基于DS18B20和单片机实现工业空调智能控制器的应用方案
1 引言
基于网络实现对设备的监控已经成为目前一个主要的应用领域，如通过internet对工业空调进行遥控操作，包括开机、关机、温度调节等。除了要完成常规的功能以外，还要和外部网络进行通信，接收远程用户通过internet发送过来的指令，分析指令并执行相应的操作，根据需要返回设备的工作状态参数。在本文中详细的介绍了工业空调智能控制器的软硬件设计，控制器通过串口与嵌入式网络接口模块通讯，使电器接入internet，完成和外部网络的通信。
2 工业空调的工作原理
图1 工业空调制冷原理图
工业空调制冷原理如图1所示，工业空调工作时，制冷系统内的低压、低温制冷剂蒸汽被压缩机吸入，经压缩为高压、高温的过热蒸汽后排至冷凝器;同时室外侧风扇吸入的室外空气流经冷凝器，带走制冷剂放出的热量，使高压、高温的制冷剂蒸汽凝结为高压液体。高压液体经过节流毛细管降压降温流入蒸发器，并在相应的低压下蒸发，吸取周围热量;同时室内侧风扇使室内空气不断进入蒸发器的肋片间进行热交换，并将放热后的变冷的气体送向室内。如此，室内外空气不断循环流动，达到降低温度的目的。
3 控制器硬件详细设计
工业空调智能控制器的硬件原理框图如图2所示。由图可知，工业空调智能控制器的硬件是以at89s52微处理器为核心，主要由电源电路、面板按键、红外接收电路、温度检测电路、串行通信接口、数码显示电路以及继电器驱动电路等几部分组成。
图2 工业空调智能控制器原理框图
3. 1 电源电路
整个主控板上有三种电压：ac220v， dc12v和dc5v。ac220v直接给压缩机、风机供电;dc12v和dc5v用于继电器和微控系统供电。电源电路如图3所示，电源变压器将交流电网220v的电压变为所需要的电压值，然后从插座j1输入，经过整流桥进行全波整流，通过并联2200u/35v电解电容、0.1μf电容组成的滤波电路滤除纹波得到dc12v，再经过三端稳压管7805将电压稳压在+5v。
图3 电源电路
3. 2 温度检测电路
设计选用了数字式温度传感器ds18b20，温度测量范围为-55℃-+125℃，可编程为9位-12位a/d转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生;它的方便之处在于单线接口设计，使处理器只需要接一条数据线就能对它进行全部的操作，实现操作指令和测量数据的传输，节省了大量的引线和逻辑电路。以上特点使ds18b‘20在温度测控系统中得到广泛应用。
ds18b20和单片机典型连接有两种方式：（1）寄生电源方式，其vdd和gnd端均接地。（2）外接电源方式，vdd端采用3v“5.5v电源供电。本设计采用了外接电源方式供电。
3. 3 数码显示电路
显示模块主要由数码led显示块和74hc164构成，74hc164为单向8位移位寄存器，可实现串行输入，并行输出。74hc164编程简单，性价比高。选用单片机的两个i/o口完成与显示模块的串行显示连接，其中把单片机的p2.4口作为移位脉冲输出端，p2.5口作为数据输出端。单片机的p2.2口接74hc164的clk端，对单片机的p2.2口输出的高低电平就是给74hc164数据移位的时钟脉冲，在74hc164获得时钟脉冲的瞬间，如果数据输入端是高电平，则就会有一个1进入到74hc164的内部，如果数据输入端是低电平，则就会有一个0进入其内部，如此循环8次即可将一个8位数据传送至74hc164中。74hc164的输出（并行输出）直接作为数码管的段选控制信号，单片机的p2.0口和p2.1口驱动输出显示的是位选控制信号。显示段码驱动电路如图4所示。
图4 显示驱动电路
3. 4 以太网控制与串行通信模块设计
以太网控制模块主要是在ethernet/internet和微处理器之间起到一个桥梁的作用。将微处理器传出的数据打包送到以太网上，或将以太网上的数据接收进来，供主处理器处理。其核心是以太网控制芯片rtl8019as，为使rtl8019as能与8位微处理器一起配合工作，就要对它工作时的模式、状态及相关参数作硬件的设置。
以太网控制芯片rtl8019as实现了以太网媒介访问层（mac）和物理层（phy）的功能，包括mac数据帧的组装/拆分与收发、地址识别、crc编码/校验曼彻斯特编解码、接收噪声抑制、输出脉冲成形、超时重传、链路完整性测试、信号极性检测与纠正等。
串行通信模块是连接设备控制器与嵌入式网络接口模块的桥梁。由于单片机的串行数据接口并不是标准的rs-232-c串口，因此使用了maxim公司的max232电平转换芯片将单片机的串行数据接口与标准的rs-232-c串行接口连接起来。max232是一种能够实现rs232与ttl两种逻辑电平相互转换的专用芯片，芯片内部包含两种接收器和驱动器以及一个电源电压变换器，并且只需要单一的+5v电源供电。max232芯片的硬件接口十分简单，单片机的串行接收和发送端rxd， txd可直接连接到max232的相应端口上，通过外接1.0μf的电解电容便可以、使max232输出rs-232-c串行通信所需要的±10v信号电平。由于max232芯片没有片选端，在应用系统中仅起到电平转换的作用，因此它并不占用单片机的外部数据存储空间。
3. 5 继电器驱动电路
在单片机应用系统中，开关量输出电路主要完成动作信号的输出，用于控制压缩机和风机的开关状态。由于输出信号不足以驱动继电器的开关动作，在单片机的信号输出口和继电器之间采用了uln2003a实现信号的放大及驱动。uln2003a是由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及箱位二极管构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路;，它具有电流增益高、带负载能力强、温度范围宽及工作电压高等特点，适合驱动继电器、显示器等大功率器件。
