空调温度控制系统的设计与实现设计.docx
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空调温度控制系统的设计与实现设计
毕业设计（论文）
空调温度控制系统的设计与实现
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年月日
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论文作者签名：
年月日
毕业设计（论文）任务书
题目
专业
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
主要内容：
采用51单片机来对温度进行控制不仅具有控制方便组态简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而大大提高提高产品的质量和市场占有量。
具体要求：
本课题研究的是51单片机控制温度系统的设计，主要是基于51单片机为中央处理器，通过温度传感器进行温度采集，将采集到的温度信号传输给单片机，再由单片机控制显示器显示。
基本要求：
（1）采用单片机做主控单元，完成对温度的采集和控制的要求
（2）温度控制约在0℃~40℃
（3）用LCD1602显示当前温度
（4）有遥控器控制操作功能
毕业论文（设计）的目标：
（1）画出工作原理图
（2）元器件及参数选择
（3）完成全电路设计，能发现问题和解决问题
（4）编写设计报告，写出设计与制作全过程，附上有关资料和图纸
（5）画出主程序流程图，给出主程序清单
参考文献：
[1]马明建，周长城.数据采集与处理技术[M].西安：
西安交通大学出版社，2000.
[2]张毅刚等.MCS-51单片机的应用设计[M].哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版设,2004.
[3]何立民.单片机应用技术选编[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2005.
[4]李小英.移动式空调变频控制系统研究[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库,2009.
完成期限：
2015年06月
指导教师签名：
专业负责人签名：
年月日
摘要………………………………………………………………………..……….I
ABSTRACT………………………………………………………………………………II
空调温度控制系统的设计与实现
摘要
计算机技术的诞生彻底改变了人们的生活，曾经需要大量人力、物力资源的工作都已经被智能计算机技术解决。
单片机技术是计算机技术的一个应用，它的出现使现代测控领域产生了一场新的革命。
典型的MCS-51系列单片机拥有完整的指令集和丰富的外设，可以很轻松的实现很多领域的控制。
温度检测与控制应用广泛，作用巨大，精度更高的、操作更简单的集成温度传感器应运而生。
空调、冰箱等等与温度控制有关的家用电器越来越普及，一个简单智能的温度控制系统能更好的适应人们的需求。
本文论述的空调温度控制系统是以8051单片机为核心，以键盘、红外遥控以及LCD1602作为人机交互接口，以DS18B20作为温度传感器，通过继电器来控制加热丝与半导体制冷片模拟空调的工作。
这个系统实时检测室内温度并显示出来，人可以设定温度值，单片机比较检测值与设定值做出加热或制冷的命令，加热丝或者半导体制冷片执行相应的命令。
关键词：
8051单片机DS18B20温度传感器温度控制
AIR-CONDITIONINGTEMPERATURECON-
TROLSYSTEMDESIGNAND
IMPLEMENTATION
ABSTRACT
Thebirthofcomputertechnologyhasrevolutionizedthewaypeoplelive,workswhichneedalotofmanpower,materialresourceshavebeensolvedbysmartcomputertechnology.Thesingle-chipmicrocomputertechnologyisanapplicationofcomputertechnology.Itsemergencehasarousedanewrevolutioninthefieldofmodernmeasurementandcontrol.ThetypicalMCS-51seriessingle-chipmicrocomputerhasacompleteinstructionsetandrichperipherals,caneasilyachievethecontrolofmanyareas.
Temperaturemeasurementandcontrolhasawiderangeofapplications,higherprecisionandsimpleoperationofintegratedtemperaturesensorarisesatthehistoricmoment.Householdappliancesrelatedtothetemperaturecontrol,suchasairconditioners,refrigeratorsandsoon,ismoreandmorepopular,asimpleintelligenttemperaturecontrolsystemcanbetteradapttotheneedsofpeople.
