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智能空调控制系统设计
毕业设计
专业：
班级学号：
学生姓名：
指导教师：
二○一三年六月
智能空调控制系统设计
Intelligentairconditioningcontrolsystemdesign
专业班级：
学生姓名：
指导教师：
系别：
2013年6月
摘要
智能空调控制系统是根据温度传感器采集室内的环境温度与系统的预设值进行对比，通过控制系统的预先设置，空调进行自动制冷或制热，从而达到了智能控制的目的。
根据人们对生活环境的要求和单片机的应用特性，本文介绍了应用ATmega16单片机进行控制的智能空调控制系统。
智能空调控制系统主要由电源电路、液晶显示电路、单片机控制电路、按键电路、控制指示电路等组成。
其工作原理是温度传感器DS18B20采集室内温度传送给单片机，单片机分析数据，控制智能空调加热或制冷。
此系统可以通过按键设置空调的温度，使空调对室内进行加温或降温，也可以对系统预设一个温度值，通过传感器感知室内温度与智能空调的预设温度值进行对比，通过单片机控制空调对室内进行加温或降温，达到智能空调的自动控制功能。
在定时功能启动的情况下，如果计时时间与定时时间相同，此时空调相应的状态会自动关闭，把定时时间存在ATmega16单片机内部的EEPROM中，断电后不会消失，直至通过按键去改变，达到了智能空调的定时功能。
关键词：
智能空调；液晶显示；ATmega16单片机
ABSTRACT
Intelligentairconditioningcontrolsystemistocollecttheindoorenvironmenttemperatureaccordingtothetemperaturesensorandcomparewiththesystemdefaultvalues,throughthepresetofthecontrolsystem,theairconditioningcanworktomakecoolingorheatingautomatically,soastoachievethepurposeoftheintelligentcontrol.Accordingtotherequirementsofpeople'slivingenvironmentandtheMCUapplicationfeatures,thispaperintroducesasystemthatusesMCUATmega16tocontroltheairconditioning.
Intelligentairconditioningcontrolsystemismainlycomposedofpowersupplycircuit,liquidcrystaldisplaycircuit,MCUcontrolcircuit,keycircuitandcontrolinstructions.AndtheworkingprincipleistocollectthetemperatureindoorthroughthetemperaturesensorDS18B20,thenthedataistransmittedtoMCU,aftertheanalysis,thesystemcancontrolintelligentairconditioningheatingorrefrigeration.
Thissystemcanbesetbybuttonsthetemperatureoftheairconditioning,airconditioningforindoorheatingorcooling,canalsobesetadefaultvalue,sensingthetemperaturethroughthesensorsindoorandcomparewiththeintelligentairconditioning,heatingorcoolingthroughtheMCUcontroltomeetthefunctionofintelligentcontrol.Whenthetimingfunctionstarts,iftheclocktimeisequaltothetimingtime,thestateofairconditioningwillautomaticallybeshutoff,thetimethathasbeensetisstoredinEEPROM,whichmeansthatthedatawillnotdisappearwhenthepowerrunsout,andthedatawillnotbechangeduntilthebuttonisoperatedtochange,whichachievesthefunctionofintelligenttiming.
KeyWords：
Intelligentairconditioning;liquidcrystaldisplay;ATmega16singlechipmicrocomputer
1引言
电子技术的发展，特别是随着大规模的集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现，使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么单片机技术的出现，则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。
