毕业论文空调机温度控制系统的设计.docx

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毕业论文空调机温度控制系统的设计

学位论文

空调机温度控制系统的设计

论文作者姓名：

申请学位专业：

电子信息工程

申请学位类别：

工学学士

指导教师姓名（职称）：

论文提交日期：

空调机温度控制系统的设计

摘要

随着社会的进步，人们对电子产品的要求越来越高。

电子技术的进步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诸多领域得到了极为广泛的应用。

特别是其中的C51、S52系列单片机的出现，具有更好的稳定性，更快和更准确的运算精度，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，随着人们生活水平的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将会更好的服务于社会。

而今，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，一个简单稳定的温度控制系统能更好的适应市场。

而本次设计就是以S52系列单片机为核心，实现了根据室温变化，智能控制空气压缩机，以达到调节室温的目的。

整个系统硬件部分包括AD590温度采集电路，A/D转换电路，按键电路，LED数码显示电路。

在配合软件实现空调温度智能控制的基本功能。

关键词：

AT89S52单片机；ADC0804；AD590温度传感器；LED数码显示

DesignofanAirConditioningTemperatureControlSystem

Abstract

Alongwithsocialprogress,peoplehavebecomeincreasinglydemandingelectronicproducts.Advancesinelectronictechnologyhasbroughttopeople'slivesradicallychanged.Iftheemergenceofmicro-computermodernscientificresearchhasbeenaqualitativeleap,thentheemergenceofSCMtechnologyisbroughttothefieldofmoderncontrolmonitoringanewrevolution.Atpresent,theMCUinmanyfieldsofindustrialcontrolsystemshavebeenverywidelyused.InparticulartheC51,S52MCUappearance,withbetterstability,fasterandmoreaccuratecomputationaccuracy,andpromotetheindustrialproduction,affectingpeople'sworkandstudy.

Inmodernsociety,thetemperaturecontrolisnotonlyusedinfactoryproduction,itsroleisalsoreflectedtoeachside,withtheimprovementoflivingstandards,thehotelplantandfamilylifewillseetheshadowoftemperaturecontrol,temperaturecontrolwillbebetterservicetothecommunity.Today,airconditionersandotherapplianceswiththeproductiontechnologydevelopmentandimprovementoflivingstandardsisbecomingincreasinglypopular,asimpleandstabletemperaturecontrolsystemcanbetteradapttothemarket.

ThistimethedesignistoS52MCUcore,implementedchangesbasedonroomtemperature,intelligentcontrolaircompressors,inordertoachievethepurposeofregulatingroomtemperature.TheentiresystemincludingtheAD590temperatureacquisitionhardwarecircuit,A/Dconvertercircuit,thekeycircuit,LEDdigitaldisplaycircuit.Airtemperatureinlinewiththeintelligentcontrolsoftware'sbasicfunctions.朗读

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字典

Keywords:

AT89S52microcontroller;ADC0804;AD590Temperaturesensor;LEDdigitaldisplay

1引言

1.1课题背景

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异地更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，根据具体硬件结构以及具体应用对象的特点，与软件相结合，加以完善，单片机之所以在工业控制有大量的应用，就在于它有独特的定时、计数功能。

这种方案能实现对温控器的状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高[1]，可满足对系统的各项要求。

1.2国内外研究现状

这些年来，因为温度控制器环节已经被纳入为分布式控制系统，个人电脑和可编程逻辑控制器，全球工业电子温度控制器市场增长缓慢。

隋卓我国电子温度控制器市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点，尤其是温度控制器被广泛用于工农业生产[2]，科学研究和生活领域，数量日渐上升。

了解鬼内外电子温度控制器生产核心技术研发动向，工艺设备，技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。

就目前情况而定，只能电子式温度控制器必将在短时间内全面取代机械式温度控制器。

此外，温度控制器还将在精度、功能、可靠性及安全性等方面迅速发展，以后全面智能化的温度控制器使用将更加方便，功能将更加强大，且更可靠，更安全。

目前各界研究的温度控制器目的大致相同，但方法技术各具一格，各有千秋。

故有综各界之成果设计新型温度控制器的想发。

目前面临的问题就是如何才能做到取长补短，从而来设计出新型的温度控制器。

1.3本课题研究的意义

温度控制器是基于单片机开发的温度控制装置，其主要功能是，根据用户设定温度与实际温度的差值来控制压缩机执行机构，从而改变温度至用户所需。

中央空调目前在国内已普遍使用，传统中央空调的控制方式有一定的滞后，造成室内温度波动性较大，影响空调的温度控制精度[3]和空调环境的舒适性；同时传统空调对温度的调节是一种断续变化过程，不能根据环境温度变化及时调整空调器工作状态，因此不能实现完全自动控制、耗电量大。