Thispaperdiscussestheairconditioningtemperaturecontrolsystembasedon8051single-chipmicrocomputerasthecore,withthekeyboard,andinfraredremoteLCD1602ashuman-computerinteractioninterface,usingDS18B20astemperaturesensor,throughtherelaytocontroltheheatingwireandsemiconductorchillingplatetosimulatetheworkofairconditioning.Thesystemcandetectindoortemperatureanddisplayinreal-time,andonecansettemperature,thensingle-chipmicrocomputercomparesthedetectedvalueandsettingvaluetomakethecommandofheatingorcooling,withheatingwireorsemiconductorchillingplateexecutingthecorrespondingcommand.
KEYWORDS:
8051single-chipmicrocomputerDS18B20temperaturesensortemperaturecontrol
1引言
1.1课题背景
近年来电子产业迅速发展，单片机应用正在不断深入更多的领域，同时也带动了控制检测技术的提升。
在自动检测和控制系统中，单片机通常作为一个核心，结合具体的硬件结构，与软件相结合，就能实现具体应用的功能。
单片机拥有基本的外设，这些外设让单片机功能更加强大，应用更加广泛。
随着人们生活水平的提高，人们需要更高质量更智能的与温度控制相关的产品，一个更优秀的温度控制器亟待开发。
1.2国内外研究现状
温度采集与控制历来都是检测控制领域的重点之一。
近年来全球工业电子温度控制器市场增长缓慢，我国电子温度控制器市场迅猛发展，与之相关的核心生产技术与研发必将成为业内企业关注的焦点。
温度控制器被广泛用于工农业生产，科学研究和生活领域，了解国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规格，提高市场竞争力非常关键。
1.3本课题的研究内容
设计中用户可以利用遥控或者键盘设置温控器的工作，例如工作状态、模式、室内温度。
单片机能将这些设定信息存储在数据存储器。
单片机有可能工作在掉电状态，但是通过外部中断唤醒可以保存数据存储器的数据，从而实现关机重启后，仍能保存用户的设定信息。
设计中用LCD1602作为显示器，单片机可以把实时温度和用户的设定信息都显示在液晶屏上。
工作原理大概是这样的：
通过温度传感器DS18B20实时采集一个封闭空间的温度，然后传送给单片机处理；单片机根据人的设定信息结合采集的实际温度自动加热或制冷以实现空调功能。
2系统的总体设计
2.1设计要求
系统的设计本课题研究的是利用51单片机结合适当的硬件结构，实现一个空调温度控制器，主要包括温度采集与显示、人机接口、控制输出等部分。
系统设计的基本要求如下：
*采用单片机做主控单元，完成对温度的采集和控制的要求
*温度控制约在0℃~40℃
*用LCD1602显示当前温度
*有遥控器控制操作功能
2.2系统方案的选择
系统可以用硬件的方式实现，也可以用软件的方式实现，具体方案有二：
方案一：
可以使用FPGA实现整个系统。
FPGA在测量领域的确有优越之处，可以很方便实现系统的时序控制，并且得到更准确的采集数据。
但是对于控制系统来说，需要有多个状态以及相应的操作，FPGA对于微控制器来说并不擅长。
方案二：
可以使用微控制器作为核心，配合着测量电路、人机交互电路、以及控制电路实现这个系统。
这种方案实现空调温度控制比较简单，而且也能达到设计要求。
综合比较，方案二更加适合空调温度控制系统的设计与实现，本文采用该方案。
笔者对题目再进行深入的分析和思考，可将整个系统分区为以下几部分：
主控器电路、测温电路、输入电路、显示电路，控制执行电路。
笔者做出系统的基本框图如图2-1所示。
2.3系统各模块方案选择