目前，单片机在工业控制系统的诸多领域得到了极为广泛的应用，推动了工业生产，影响着人们的工作和学习。
在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面。
随着人们生活质量的提高，酒店、厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会。
现今，空调等家用电器随着生产技术的发展和生活水平的提高越来越普及，一个简单、稳定的智能空调温度控制系统能更好的适用市场。
中国家庭的室内环境就是冬天的温度太冷，夏天的温度过热，这些给人们的正常生活带来诸多的不便，所以人们对一个舒适的家居环境是非常向往的。
以前室内的温度控制主要是利用机械通风设备来进行室内与室外空气的交换来达到控制室内温度。
对于通风设备的开启和关停，全部都是由人来进行手动控制的，由人们定时的查看室内、室外的温度情况，按照要求来开关通风设备。
人们劳动的强度大，可靠性能较差，而且极易消耗人们的体力，造成成本过高。
所以，需要有一种符合温控要求的、低成本的控制系统，在温度超过用户设定值时，启动控制系统，使室内温度控制在我们的设定值范围之内。
1.1空调系统概述
1.1.1空调的发展
在二十世纪六、七十年代，美国地区发生罕见的干旱天气，为解决干旱缺水地区的空调冷热源问题，美国率先研制出风冷式冷风机，用空气散热代替冷却塔，其在空调历史中，美国已经发展和改进了有风管的中央单元式系统，并得到了正在现场安装和修理有风管的单元式空调系统的空调设备分销商和经销商的强力支持。
在90年代设备设计和制造技术被转让到中国，这是通过与当地公司组成的合资公司进行的。
在90年代中国也从其它先进国家吸收了较大型空调设备的先进高新技术，并与多数是美国的大公司组成合资企业。
1988年，第一台国产分体壁挂机在华宝空调器厂诞生—雪莲。
雪莲的诞生开启了我国家用空调器行业的一个新时代，此后，春兰也拥有了自己的挂机生产线。
1988年华宝空调器厂研制出第一台分体壁挂机KF—19GA是第一代格栅式面板产品的一个典型代表。
20世纪90年代中期，以三菱电机、日立、松下等为代表的进口空调器出现了一种小型室内机，这种室内机一改以往那种庞大敦重的形象，外观精巧整洁，与家居环境融为一体，深受消费者的青睐。
随着国内众多空调工厂对此类产品的普及生产，第二代格栅式面板空调器主导了空调市场并流行至今。
这是第二代格栅式面板空调。
国内空调器厂家最早推出光面板系列产品的品牌是TCL。
该系列挂机首次将光面板和大循环的风路，以此作为卖点来推广。
与格栅面板相比，光面板产品更加注重外观的时尚感和现代感。
从格栅面板向光面板的跨越，不仅是外观上的一种进步，更是产品技术上的一种转变。
在国内空调市场，将彩色引入空调面板设计并形成一种传统风格是韩国品牌三星和LG的创举，至此彩色棉板空调异军突起。
家用空调产品在技术的发展一直倍受争议，变频、节能、环保三大技术发展趋势在目前的行业环境下缺乏支持其大规模突围的市场基础，智能空调已经成为时下最受欢迎的空调。
1.1.2空调的分类
空调的分类方式有：
1、按空气处理设备的集中程度分：
（1）集中空调系统，所有空气处理设备，都集中在空调机房内，便于管理和维修，但机房占地面积大。
（2）半集中空调系统。
（3）局部式空调系统，通常使用的各种空调器就属于此类。
2、按负担冷热负荷的介质来分：
（1）全空气系统，空调房间的冷热交替，全部由经过处理的空气来承担。
（2）全水系统，空调房间的冷热交替，全部靠水作为冷热介质来承担。
一般不单独采用。
（3）空气-水系统，空调房间的冷热交替，既靠空气，又靠水来承担。
（4）制冷剂式系统，空调房间的冷热交替，直接由制冷系统的制冷剂来承担，局部式空调系统就属此类。
3、按空气冷却盘管中不同的冷却介质来分：
（1）直接蒸发式系统
（2）间接冷却式系统
4、按主送风道中空气的流速来分：
（1）高速系统
（2）低速系统
5、按采用新风量的多少分：
（1）直流式系统
（2）闭式系统
（3）混合式系统
2智能空调控制系统的方案设计
本系统以单片机ATmega16为核心，采用电源模块、温度采集、键盘输入、液晶显示、驱动电路等，实现了基于空调温度控制系统。
把定时时间存入单片机EEPROM中，不易丢失。
人机交互采用按键输入、液晶显示，界面友好，易于操作。
2.1智能空调控制系统
DS18B20温度传感器采集室内温度数据，并将信息反馈给CPU，单片机分析并与设定的温度值进行比较，通过驱动电路使智能空调调节不同的工作状态，单片机的工作状态有加热、制冷工作状态。
不同的按键S的功能设置为：
S2为“加”，S3为“减”，S4启动定时或关闭定时，S5为复用按键，S6为启动或关闭智能空调加热工作状态，S7为启动或关闭智能空调制冷状态，S8为启动或关闭智能空调自动工作状态。
调节复用按键可以调整预设温度值、定时时间、不同工作状态的切换及走时世界的设置。
液晶屏显示当前的走时时间、预设温度值、定时时间、当前室内温度、定时是否开启。
系统的结构框图如图2-1所示：
图2-1智能空调控制系统结构框图
2.2系统工作原理
2.2.1系统功能模块工作原理介绍
电源管理模块将外部锂电池输入的DC-12V电源进行稳压及电压变换，以便提供给各个系统工作模块，如DS18B20温度传感器、单片机主控制单元、液晶显示单元、驱动电路单元等。
单片机（ATmega16）主控制单元负责整个智能空调控制系统的运行控制，通过人际交互单元（按键及液晶显示）的系统功能设置，用1602液晶显示器将室内温度显示出来，并且可以通过按键进行调整，实现空调加热或制冷的工作状态设置，即达到智能空调的手动控制功能。
