空调的温度控制系统的设计.docx

空调的温度控制系统的设计.docx

《空调的温度控制系统的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《空调的温度控制系统的设计.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

空调的温度控制系统的设计

毕业设计（论文）

题目：

空调的温度控制系统的设计

专业名称

机电一体化技术

学生姓名

指导教师

毕业时间

2015年6月

摘要

空调的温度控制单元应用了单片机技术，用于实现温度自动控制，现场温度经温度传感器采样后，变换为模拟电压信号，经低通滤波滤掉干扰信号后送给放大器，信号放大后送到A/D转换器转换为数字信号送单片机，单片机将给定的温度与测量温度的相比较，得出偏差量，执行器由开关频率较高的固态继电器开关担任，采用模拟的PWM控制方法，改变同一个周期中电子开关的闭合时间，完成温度的控制。

实现以单片机为控制中心，以空调机为执行器件，通过单片机程序来完成对室内温度的自动控制。

关键词：

单片机，传感器，自动控制

Abstract:

Airconditioning'stemperaturecontrolunithasappliedthemonolithicintegratedcircuittechnology,usesinrealizesthetemperatureautomaticcontrol,thescenetemperatureafterthetemperaturesensorsampling,transformsfortheanaloguevoltagesignal,filtersouttheunwantedsignalafterthelow-passfilteringgivestheamplifier,afterthesignalenlarges,delivers

A/Dswitchtotransformforthedigitalsignaldeliversthemonolithicintegratedcircuit,thetemperaturewhichandthesurveytemperaturethemonolithicintegratedcircuitwillassigncompares,obtainstheextentoftheerror,theactuatorbytheturn-onfrequencyhighsolidstaterelayswitchholdsthepost,usesthesimulationthePWMcontrolmethod,thechangeidenticalcycleneutronswitch'sclosingtime,completesthetemperaturethecontrol.Realizestakethemonolithicintegratedcircuitasthecontrolcenter,ascarriesoutthecomponenttaketheairconditioner,completesthroughthemonolithicintegratedcircuitproceduretotheindoortemperatureautomaticcontrol.

Keywords:

Monolithicintegratedcircuit,sensor,automaticcontrol

引言

空调也就是空气调节器，是一种用于给空间区域提供处理空气的机组。

它作为现代生活中必备的生活电器，应用的越来越广泛。

它的功能是对房间或一定区域内空气的温度、湿度、洁净度和空气流速等参数进行调节，以满足人体舒适或工艺过程的要求。

它使得人们的生活环境更加舒适，也满足了工艺加工过程对精度的要求。

研究空调的温度控制系统，也即是研究空调机对温度的测量与控制调节问题。

已往温度控制的电路系统很多，有模拟电路构成的、数字电路构成的等，但其电路复杂且控制效果不佳，只能用于一些精度要求较低的场合。

在20世纪90年代中期最早推出的智能温度控制器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到2°C。

国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9~12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5~0.0625°C。

为了提高多通道智能温控器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。

进入21世纪以后，空调的温度控制要求也越来越高，单片机便出现在人们的视野中，它具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点。

自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，广泛应用在家用电器、办公自动化、医用设备、航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域。

基于单片机的空调器温度控制系统，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。

单片机使人们的生活更加方便、舒适、丰富多彩。

应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围更广，精度更高，要实现高精度的温度自动控制就必须采用计算机控制系统。

本设计是对温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能[2]：

当温度低于设定下限温度时，系统自动启动加热继电器加温，使温度上升，同时绿灯亮。

当温度上升到下限温度以上时，停止加温；当温度高于设定上限温度时，系统自动启动风扇降温，使温度下降，同时红灯亮。

当温度下降到上限温度以下时，停止降温。

温度在上下限温度之间时，执行机构不执行。

三个数码管即时显示温度，精确到小数点一位。

1总体方案设计和选择

1.1方案一

测温电路[7]的设计，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。

1.2方案二

考虑使用温度传感器，结合单片机电路设计，采用一只DS18B20温度传感器，直接读取被测温度值，之后进行转换，依次完成设计要求。

1.3总体方案设计和选择

比较以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计容易实现，故实际设计中拟采用方案二。

在本系统的电路设计方框图如图所示，它由三部分组成:

①控制部分主芯片采用单片机AT89S51；②显示部分采用3位LED数码管以动态扫描方式实现温度显示；③温度采集部分采用DS18B20温度传感器。

图2－1温度计电路总体设计方案

1.控制部分

单片机AT89S51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用，系统应用三节电池供电。

2.显示部分

显示电路采用3位共阳LED数码管，从P0口送数，P2口扫描。

3.温度采集部分

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温。

这一部分主要完成对温度信号的采集和转换工作，由DS18B20数字温度传感器及其与单片机的接口部分组成。

数字温度传感器DS18B20把采集到的温度通过数据引脚传到单片机的P1.0口，单片机接受温度并存储。

此部分只用到DS18B20和单片机，硬件很简单。

1.4单片机

ROM（只读存储器）只读存储器是在使用过程中，只能读出存储的信息而不能用通常的方法将信息写入的存储器。

一般情况下，我们用此存储器来存储程序，所以也称其为程序存储器。

1）掩膜ROM：

利用掩膜工艺制造，一旦做好，不能更改，因此只适合于存储成熟的固定数据，大批量生产时，成本低。

2）可编程ROM:

简称PROM，如AM27S191（2KB×8）。

由厂家生产出的“空白”存储器。

根据用户需要，利用特殊方法写入程序和数据，即对存储器进行编程，但只能写入一次，写入后信息是固定的，不能更改，他类似于掩膜ROM，适用于小批量生产使用。

3）可擦除PROM：

简称EPROMR如2764（8KB×8），这种存储器可由用户按规定的方法多次编程，若变成之后想修改，可用紫外线灯制作的擦抹器照射20min左右，存储器复原，用户可多次编程，这对于研制和开发特别有利，因此应用十分广泛。

4）电擦除PROM:

简称EEPROM如2864（8KB×8），这种存储器的特点是能以字节为单位擦除和改写，而且不需要把芯片拔出来，插入编程器编程，在用户系统中即可进行。

随着技术的进步，EEPROM的的擦写速度不断地加快，已经可作为不易失的RAM使用。

RAM（随机存储器）这种存储器是在使用过程中利用程序随时可以写入信息，又可以随时读出信息的存储器。

一般情况下，用此存储器存储数据或运算的中间结果，所以也称之为数据存储器，它分为双极性和MOS型两种，前者读/写速度高，但功耗大，集成度低，故在微型机中几乎都用后者。

MOS型存储器又可分为三类：

1）静态RAM:

即SRAM如6264（8KB×8单端口），其存储电路以双稳态触发器为基础，其优点是状态稳定，只要不掉电，信息就不会丢失，不需要刷新电路；缺点是集成低，集成RAM适用于不需要打存储容量的微型计算机系统中。

2）动态RAM：

即DRAM，如2164（64KB×1），其存储单元以电容为基础，电路简单，集成度高。

但存在电容中电荷由于漏电会逐渐丢失的问题，因此DRAM需定时刷新。

它适用于存储容量的计算机，常说的内存条就是由DRAM组成。

3）非易失RAM或掉电自保护RAM:

即NVRAM，如DS1220（2KB×8）。

这种RAM是由SRAM和EEPROM共同构成的存储器，正常运行时和SRAM一样，而在掉电或电源有故障瞬间，它把SRAM的信息保存在EEPROM中，从而使信息不会丢失。

NVRAM多用于存储非常重要的信息和掉电保护。

2DS18B20温度传感器

2.1DS18B20的工作原理

根据DS18B20的通讯协议[3]，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：

1.每一次读写之前都必须要对DS18B20进行复位；

2.复位成功后发送一条ROM指令；

3.最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待15～60微秒左右后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。

其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。

（1）初始化时序

总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，主机响应应答脉冲。

应答脉冲使主机知道，总线上有从机设备，且准备就绪。

主机输出低电平，保持低电平时间至少480us，以产生复位脉冲。

接着主机释放总线，4.7KΩ上拉电阻将总线拉高，延时15～60us，并进入接受模式，以产生低电平应答脉冲，若为低电平，再延时480us[6]。

（2）写时序

写时序包括写0时序和写1时序。

所有写时序至少需要60us，且在2次独立的写时序之间至少需要1us的恢复时间，都是以总线拉低开始。

写1时序，主机输出低电平，延时2us，然后释放总线，延时60us。

写0时序，主机输出低电平，延时60us，然后释放总线延时2us。

（3）读时序

总线器件仅在主机发出读时序是，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。

所有读时序至少需要60us，且在2次独立的读时序之间至少需要1us的恢复时间。

每个读时序都由主机发起，至少拉低总线1us。

主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的15us之内采样总线状态。

主机输出低电平延时2us，然后主机转入输入模式延时12us，然后读取总线当前电平，然后延时50us。

2.2DS18B20的测温原理

2.2.1DS18B20的测温原理

每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列号，在出厂前已写入片内ROM中。

主机在进入操作程序前必须用读ROM（33H）命令将该DSl8B20的序列号读出[4]。

程序可以先跳过ROM，启动所有DSl8B20进行温度变换，之后通过匹配ROM，再逐一地读回每个DSl8B20的温度数据。

计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。

减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。

系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。

操作协议为：

初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

图3-2测温原理内部装置

2.2.2DS18B20的测温流程

图3-2DS18B20测温流程

3单片机接口设计

3.1设计原则

DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。

另一种是寄生电源供电方式，如图3.1所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。

本设计采用电源供电方式，P1.1口接单线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管和89S51的P1.0来完成对总线的上拉。

