基于Internet的工業(yè)空調智能控制器開發(fā)
摘要: 本文闡述了基于Internet的工業(yè)空調智能控制器的軟硬件設計。該控制器不僅可以完成電器常規(guī)控制功能，還能夠于嵌入式網絡接口模塊進行通信，接收上位機發(fā)送過來的命令，處理并返回相應參數，實現用戶對設備的遠程監(jiān)控。實際運行結果表明該方案實用可行。本控制器具有成本低、開發(fā)簡單快速、靈活等特點。
1 引言
基于網絡實現對設備的監(jiān)控已經成為目前一個主要的應用領域，如通過Internet對工業(yè)空調進行遙控操作，包括開機、關機、溫度調節(jié)等。除了要完成常規(guī)的功能以外，還要和外部網絡進行通信，接收遠程用戶通過Internet發(fā)送過來的指令，分析指令并執(zhí)行相應的操作，根據需要返回設備的工作狀態(tài)參數。在本文中詳細的介紹了工業(yè)空調智能控制器的軟硬件設計，控制器通過串口與嵌入式網絡接口模塊通訊，使電器接入Internet，完成和外部網絡的通信。
2 工業(yè)空調的工作原理
圖1 工業(yè)空調制冷原理圖
工業(yè)空調制冷原理如圖1所示，工業(yè)空調工作時，制冷系統(tǒng)內的低壓、低溫制冷劑蒸汽被壓縮機吸入，經壓縮為高壓、高溫的過熱蒸汽后排至冷凝器;同時室外側風扇吸入的室外空氣流經冷凝器，帶走制冷劑放出的熱量，使高壓、高溫的制冷劑蒸汽凝結為高壓液體。高壓液體經過節(jié)流毛細管降壓降溫流入蒸發(fā)器，并在相應的低壓下蒸發(fā)，吸取周圍熱量;同時室內側風扇使室內空氣不斷進入蒸發(fā)器的肋片間進行熱交換，并將放熱后的變冷的氣體送向室內。如此，室內外空氣不斷循環(huán)流動，達到降低溫度的目的。
3 控制器硬件詳細設計
工業(yè)空調智能控制器的硬件原理框圖如圖2所示。由圖可知，工業(yè)空調智能控制器的硬件是以AT89S52微處理器為核心，主要由電源電路、面板按鍵、紅外接收電路、溫度檢測電路、串行通信接口、數碼顯示電路以及繼電器驅動電路等幾部分組成。
圖2 工業(yè)空調智能控制器原理框圖
3. 1 電源電路
整個主控板上有三種電壓:AC220V, DC12V和DC5V。AC220V直接給壓縮機、風機供電;DC12V和DC5V用于繼電器和微控系統(tǒng)供電。電源電路如圖3所示，電源變壓器將交流電網220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后從插座J1輸入，經過整流橋進行全波整流，通過并聯(lián)2200u/35V電解電容、0.1μF電容組成的濾波電路濾除紋波得到DC12V，再經過三端穩(wěn)壓管7805將電壓穩(wěn)壓在+5V。
3. 2 溫度檢測電路
設計選用了數字式溫度傳感器DS18B20，溫度測量范圍為-55℃-+125℃，可編程為9位-12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出;其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生;它的方便之處在于單線接口設計，使處理器只需要接一條數據線就能對它進行全部的操作，實現操作指令和測量數據的傳輸，節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B'20在溫度測控系統(tǒng)中得到廣泛應用。
DS18B20和單片機典型連接有兩種方式:(1)寄生電源方式，其VDD和GND端均接地。(2)外接電源方式，VDD端采用3V~5.5V電源供電。本設計采用了外接電源方式供電。
3. 3 數碼顯示電路
顯示模塊主要由數碼LED顯示塊和74HC164構成，74HC164為單向8位移位寄存器，可實現串行輸入，并行輸出。74HC164編程簡單，性價比高。選用單片機的兩個I/O口完成與顯示模塊的串行顯示連接，其中把單片機的P2.4口作為移位脈沖輸出端，P2.5口作為數據輸出端。單片機的P2.2口接74HC164的CLK端，對單片機的P2.2口輸出的高低電平就是給74HC164數據移位的時鐘脈沖，在74HC164獲得時鐘脈沖的瞬間，如果數據輸入端是高電平，則就會有一個1進入到74HC164的內部，如果數據輸入端是低電平，則就會有一個0進入其內部，如此循環(huán)8次即可將一個8位數據傳送至74HC164中。74HC164的輸出(并行輸出)直接作為數碼管的段選控制信號，單片機的P2.0口和P2.1口驅動輸出顯示的是位選控制信號。顯示段碼驅動電路如圖4所示。