通过DS18B20温度传感器实时检测室温并通过1602液晶显示器显示室温，并将室温与预设值进行对比，实现空调自动制冷或加热，实现了智能空调的自动控制功能。
在定时功能启动的情况下，如果计时时间与定时时间相同，此时，空调相应的工作状态会自动关闭。
把定时时间存在ATmega16单片机内部的EEPROM中，断电后不会消失，直至通过按键去改变，实现了智能空调的定时加热或制冷功能。
2.2.2各功能要求实现的工作原理
1、基本功能1
刚开始上电时，1602液晶显示器上产生实时时间。
此系统运用单片机的定时器功能产生走时，采用的是二十四小时制，在一直通电的情况下，会一直加到23:
59:
59，然后清零从00:
00:
00重新开始。
若开启定时功能，液晶右下角显示定时时间，在显示器的右上角显示ON,未开启定时功能则显示OFF。
液晶显示屏的显示画面，如表2-1所示：
表2-1未开启定时或开启定时功能，液晶显示屏显示结果
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单片机得电后，其内部定时器会立即开启，在软件程序中设定其相应的内部定时器的寄存器从而相应的走时会比较准确的记录下来。
2、基本功能2
DS18B20检测的室内温度信号返回给单片机，单片机会相应的处理此温度信号，同时送往液晶显示器显示。
提前设定的温度值存在单片机ROM中，单片机处理后，也会在液晶上显示。
如表2-2所示，用**表示实时室内温度。
表2-2液晶显示屏显示实时室内温度（**为温度值）
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智能温控就是感温头精确感应，把室内温度的变化传递给中央控制芯片，由芯片控制系统使室内温度达到显示屏上的设定温度，使用者只需要自身的要求而去设定不同的温度即可，以此达到最大的智能化控制。
3、基本功能3
人机交互采用键盘输入。
通过键盘输入指令，控制相应的不同状态的切换、时间定时长短的设定。
调整时间设定（*表示光标闪烁）如表2-3所示。
表2-3液晶显示的调整时间设定（*为走时时间，@为定时时间）
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通过按键把定时的时间写入单片机的EEPROM中，永久性保存。
3系统功能模块的设计与实现
3.1主控制模块
3.1.1主控制单元模块设计
系统主控制单元，采用AVR系列的ATmega16单片机为主控制芯片，主要包括ATmega16单片机、复位电路、时钟电路、下载电路、电源指示电路。
3.1.2主控制单元工作原理
系统主控制单元如图3-1所示：
图3-1系统主控制单元功能电路
ATmega16单片机具有128KB的程序存储区、1KB内部SRAM，完全满足系统设计需要，按键S1为复位按键，采用低电平复位，电容C3与电阻R1组成上电复位电路，为了提高串行通信波特率的准确度，时钟电路采用8MHZ的晶振和电容C1、电容C2组成振荡电路，为了便于观察，系统电源采用了电源指示电路，电阻R2与DS1串联接到了5V电源两端，其中R2是一个限流电阻。
3.2电源模块设计
3.2.1电源模块概述
LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流限制及热切断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。
3.2.2电源模块的应用
电源模块电路如图3-2所示。
电源电路主要为系统提供工作电源，总电源有DC-12V锂电池输入，DC-5V-3A三路输出，由于电池电压不是特别稳定，为保证系统运行可靠，所以采用了DC/DC电源转换模块，5V电源用于为主控制单元电路、DS18B20温度传感器、液晶显示器等提供工作电源。
其中5V由DC/DC芯片LM2576提供。
图3-2电源模块功能电路
3.2.3基本应用设计
由LM2576构成的基本稳压电路仅需四个外围器件，其电路如图3-2所示。
电感L1的选择要根据LM2576的输出电压、最大输入电压、最大负载电流等参数选择。
首先，依据公式（3-1）计算出电压微秒常数（ET）：
ET=（Vin-Vout）Vout/Vin1000/f公式（3-1）
上式中，Vin是LM2576的最大输入电压、Vout是LM2576的输出电压、f是LM2576的工作振荡频率值（52kHz）。
ET确定之后，就可参照参考官方手册所提供的相应的电压微秒常数和负载电流曲线来查找所需的电感值了。
该电路中的输入电容C9和C11一般应大于或等于100μF，安装时要求尽量靠近LM2576的输入引脚，其耐压值应与最大输入电压值相匹配。
而输出电容C9和C11的值应依据公式（3-2）进行计算（单位μF）：
C≥13300Vin/VoutL公式（3-2）
上式中，Vin是LM2576的最大输入电压、Vout是LM2576的输出电压、L是经计算并查表选出的电感L1的值，其单位是μH。
电容C铁耐压值应大于额定输出电压的1.5～2倍。
对于5V电压输出而言，推荐使用耐压值为25V的电容器。
二极管D2和D3的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍，考虑到负载短路的情况，二极管的额定电流值应大于LM2576的最大电流限制。
二极管的反向电压应大于最大输入电压的1.25倍。
3.3温度检测模块设计
3.3.1温度传感器的选取