当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10μs。

采用寄生电源供电方式是VDD和GND端均接地。

由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三状态的。

主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：

1.初始化。

2.ROM操作指令。

3.存储器操作指令。

3.2引脚连接

3.2.1晶振电路

单片机XIAL1和XIAL2分别接30PF的电容，中间再并个12MHZ的晶振，形成单片机的晶振电路[1]。

3.2.2串口引脚

P0口接9个2.2K的排阻然后接到显示电路上。

P1.1和P1.2引脚接继电器电路的4.7K电阻上，P1口其他引脚悬空。

P2口中P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分别接到显示电路的4.7K电阻上，P2.5接蜂鸣器电路，其他引脚悬空。

P3口中P3.5、P3.6、P3.7接到按键电路。

串口引脚形式见附录A。

3.2.3其它引脚

ALE引脚悬空，复位引脚接到复位电路、VCC接电源、VSS接地、EA接电源

4系统整体设计

4.1系统硬件电路设计

4.1.1主板电路设计

单片机的P1.0接DS18B20的2号引脚，P0口送数P2口扫描，P1.1、P1.2控制加热器和电风扇的继电器。

4.1.2各部分电路

（1）显示电路

显示电路采用了7段共阴数码管扫描电路，节约了单片机的输出端口，便于程序的编写。

图4-1

（2）单片机电路

图4-2

（3）DS18B20温度传感器电路

图4-3

（4）继电器电路

图中P1.1引脚控制加热器继电器。

给.P1.1低电平，三极管导通，电磁铁触头放下来开始工作.

图4-4

（5）晶振控制电路

图4-5

（6）复位电路

图4-6

4.2系统软件设计

4.2.1系统软件设计整体思路

一个应用系统要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。

同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。

甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单，如数字滤波，信号处理等。

因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采用与S51系列单片机相对应的51汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程[5]。

程序设计语言有三种：

机器语言、汇编语言和高级语言。

机器语言是机器唯一能“懂”的语言，用汇编语言最终都必须翻译成机器语言的程序，计算机才能“看懂”，然后逐一执行。

高级语言是面向问题和计算过程的语言，它可通过于各种不同的计算机，用户编程时不必仔细了解所用的计算机的具体性能与指令系统，而且语句的功能强，常常一个语句已相当于很多条计算机指令，于是用高级语言编制程序的速度比较快，也便于学习和交流，但是本系统却选用了汇编语言。

原因在于，本系统是编制程序工作量不大、规模较小的单片机微控制系统，使用汇编语言可以不用像高级语言那样占用较多的存储空间，适合于存储容量较小的系统。

同时，本系统对位处理要求很高，需要解决大量的逻辑控制问题。

MCS—51指令系统的指令长度较短，它在存储空间和执行时间方面具有较高的效率，编成的程序占用内存单元少，执行也非常的快捷，与本系统的应用要求很适合。

而且MCS—51指令系统有丰富的位操作指令，可以形成一个相当完整的位操作指令子集，这是MCS—51指令系统主要的优点之一。

对于要求反应灵敏与控制及时的工控、检测等实时控制系统以及要求体积小、系统小的许多“电脑化”产品，可以充分体现出汇编语言简明、整齐、执行时间短和易于使用的特点。

本装置的软件包括主程序、读出温度子程序、复位应答子程序、写入子程序、以及有关DS18B20的程序（初始化子程序、写程序和读程序）

4.2.2系统程序

系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，复位应答子程序，写入子程序等。

1）主程序

主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，

温度测量每1s进行一次。

这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图19所示。

通过调用读温度子程序把存入内存储中的整数部分与小数部分分开存放在不同的两个单元中，然后通过调用显示子程序显示出来。

2）读出温度子程序

读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。

DS18B20的各个命令对时序的要求特别严格，所以必须按照所要求的时序才能达到预期的目的，同时，要注意读进来的是高位在后低位在前，共有12位数，小数4位，整数7位，还有一位符号位。