主控制器可以选用AVR系列单片机、51系列单片机或者ARM。
系统所需微控制器的速度并不太高，控制并不复杂，51系列单片机完全可以胜任。
考虑到成本和编程复杂性，本设计选用51系列单片机AT89S52。
3系统硬件设计
3.1单片机简介以及外围电路
3.1.1单片机简介
MCS-51系列单片机以其典型的结构、完善的总线、特殊功能寄存器的集中管理方式、位操作系统和面向控制的指令系统，为单片机的发展奠定了良好的基础。
80C51是MCS-51系列单片机的典型品种。
80C51单片机的基本结构如图3-1所示。
3.1.2与系统相关的单片机外设介绍
单片机有5个中断源，2个中断优先级，本设计中用到了三个中断，分别是外部中断0、外部中断1以及定时/计数器0中断。
单片机的中断控制主要用两个寄存器实现，中断允许控制寄存器IE和中断优先级控制器TP。
中断允许控制器可以对所有中断以及某个中断源设置成开放或者屏蔽。
中断优先级控制寄存器可以设置某一中断为高优先级中断，高优先级的中断相对于普通中断来说拥有特权[1]。
3.1.3单片机外围电路
一个单片机最小系统主要由时钟电路和复位电路组成。
80C51单片机的时钟信号通常有两种发生方式：
一种是内部时钟方式，二是外部时钟方式。
在80C51单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚上外接晶振，就能构成自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。
而外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内部。
此种方式用于多片单片机同时工作，以便于各单片机的同步。
两种常见的时钟电路如图3-2所示。
3.2LCD1602显示器简介及接口电路
3.2.1LCD1602简介
LCD1602液晶显示器具有微功耗、体积小、显示内容丰富的特征，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。
它的主要特性如下：
（1）3.3V或5V的工作电压，对比度可以调节
（2）内含复位电路
（3）提供各种控制命令，如：
清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能
（4）有80字节显示数据存储器DDRAM
（5）内建有192个5X7点阵的字符发生器CGROM
（6）有8个用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM
其引脚功能如表3-1所示[3]。
表3-1LCD1602的引脚
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DataI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DataI/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
DataI/O
4
RS
数据/命令选择端
12
D5
DataI/O
5
R/W
读/写选择端
13
D6
DataI/O
6
E
使能信号
14
D7
DataI/O
7
D0
DataI/O
15
BLA
背光电源正极
8
D1
DataI/O
16
BLK
背光电源负极
3.2.2系统中LCD1602接口电路
本设计中，LCD1602的数据端口接单片机的P0口，单片机的P0口用作通用I/O口时要接上拉电阻。
RS端接单片机的P2.7，RW端接单片机的P2.6，E端接P2.5。
3.3键盘电路
本设计的键盘电路模块如图3-6所示。
设计中用到了4个按键，开/关机键、模式切换键、温度“+”键、温度“-”键，分别对应ON_OFF、MODE、PLUS、MINUS这四个按键。
当某一个键按下时，会将P1口的一位拉低，同时也会在P3.2端口引起一个下降沿。
这个下降沿会触发单片机的外部中断0，从而进入对应的中断服务程序，这个程序也是按键功能实现的程序。
设计中，用四个二极管充当四输入与门，这样既节省了成本，也简化了电路。
该电路电阻和电容组成一个放点回路，防止键盘误触发而进入中断服务程序。
另外，中断服务程序中也采用了软件去抖动程序以增加系统的稳定性。