3. 4 以太網控制與串行通信模塊設計
以太網控制模塊主要是在Ethernet/Internet和微處理器之間起到一個橋梁的作用。將微處理器傳出的數據打包送到以太網上，或將以太網上的數據接收進來，供主處理器處理。其核心是以太網控制芯片RTL8019AS，為使RTL8019AS能與8位微處理器一起配合工作，就要對它工作時的模式、狀態(tài)及相關參數作硬件的設置。
以太網控制芯片RTL8019AS實現了以太網媒介訪問層(MAC)和物理層(PHY)的功能，包括MAC數據幀的組裝/拆分與收發(fā)、地址識別、CRC編碼/校驗曼徹斯特編解碼、接收噪聲抑制、輸出脈沖成形、超時重傳、鏈路完整性測試、信號極性檢測與糾正等。
串行通信模塊是連接設備控制器與嵌入式網絡接口模塊的橋梁。由于單片機的串行數據接口并不是標準的RS-232-C串口，因此使用了MAXIM公司的MAX232電平轉換芯片將單片機的串行數據接口與標準的RS-232-C串行接口連接起來。MAX232是一種能夠實現RS232與TTL兩種邏輯電平相互轉換的專用芯片，芯片內部包含兩種接收器和驅動器以及一個電源電壓變換器，并且只需要單一的+5V電源供電。MAX232芯片的硬件接口十分簡單，單片機的串行接收和發(fā)送端RXD, TXD可直接連接到MAX232的相應端口上，通過外接1.0μF的電解電容便可以、使MAX232輸出RS-232-C串行通信所需要的±10V信號電平。由于MAX232芯片沒有片選端，在應用系統(tǒng)中僅起到電平轉換的作用，因此它并不占用單片機的外部數據存儲空間。
3. 5 繼電器驅動電路
在單片機應用系統(tǒng)中，開關量輸出電路主要完成動作信號的輸出，用于控制壓縮機和風機的開關狀態(tài)。由于輸出信號不足以驅動繼電器的開關動作，在單片機的信號輸出口和繼電器之間采用了ULN2003A實現信號的放大及驅動。ULN2003A是由7組達林頓晶體管陣列和相應的電阻網絡以及箱位二極管構成，具有同時驅動7組負載的能力，為單片雙極型大功率高速集成電路;，它具有電流增益高、帶負載能力強、溫度范圍寬及工作電壓高等特點，適合驅動繼電器、顯示器等大功率器件。
繼電器驅動電路設計如圖5所示，單片機控制信號經P1.0~P1.3端口輸出，并通過P3.4的控制，將信號鎖存在74LS273中，74:LS273的輸出再經過達林頓驅動器ULN2003A反向放大后加到繼電器的輸入端，使壓縮機和風機按要求動作。74LS273鎖存控制信號，一方面增加輸出功率，另一方面也防止單片機復位時引起控制的誤動作。
4 軟件的設計與實現
系統(tǒng)軟件用C51編寫，采用了模塊化的設計思想，由主程序模塊、各個功能子程序模塊和中斷服務子程序模塊三大部分組成。主程序的功能是系統(tǒng)初始化、控制程序走向和調用功能子程序;功能子程序包括數據采集、數碼顯示、風機和壓縮機的控制等子程序;中斷服務子程序包括遙控接收、定時中斷處理等。下面對主要程序模塊進行描述。
主程序是整個控制系統(tǒng)軟件的樞紐，通過主程序有機地調用系統(tǒng)中各類的子程序及模塊，使它們形成一個聯(lián)系緊密的整體，有條不紊的完成各項預定的操作指令。系統(tǒng)上電或復位后，系統(tǒng)首先進行初始化，包括各個寄存器和芯片的初始化;然后對室溫進行采樣及加權處理;起始串行通信模塊確定是否接收到網關發(fā)送過來的命令和數據，若接收到命令和數據，設置相應的參數和標志位;調用鍵盤掃描程序，檢查是否有按鍵按下，若有按鍵按下，識別按鍵并設置相應的參數和標志位;調用顯示模塊用于顯示設定溫度、當前室溫、定時時間、風速、功能和定時狀態(tài)等信息;調用功能查詢及處理模塊使系統(tǒng)按所設定的參數和標志位工作。只要系統(tǒng)上電，，主程序就不能停止，一直處于循環(huán)等待狀態(tài)，所以主程序沒有結束運行的指令。
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