电管理。