图3-6键盘电路
3.4无线遥控简介与接口电路
3.4.1无线遥控原理简介
无线通信的原理就是将数据加到载波上从而实现数据传输，主要包括两个部分：
一个是无线发射模块，一个是无线接收模块。
无线发射模块把需要传输的信息调制到载波信号上，然后通过天线发射出去。
无线接收模块在接收到无线信号后，就进行解码。
为了传输的可靠性，通常都会在传输的有效数据码前加上地址码，只有地址匹配了才能接收数据码；为了解码的需要，通常还需要对传输的码字加上同步码，以实现可靠的通信[4]。
设计中用到的发射器和接收模块实物图如图3-7所示。
3.4.2系统中无线遥控接口电路
系统中无线遥控接收模块的输出引脚如表3-2所示。
表3-2无线遥控接收模块引脚图
脚位
名称
功能说明
1
VT
输出状态指示
2
D3
数据输出
3
D2
数据输出
4
D1
数据输出
5
D0
数据输出
6
5V
电源正极
7
GND
电源负极
8
ANT
接天线端
3.5温度传感器简介及接口电路
3.5.1温度传感器简介
DS18B20数字温度传感器可以提供9-12位数字量的温度测量，它的测温范围为-55～＋125℃。
在硬件上，DS18B20通过一个单总线接口与处理器交互信息，而且DS18B20能直接从数据线上吸取能量，这种寄生电源的方式可以使它的应用更方便、更灵活[5]。
DS18B20的主要特征：
（1）先进的单总线数据通信。
（2）最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。
（3）12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。
（4）可选择寄生工作方式。
（5）检测温度范围为–55°C~+125°C
3.5.2系统中温度传感器接口电路
系统中DS18B20与单片机的接口电路如图3-9所示，从图中可以看到DS18B20的只需要一个数据线就能完成数据通信工作。
DS18B20的数据通信端口接的是单片机的P2.3端口，这样的单总线方式硬件连接非常方便，甚至利用它的寄生电源的功能连电源线也可以省去。
简单的硬件结构也需要付出代价，DS18B20需要精准的时序控制和复杂的编程才能准确采集到温度数据。
图3-9DS18B20模块电路
3.6输出驱动电路
3.6.1半导体制冷片简介
半导体制冷片没有滑动部件，这是区别于常规制冷器件的很大优点。
半导体制冷片省去了机械部件，就可以使它的体积减小，这样它就可以应用在一些空间受到限制的场合。
而且，这种制冷器件可靠性要求高，无污染。
其缺点是没有常规制冷器件那样制冷效果强大，这也让它的应用受到了限制。
3.6.2加热丝简介
加热丝实际上就是一个电阻，它把电能尽可能的转化为热能。
电热丝的材料通常都是耐高温的材料，例如铁铬铝、镍铬材料等。
本设计用的是镍铬材料，阻值约5欧的电热丝，12V时功率约为28瓦[8]。
3.6.3继电器驱动电路
3.6.3.1继电器及其驱动电路简介
继电器是一种常规的电子开关，用小电流去控制大电流运作的电控制器件，故在电路中起着安全保护、转换电路等作用。
它的工作原理是是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，就会使输入端线圈达到一定的磁场强度从而使输出回路的柱头上的接头切换，最终在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化[9]。
本系统中选用的是汇科（HUIKE）继电器HK3FF-DC5V-SHG，它的输入端驱动电压是5V,线圈电阻70
，功率0.36W，它的输出回路直流30V时允许通过电流为10A。
3.6.3.2系统中继电器驱动电路
继电器驱动电路图如图3-10所示。
其中三个控制端分别接的是单片机的P2.0、P2.1和P2.2。
由于单片机驱动能力有限，有考虑到单片机的灌电流相较更大些，所以选用PNP型的三极管。
继电器驱动电路的工作原理是这样的：
当单片机管脚输出高电平时，PNP三极管就处于截止状态，继电器输入端口几乎不导通，继电器处于断开状态；当单片机输出低电平时，PNP三极管就处于饱和状态，继电器输入端就可以获得几乎5V的电压而使继电器导通。
之所以在继电器的输入端加上一个反向的二极管，这是由于当继电器由导通变为断开的过程中，输入端线圈会因为自感作用引起自感效应对继电器造成破坏，当加上一个反向二极管后就可以给这个线圈一个放电回路而消除自感的不良影响[10]。
