基于Arduino 控制的汽车空调温湿度控制系统设计*

凤 兰

（内蒙古电子信息职业技术学院电子与自动化学院，呼和浩特 010070）

1 引 言

车内温度、湿度与车厢内乘客的舒适度直接相关。车厢内环境检测系统中温度和湿度是两个重要的显示和分析指标，实时检测车内温湿度，才可采取相应措施，为乘客提供舒适、安全的乘车环境[1-2]。近年来通过单片机控制温湿度系统的设计大量涌现[3-5]，比如智慧农业中的温湿度控制，家居温湿度控制等等。对于初学者，Arduino 开发板相对于单片机难度较低，并且有丰富的扩展模块和库函数，易于实现各种功能。如果需要实现较为复杂的任务或需要高速运算，单片机可能更加适合。对于车厢内的温湿度控制这类项目则Arduino 更加适合[6-8]。本系统的设计初衷，也是为此类系统的设计提供便利。

2 系统整体设计

本系统以Arduino 为主控制，用DHT11 数字温度传感器来进行温湿度信息采集，将采集到的温度与相对湿度通过LCD1602 液晶屏实时进行显示。当温度和湿度达到设定值时，主控电路将启动温湿度控制模块对执行设备进行控制。系统的总体框架如图1 所示。系统设计包括：DHT11 温湿度传感器，Arduino 开发板，LCD 显示屏，两个继电器模块，风扇和加湿器。

图1 系统总体框架图

3 系统硬件设计

系统由DHT11 温湿度检测模块、Arduino 控制模块、液晶显示模块、继电器模块和执行设备组成。详细设计如下：

(1) DHT11 温湿度检测模块

系统采用的信息采集模块是DHT11 温湿度传感器。与相同功能的其他温湿度传感器相比[9]，它具有更显明的优势。首先，它是一种包含检测温度和湿度功能的复合型集成传感器，采用单线制串行接口，使系统集成更易于实现和操作。其次，该传感器输出的数字信号是已经经过精确校准后的数据，更能精准地测量到车厢内的温度和相对湿度。DHT11的工作电压为3.3～5.5 V，采用4 针单排封装，测量温度时精度为±2℃，测量量程0～50℃，测湿精度在±5%RH，量程范围是20%～90%RH。该传感器可以通过一根数据线与主控制器进行通信，具有操作简便、品质优良、响应精准和抗干扰能力强等优点。

(2) 主控制模块

Arduino 是目前较为流行的电子互动平台，具有便捷灵活，功能多样，价格低廉等优点。相比于同性能控制芯片，它具有简便的编程环境IDE，无需配置复杂的驱动程序、寄存器与库函数，更容易实现相应的设计效果。

(3) 液晶显示模块

LCD1602 作为各类项目设计中常见的显示屏，可显示字母、数字和符号，能够同时显示16 字符、2行的字母或数字。LCD1602 最佳工作电压为5V，具有低功耗、高可靠性、易于控制等优点。它通常作为显示输出设备用于嵌入式系统中，易于跟Arduino开发板连接使用，符合本设计的需求。

(4) 继电器模块

继电器是一种自动控制保护装置。在系统电路设计中，用大量的继电器来控制电路的通断，即用流经继电器开关的小电流，通过常闭和常开触点的动作控制用电器的大电流。其中电磁式继电器的应用为最广泛。DC5V 继电器是一种常见的电磁式继电器，在本项目中主要控制加湿器与风扇的工作。

(5) 执行设备

汽车空调制冷系统的核心设备是压缩机，通过制冷剂的循环给车厢降温。车内加湿器可以避免空气过于干燥。在此项目中两个执行设备风扇和加湿器的工作电压均为5V。小风扇用来模拟汽车空调制冷系统中的核心设备压缩机；小加湿器用来模拟车厢内的加湿系统。传感器检测到的温度达到相应的临界值时，风扇开始工作。当车内湿度达到临界值时加湿器开始运行。

4 系统软件设计

通过调用温湿度传感器的库函数，实现DHT11的温湿度采集功能，并把检测到的数字信号传送到主控制模块，进行数据分析和计算。对Arduino 编写主函数，完成从传感器模块接收数据、把数据发送给显示模块显示的功能。把显示的温湿度按事先设定好的模式显示在液晶屏的指定位置，温度和湿度达到临界值时，控制单元对执行元件进行控制。由此对主代码进行设计，代码及分析如下：

起始部分为：

此段代码的功能为：首先引入liquidcrystal 和dht 的库函数，定义LCD 连接到Arduino 开发板的12、11、5、4、3、2 号引脚。温湿度传感器DHT11 的数据端与Arduino 的8 号引脚相连。加湿器和风扇分别与开发板的6 和7 号引脚相连。

后续代码为：

此段代码为：先初始化LCD1602（lcd.setCursor的功能是将光标移动到指定位置）。第一行显示字符串“--ShiDu---Test--”，把6 和7 号引脚均设为输出模式，加湿器和风扇的初始状态为停止。

后续代码为：

此段代码的功能为：在lcd 第二行显示温度和湿度，单位分别为℃和%，其中“DH:”代表相对湿度，“TP:”代表温度。比如：DH：38%---TP：43C。

后续代码为：

此段代码为：当相对湿度达到37%时加湿器停止工作，在此之前加湿器一直工作；当温度达到25℃时，风扇开启，在此之前风扇是关闭的状态。

5 实验测试

为了更好地开展实验验证，先做了模拟仿真测试，再用实物连接来实现整个软硬件设计。

5.1 Proteus 仿真测试

采用Proteus 8 Professional 仿真软件模拟汽车空调车厢内温湿度控制系统。首先将DHT11 温湿度传感器和Arduino 开发板连接。DHT11 传感器连接Arduino 版的供电端和地以及数据端8 号引脚，LCD显示屏连接Arduino 的12、11、5、4、3、2 号引脚。具体连接情况如表1。

通过仿真连接和代码上传，可看出传感器检测到的数据有两个部分：温度和湿度。DHT11 能实时显示环境温度与湿度，并同步显示在LCD 液晶显示屏上。当前显示的温度为43℃，相对湿度为38%。当手动调整DHT11 的上下键时显示屏上的温湿度会发生变化，达到了设计的效果。Proteus 仿真界面及结果如图2 所示。

图2 Proteus 仿真图

5.2 实验调试

首先将传感器模块、Arduino 开发板、LCD 显示模块按仿真中的连接顺序布线，再把Arduino 开发板的6 号和7 号引脚分别与湿度继电器和温度继电器相连。将编好的代码上传到Arduino 控制模块，控制加湿或吹风，同时采集到的温湿度的信息显示在LCD 显示屏上。

当相对湿度达到37%时，加湿器停止工作，在此之前加湿器一直工作；当温度达到25 ℃时，风扇开启，在此之前风扇是关闭的状态。车厢内的温度达到临界温度25℃时，压缩机（小风扇）开启，对环境进行制冷，提供舒适的温度。相对湿度低于37%时，加湿器启动，提高了车厢内湿度，避免太过干燥引起静电等情况的发生。经实验，所设计功能运转良好，实验结果与设计预期吻合。

6 结束语

基于Arduino 简单易操作的特点，以车厢内的温湿度控制为例介绍了整个软硬件设计过程。温湿度传感器采集到的温度、湿度信号传递给Arduino开发板，通过显示模块实时正确地显示环境温湿度，并在温湿度达到临界值时，由控制单元对执行元件进行控制，达到了预期的效果。本设计简便易行，具有一定实际应用价值。