在今天人们追求舒适环境同时能源紧张的情况下研究新型中央空调的控制方法，解决存在的问题，具有重要的理论意义和实用价值。

1.4课题内容

本设计温度信号通过AD590温度传感器采集，通过ADC0804将采集的模拟信号转换为数字信号传送给单片机[4]。

利用单片机实现对温度物理量控制的目的。

根据比较当前室温和设定温度，由单片机发出信号控制风扇转动达或停止。

并且要求数码管能显示当前温度达四位，且有设定温度模式。

可以对设定温度进行加减。

2系统硬件设计

2.1系统总体方案图以及实现的功能

用单片机做主控芯片[5]，编程实现风扇的转动与停止。

AD590每隔100ms采集一次此时室内温度，再将AD590输出的模拟信号通过LM324进行调整放大，转换成电压后将此电压传送至ADC0804构成的模数转换电路，将该模拟信号转换成数字信号，再传送给单片机进行比较，若实时温度比设定温度高，则单片机发出信号使风扇转动进行降温。

本设计中风扇部分由LED发光二极管代替。

但系统上电是，数码管显示OFF，表示此时温控系统处于待机状态，按下开关键后，系统开始工作并在LED数码管上显示出此时室内温度。

按下温度加键或是温度减键，则显示系统默认的设定温度25CC，表示此时可以对设定温度进行加或减。

若五秒内没有操作，系统则返回初始界面，显示此时室内温度。

总体设计方案如图2-1所示。

STC89c52

图2-1总体方案图

2.2单片机简介以及外围电路

2.2.1单片机简介

本次设计采用STC89C52单片机，STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机[6]。

该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

STC89C52具体介绍如下：

①主电源引脚（2根）

VCC（Pin40）：

电源输入，接＋5V电源

GND（Pin20）：

接地线

②外接晶振引脚（2根）

XTAL1（Pin19）：

片内振荡电路的输入端

XTAL2（Pin20）：

片内振荡电路的输出端

③控制引脚（4根）

RST/VPP（Pin9）：

复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG（Pin30）：

地址锁存允许信号

PSEN（Pin29）：

外部存储器读选通信号

EA/VPP（Pin31）：

程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

④可编程输入/输出引脚（32根）

STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。

PO口（Pin39～Pin32）：

8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7

P1口（Pin1～Pin8）：

8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7

P2口（Pin21～Pin28）：

8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7

P3口（Pin10～Pin17）：

8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7

STC89C52主要功能如表2-1所示。

表2-1STC89C52主要功能

主要功能特性

兼容MCS51指令系统

8K可反复擦写FlashROM

32个双向I/O口

256x8bit内部RAM

3个16位可编程定时/计数器中断

时钟频率0-24MHz

2个串行中断

可编程UART串行通道

2个外部中断源

共6个中断源

2个读写中断口线

3级加密位

低功耗空闲和掉电模式

软件设置睡眠和唤醒功能

2.2.2外围电路

（1）时钟电路

STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。

时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。

内部方式的时钟电路如图2-2（a）所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡[7]。

定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。

晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。

外部方式的时钟电路如图2-2（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。

对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。

片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。

（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路

图2-2时钟电路

（2）复位操作

复位是单片机的初始化操作。

其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。

除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表2-2所示。

表2-2一些寄存器的复位状态

寄存器

复位状态

寄存器

复位状态

PC

0000H

TCON

00H

ACC

00H

TL0

00H

PSW

00H

TH0

00H

SP

07H

TL1

00H

DPTR

0000H

TH1

00H

P0-P3

FFH

SCON

00H

IP

XX000000B

SBUF

不定

IE

0X000000B

PCON

0XXX0000B

TMOD

00H

（3）复位信号及其产生

RST引脚是复位信号的输入端。

复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。

若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。

产生复位信号的电路逻辑如图2-3所示：

图2-3复位信号的电路逻辑图

整个复位电路包括芯片内、外两部分。

外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。

复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式[8]。

上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图2-4（a）所示。

这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。

按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。

其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图2-4（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，

其电路如图2-4（c）所示：

（a）上电复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位

图2-4复位电路

上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。

本系统的复位电路采用图2-4（a）上电复位方式。

本设计中单片机外围电路如图2-5所示。

图2-5单片机外围电路

2.3AD590温度采集电路

2.3.1AD590温度传感器简介

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。

AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。

在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，AD590温度感测器是一种已经IC化的温度感测器,它会将温度转换为电流,由于此信号为模拟信号，因此，要进行进一步的控制及数码显示，还需将此信号转换成数字信号。