继电器驱动电路设计如图5所示，单片机控制信号经p1.0”p1.3端口输出，并通过p3.4的控制，将信号锁存在74ls273中，74:ls273的输出再经过达林顿驱动器uln2003a反向放大后加到继电器的输入端，使压缩机和风机按要求动作。74ls273锁存控制信号，一方面增加输出功率，另一方面也防止单片机复位时引起控制的误动作。
图5 继电器驱动电路
4 软件的设计与实现
系统软件用c51编写，采用了模块化的设计思想，由主程序模块、各个功能子程序模块和中断服务子程序模块三大部分组成。主程序的功能是系统初始化、控制程序走向和调用功能子程序;功能子程序包括数据采集、数码显示、风机和压缩机的控制等子程序;中断服务子程序包括遥控接收、定时中断处理等。下面对主要程序模块进行描述。
主程序是整个控制系统软件的枢纽，通过主程序有机地调用系统中各类的子程序及模块，使它们形成一个联系紧密的整体，有条不紊的完成各项预定的操作指令。系统上电或复位后，系统首先进行初始化，包括各个寄存器和芯片的初始化;然后对室温进行采样及加权处理;起始串行通信模块确定是否接收到网关发送过来的命令和数据，若接收到命令和数据，设置相应的参数和标志位;调用键盘扫描程序，检查是否有按键按下，若有按键按下，识别按键并设置相应的参数和标志位;调用显示模块用于显示设定温度、当前室温、定时时间、风速、功能和定时状态等信息;调用功能查询及处理模块使系统按所设定的参数和标志位工作。只要系统上电，，主程序就不能停止，一直处于循环等待状态，所以主程序没有结束运行的指令。
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2 工业空调的工作原理
图1 工业空调制冷原理图
工业空调制冷原理如图1所示，工业空调工作时，制冷系统内的低压、低温制冷剂蒸汽被压缩机吸入，经压缩为高压、高温的过热蒸汽后排至冷凝器;同时室外侧风扇吸入的室外空气流经冷凝器，带走制冷剂放出的热量，使高压、高温的制冷剂蒸汽凝结为高压液体。高压液体经过节流毛细管降压降温流入蒸发器，并在相应的低压下蒸发，吸取周围热量;同时室内侧风扇使室内空气不断进入蒸发器的肋片间进行热交换，并将放热后的变冷的气体送向室内。如此，室内外空气不断循环流动，达到降低温度的目的。
3 控制器硬件详细设计
工业空调智能控制器的硬件原理框图如图2所示。由图可知，工业空调智能控制器的硬件是以at89s52微处理器为核心，主要由电源电路、面板按键、红外接收电路、温度检测电路、串行通信接口、数码显示电路以及继电器驱动电路等几部分组成。
图2 工业空调智能控制器原理框图
3. 1 电源电路
整个主控板上有三种电压：ac220v， dc12v和dc5v。ac220v直接给压缩机、风机供电;dc12v和dc5v用于继电器和微控系统供电。电源电路如图3所示，电源变压器将交流电网220v的电压变为所需要的电压值，然后从插座j1输入，经过整流桥进行全波整流，通过并联2200u/35v电解电容、0.1μf电容组成的滤波电路滤除纹波得到dc12v，再经过三端稳压管7805将电压稳压在+5v。
图3 电源电路
3. 2 温度检测电路
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ds18b20和单片机典型连接有两种方式：（1）寄生电源方式，其vdd和gnd端均接地。（2）外接电源方式，vdd端采用3v“5.5v电源供电。本设计采用了外接电源方式供电。
3. 3 数码显示电路
显示模块主要由数码led显示块和74hc164构成，74hc164为单向8位移位寄存器，可实现串行输入，并行输出。74hc164编程简单，性价比高。选用单片机的两个i/o口完成与显示模块的串行显示连接，其中把单片机的p2.4口作为移位脉冲输出端，p2.5口作为数据输出端。单片机的p2.2口接74hc164的clk端，对单片机的p2.2口输出的高低电平就是给74hc164数据移位的时钟脉冲，在74hc164获得时钟脉冲的瞬间，如果数据输入端是高电平，则就会有一个1进入到74hc164的内部，如果数据输入端是低电平，则就会有一个0进入其内部，如此循环8次即可将一个8位数据传送至74hc164中。74hc164的输出（并行输出）直接作为数码管的段选控制信号，单片机的p2.0口和p2.1口驱动输出显示的是位选控制信号。显示段码驱动电路如图4所示。
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3. 5 继电器驱动电路
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图5 继电器驱动电路
4 软件的设计与实现
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主程序是整个控制系统软件的枢纽，通过主程序有机地调用系统中各类的子程序及模块，使它们形成一个联系紧密的整体，有条不紊的完成各项预定的操作指令。系统上电或复位后，系统首先进行初始化，包括各个寄存器和芯片的初始化;然后对室温进行采样及加权处理;起始串行通信模块确定是否接收到网关发送过来的命令和数据，若接收到命令和数据，设置相应的参数和标志位;调用键盘扫描程序，检查是否有按键按下，若有按键按下，识别按键并设置相应的参数和标志位;调用显示模块用于显示设定温度、当前室温、定时时间、风速、功能和定时状态等信息;调用功能查询及处理模块使系统按所设定的参数和标志位工作。只要系统上电，，主程序就不能停止，一直处于循环等待状态，所以主程序没有结束运行的指令。
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