3）复位、应答子程序

备注：

系统程序相关流程图见附录C

调试

主程序的功能是：

启动DS18B20测量温度，将测量值与给定值进行比较，若测得温度小于设定值，则进入加热阶段，置P1.1为低电平，这期间继续对温度进行监测，直到温度在设定范围内，置P1.1为高电平断开可控硅，关闭加热器，等待下一次的启动命令。

当测得温度大于设定值，则进入降温阶段，则置P1.2为低电平，这期间继续对温度进行监测，直到温度在设定范围内，置P1.2为高电平断开，关闭风扇，等待下一次的启动命令。

第一次接电调试，设置温度上限为90摄氏度，温度下限为20摄氏度。

加热后，温度有时超过90摄氏度却不报警，后经检查，发现是进位C没有清0，于是在如下写入程序中加入进位C清零，便排除了这个异常。

WR1:

CLRP1.0

MOVR3,#6

DJNZR3,$3

RRCA

MOVP1.0,C

MOVR3,#23

DJNZR3,$

SETBP1.0

NOP

DJNZR2,WR1

RET;读DS18B2

再经实际接电调试，一切运行正常。

加热到90摄氏度时，红灯亮起，自动断电，而低于20摄氏度时，绿灯亮起，开始加热。

总结

本设计使用的温度控制器结构简单、测温准确，具有一定的实际应用价值。

该智能温度控制器只是DS18B20在温度控制领域的一个简单实例，还有许多需要完善的地方，例如可以将测得的温度通过单片机与通讯模块相连接，以手机短消息的方式发送给用户，使用户能够随时对温度进行监控。

此外，还能广泛地应用于其他一些工业生产领域，如建筑，仓储等行业。

本温度控制系统可以应用于多种场合，例如育婴房的温度、水温的控制。

用户可灵活选择本设计的用途，有很强的实用价值。

致谢

大学三年的学习和生活就要随着这篇论文的答辩而结束了。

有许许多多的舍不得，也有许许多多的感谢要说。

首先要衷心感谢的是我的指导教师XXX老师！

在我学习期间不仅传授了做学问的秘诀，还传授了做人的准则。

这些都将使我终生受益。

无论是在理论学习阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节，无不得到导师的悉心指导和帮助。

我愿借此机会向导师表示衷心的感谢！

其次要感谢所有教育过我的老师！

你们传授给我的专业知识是我不断成长的源泉，也是完成本论文的基础。

我还要向关心和支持我学习的朋友们表示真挚的谢意！

感谢他们对我的关心、关注和支持！

大学的生活让我有了坚强的性格，冷静的头脑和永远乐观的态度。

最重要的是让我有了责任感，对自己、对家人和对社会。

我愿在未来的学习过程中，以更加丰厚的成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有领导、老师、同学和朋友。

永远以一颗为人民服务的心来回报社会。

参考文献

[1]李朝青,单片机原理及接口技术（简明修订版）［M］北京:

北京航空航天大学出版社，1998：

7

[2]李广弟.单片机基础[M].北京:

北京航空航天大学出版社，1994：

3

[3]金伟正.单线数字温度传感器的原理与应用[J].电子技术与应用，2000：

5-6

[4]李钢.1-Wire总线数字温度传感器DS18B20原理及应用.现代电子技术[J],2005：

5

[5]StevenF.Barrett,DanielJ.Pack.EmbeddedSystem[M].北京：

电子工业出版社，2006：

10-11

[6]陈跃东.DS18B20集成温度传感器原理与应用[J].安徽机电学院学报,2002：

8-9

[7]阎石.数字电子技术基础（第三版）[M].北京：

高等教育出版社，1989：

4

附录

附录A主板电路图

附录B程序代码

ORG0000H

TEMPER_LEQU29H

TEMPER_HEQU28H

FLAG1EQU38H;是否检测到DS18B20标志位

A_BITEQU20H;数码管个位数存放内存位置

B_BITEQU21H;数码管十位数存放内存位置

XSEQU30H

MOVA,#00H

MOVP2,A

MAIN:

LCALLGET_TEMPER;调用读温度子程序

MOVA,29H

MOVB,A

CLRC

RLCA

CLRC

RLCA

CLRC

RLCA

CLRC

RLCA

SWAPA

MOV31H,A

MOVA,B

MOVC,40H;将28H中的最低位移入C

RRCA

MOVC,41H

RRCA

MOVC,42H

RRCA

MOVC,43H

RRCA

MOV29H,A

LCALLDISPLAY;调用数码管显示子程序

AJMPMAIN;这是DS18B20复位初始化子程序

INIT_