温度是一种最基本的环境参数，人民的生活舒适度与环境的温度息息相关，DS18B20装置适用于人民的日常生活和工业和农业生产用的温度测量。
由半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。
DS18B20具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。
采用数字温度传感器DS18B20，与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。
可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。
因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单,可靠性更高，成本更低。
测量温度范围为-55℃～+125℃。
在-10℃～+85℃，精度为±0.5℃。
DS18B20的精度较差为±2℃。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
3.3.2DS18B20概述
1．DS18B20的性能特点：
（1）采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）。
（2）测温范围是-55℃~+125℃。
（3）内含64位经过激光修正的只读存储器ROM。
（4）适配各种单片机或系统机。
（5）用户可分别设定各路温度的上、下限。
（6）内含寄生电源。
2．DS18B20内部结构
DS18B20内部结构主要由4部分组成：
64位光刻ROM，温度传感器，非挥发的温度报警触发器TH和TL，配制寄存器。
DS18B20的管脚排列如图3-3所示。
图3-3DS18B20引脚图
3．DS18B20引脚功能如下：
NC（1、2、6、7、8脚）：
空引脚,悬空不使用。
VDD（3脚）：
可选电源脚，电源电压范围是3～5.5V。
DQ（4脚）：
数据输入/输出脚,漏极开路,常态下高电平。
3.3.3温度检测单元电路
温度检测单元采用DS18B20实现温度的检测。
功能电路如图3-4所示，温度传感器DS18B20将采集回来的数据经PC7口给Atmega16单片机，Atmega16单片机把这些数据进行分析，送至1602液晶显示器上显示温度。
图3-4DS18B20温度检测功能电路
具体操作如下：
1．DS18B20初始化。
（1）数据线拉到低电平“0”。
（2）延时480微妙（该时间的时间范围可以从480到960微妙）。
（3）数据线拉到高电平“1”。
（4）延时等待80微妙。
如果初始化成功则在15到60微妙时间内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。
根据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时判断。
（5）若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（3）步的时间算起）最少要480微妙。
2．控制器写时序。
（1）数据线先置“0”
（2）延时15微妙。
（3）按从低位到高位的顺序发送数据（一次只发生一位）。
（4）延时60微妙。
（5）将数据线拉到高电平。
（6）重复1～5步骤，直到发送完整的字节。
（7）最后将数据线拉高。
3．控制器读时序。
（1）将数据线拉低“0”。
（2）延时6微妙。
（3）将数据线拉高“1”，释放总线准备读数据。
（4）延时4微妙。
（5）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。
（6）延时30微妙。
（7）重复1～7步骤，直到读完一个字节。
3.4显示模块设计
3.4.11602液晶显示器概述
1．液晶显示器简介
液晶显示器的主要工作原理是通过电流刺激液晶分子，从而产生点、线、面、并配合背部灯管构成不同的显示画面。
各种不同型号的液晶显示器都是按照显示字符的行数或者是液晶显示器点阵的行、列数进行命名的。
例如：
1602液晶显示器所表述的意思就是，每行显示16个字符，一共能够有两行进行显示字符。
本设计就是应用1602液晶显示器进行显示温度以及定时时间。
液晶显示器的英文名称是LiquidCrystalDisplay，所以液晶显示器又可以叫做LCD，以下的1602液晶显示器都称为LCD1602。
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式液晶显示器，LCD1602以并行操作方式占大多数，但是有的也并行操作方式和串行操作方式同时具有，用户自行选择并口或串口操作。
一般LCD1602字符型液晶显示器实物如图3-5所示：
图3-5LCD1602字符型液晶显示器实物图
2．LCD1602的基本参数及引脚功能:
LCD1602分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的要厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别，如图3-6所示：
图3-6LCD1602尺寸图
3．LCD1602主要技术参数：
（1）显示容量:
162个字符
（2）芯片工作电压:
4.5—5.5V
（3）工作电流:
2.0mA（5.0V）
（4）模块最佳工作电压:
5.0V
（5）字符尺寸:
2.954.35（WH）mm
4.引脚功能说明:
LCD1602采用标准的14脚（无背光）或
升级会员 