3.6.4大功率电路模块介绍
设计用到的制冷片以及散热系统实物图与加热丝实物图如图3-11所示。
图3-11半导体制冷片与加热丝实物图
制冷片工作电压１2伏时功率约５6瓦，加热丝１2伏工作时功率约２8瓦，本设计选用电压１2伏，最大输出电流６安的开关电源。
3.7系统整体原理图
系统整体原理图见附录1。
4系统软件设计
4.1系统程序设计构思
系统主程序主要是用来不断更在显示器上更新出设定模式、设定温度和实际温度。
中断0的服务程序是用来实现键盘功能的程序，这些功能包括状态切换、模式切换、温度值调整，也包含了状态切换时的部分初始化程序。
外部中断1的服务程序是无线遥控功能实现程序，与键盘功能程序类似。
定时器0的中断服务程序实现输出控制功能，即启动或者停止加热制冷操作[12]。
4.2主程序设计
4.2.1主程序流程图
主程序流程图如图4-1所示。
4.2.2主程序介绍
主程序开始后，先进行系统初始化，包括LCD1602的初始化和单片机中断系统的初始化。
初始化工作包括LCD1602设置成两行显示模式，单片机的两个外部中断都使能，定时器0中断也使能。
初始化结束后，就进入了死循环。
这个循环程序不断判断系统的状态，如果是待机状态就进行待机初始化，最后让单片机进入掉电模式。
如果是正常工作状态，还需要判断en_display_normal标志位分成不同的两支程序。
4.3按键程序设计
4.3.1按键程序流程图
按键程序流程图如图4-2所示。
图4-2按键程序流程图
4.3.2按键程序简介
按键程序是安排在外部中断0的服务程序中。
当任意的一个按键按下，都会触发外部中断0。
当进入外部中断0程序后，首先执行延时程序，然后再次判断是否有按键按下，以达到按键消抖的目的。
如果确实有按键按下，就通过读取P1端口的低四位获取按键值。
根据不同的工作状态又将程序分为两支。
当处于待机状态时，判断是否是开/关机键（ON_OFF键）按下，如果是就开机初始化，如果不是就继续待机[14]。
当处于正常工作状态，然后根据不同的按键值选择不同的操作程序。
如果是ON_OFF键按下就关机，如果是MODE键按下就切换状态，如果是PLUS键按下就增加设定温度值，如果是MINUS键按下就减小设定温度值。
需要说明的是中断服务程序的结尾部分，有一句语句是中断标志位清0，这是为了避免因为案件抖动出现按一次进入两次中断。
4.4温度采集与显示程序设计
4.4.1温度采集与显示程序流程图
温度采集与显示程序流程图如图4-3所示。
图4-3温度采集与显示程序流程图
4.4.2温度采集与显示程序简介
温度采集是通过调用函数ReadTemp（）实现的，温度显示是通过调用函数disply_temp（）实现的。
ReadTemp（）函数首先初始化DS18B20，然后启动温度转化，接下来读取温度，得到两个字节的记录温度的二进制数。
紧接着，判断温度的正负。
如果温度为负，还需要求取温度的原码并去掉最高位的符号位，转化为十进制的实际温度。
倘若温度为正，可以直接去转化为十进制的温度数据。
利用sign_flag记录实际温度的符号值[15]。
4.5控制执行程序设计
4.5.1控制执行程序流程图
控制执行程序流程图如图4-4所示。
图4-4控制执行程序流程图
4.5.2控制执行程序简介
控制执行程序是放在定时器0的中断服务程序中。
在初始化程序中，将定时/计数器0设置成定时模式1，也就是16位定时器。
系统选用的是12M的晶振，这样定时器从0计数到溢出，中断一次的定时时间就是65536us。
输出控制是这样设想的，每隔一定的时间就来执行一遍，这个时间就是执行周期。
本设计把这个执行周期设置成（65536*2）us，即大概0.13s，实践中可以满足设计要求。
4.6系统设计程序
系统设计程序包含5个源程序文件，分别是tem_con_system.c、function.c、lcd.c、tem.c和usual.c；还包括7个头文件，分别是tem_con_system.h、function.h、lcd.h、tem.h、usual.h、reg52.h和intrins.h。
tem_con_sys
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