无需附加的线性化电路来校准热敏电阻的非线性。

当要求电压（或电流）与温度之间呈线性关系时，它是迄今为止的最佳选择。

虽然新的数字输出温度传感器已经在许多应用中取代了模拟输出温度传感器，但是模拟输出温度传感器在那些无需数字化输出的应用场合仍然能够找到其用武之地。

AD590电流输出温度传感器在许多应用领域一直是很有活力的产品。

因为其高阻抗电流输出使它对长线传输的电压降落不敏感，这种器件经常用于远程温度检测。

因为它能够检测-55℃～150℃的温度，并且具有+4V～30V宽电压工作范围，它能用于多种多样的温度检测。

具体设汁时，可依据其特性参数选用。

它的主要特性如下：

（1）流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数；即：

（2-1）

Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T—热力学温度，单位为K。

（2）AD590的测温范围为-55℃～+150℃；

（3）电源电压范围4~30V，当电源电压在5~10V之间，电压稳定度为l％时，所产生的误差只有±0.01℃；

（4）线性电流输出l

A／K；

（5）线性度好，满刻度范围为±0.3℃；

（6）电阻采用激光修刻工艺，使在+25℃（298.2K）时，器件输出298.2

A：

（7）功率损耗低。

AD590温度与电流关系如表2-3所示。

表2-3AD590温度与电流关系

AD590实物外观图如图2-6所示。

图2-6AD590实物外观图

在本设计中AD590外围电路如图2-7所示。

图2-7AD590外围电路

2.3.2LM324运放简介

LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。

该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

每一组运算放大器它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

LM324的引脚[9]排列见图2-8。

图2-8LM324引脚排列图

本设计由LM324运放组成的电路有两种，一是电压跟随器，二是减法电路。

为了将电压量测出来又要使输出电流I不分流出来,我们使用电压追随器其输出电压V2等于输入电压V。

使用电压跟随器就可以进一步减小误差。

电压跟随器电路如图2-9所示。

V

图2-9电压跟随器

输出电压与同相输入端信号电压极性相同，与反相端输入信号电压极性相反，因而如果多个信号同时用于两个输入端时，那么必然可以实现加减运算。

若电路只有两个输入，且参数对称。

则Uo=Rf/R（U2-U1）

，实现了对输入差模信号的比例运算。

减法放大电路如图2-10所示。

图2-10减法放大电路

2.3.3温度采样工作原理

因为AD590是将温度转换为电流，而单片机对电压信号更好测量，所以要将电流转化为电压，同时对电压信号进行放大后输入A/D转换ADC0804的VIN（+）端口。

其输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准,每增加1℃,它会增加1μA输出电流,因此在室温25℃时，输出电路为Io=（273+25）=298μA。

因此量测的电压V为（273+T）μA×10K=（2.73+T/100）V。

为了将电压量测出来又要使输出电流I不分流出来,我们使用电压追随器其输出电压V2等于输入电压V。

再利用可变电阻分压,其输出电压V1需调整至2.73V。

接下来我们使用差动放大器其输出Vo为（100K/10K）×（V2-V1）=T/10V。

如果现在为25℃,输出电压为2.5V。

温度采样原理图如图2-11所示。

图2-11温度采集原理图

2.4ADC0804模数转换电路

2.4.1ADC0804模数转换原理简介

ADC0804的管脚图[9]如图2-12所示。

图2-12ADC0804管脚图

它的主要电气特性如下：

工作电压：

＋5V，即VCC＝＋5V。

模拟输入电压范围：

0～＋5V，即0≤Vin≤＋5V。

分辨率：

8位，即分辨率为1/28=1/256，转换值介于0～255之间。

转换时间：

100us（fCK＝640KHz时）。

转换误差：

±1LSB。

参考电压：

2.5V，即Vref＝2.5V。

ADC0804是属于连续渐进式（SuccessiveApproximationMethod）的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。

以输出8位的ADC0804动作来说明“连续渐进式A/D转换器”的转换原理，动作步骤如下表示（原则上先从左侧最高位寻起）。

第一次寻找结果：

10000000（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）

第二次寻找结果：

11000000（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）

第三次寻找结果：

11000000（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝0）

第四次寻找结果：

11010000（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）

第五次寻找结果：

11010000（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝0）

第六次寻找结果：

11010100（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）

第七次寻找结果：

11010110（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）

第八次寻找结果：

11010110（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝0）

这样使用二分法的寻找方式，8位的A/D转换器只要8次寻找，12位的A/D转换器只要12次寻找，就能完成转换动作，其中的输入值代表模拟输入电压Vin（+）。

对8位ADC0804而言，它的输出准位共有28=256种，即它的分辨率是1/256，假设输入信号Vin为0~5V电压范围，则它的最小输出电压是5V/256=0.01953V,这就代表ADC0804所能转换的最小电压值。

至于内部的转换频率Fck是由CLKR、CLIN所连接的电阻R，以及电容C来决定的。

频率计算公式是：

Fck=1/（1.1*R*C）。

2.4.2A/D模数转换原理图

ADC0804的A/D转换结果输出端DB0—DB7与89c52的P1.0-P1.7相连，CS、RD、WR、INTR分别与单片机的INT0、RD、WR、INT1口相连，INTR端用于给出A/D转换完成信号，所以通过查询P3.3便可以获知A/D转换是否完成。

Vin+与运放的输出端相连，输入所测电压。

AGND、DGND、VIN-接地。

（低电平有效）A/D转换原理图如图2-13所示。

图2-13A/D转换原理图

2.5LED四联数码管显示电路

本设计采用四联共阴数码管显示温度。

温度采集系统输出模拟信号，通过ADC0804转换成数字信号，再传送给单片机处理，通过BCD转换传送至数码管显示。

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

（1）静态显示驱动：

静态驱动也称直流驱动。

静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：

），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

（2）动态显示驱动：

数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，