基于单片机的空调温度控制系统.docx

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基于单片机的空调温度控制系统

计算机控制技术

课程设计

成绩评定表

设计课题：

基于单片机的空调温度控制系统

学院名称：

电气工程学院

专业班级：

自动F0703

********

学号：

***********

********

设计地点：

中2-417

设计时间：

2010.6.11～2010.6.18

指导教师意见：

成绩:

签名：

2010年6月日

计算机控制技术

课程设计

课程设计名称：

基于单片机的空调温度控制系统

专业班级：

自动F0703

********

学号：

***********

********

设计地点：

中2-417

课程设计时间：

2010.6.11～2010.6.18

计算机控制技术课程设计任务书

学生姓名

陈为召

专业班级

自动F0703

学号

20074280305

题目

基于单片机的空调温度控制系统

课题性质

工程设计

课题来源

自拟课题

指导教师

臧海河

主要内容

该系统是基于MCS51的温度测量、温度控制及LED显示的温控系统，根据人们设定的要求，设计完善的室内温度计算机控制系统，使系统能够稳定运行。

任务要求

第1天：

熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅相关技术资料。

第2~3天：

确定设计方案。

要求对设计方案进行分析、比较、论证，画出方框图，并简述工作原理。

第4-6天：

按照确定的方案设计单元电路。

要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。

第7~8天：

撰写课程设计报告。

要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于4000字。

主要参

考资料

[1]李伯成单片机及嵌入式系统北京清华大学出版社2005.02

[2]朱长庚高新空调单片机控制电路分析机械工业出版社2009.04

[3]朱玉玺计算机控制技术北京电子工业出版社2010.01

[4]赵建领51单片机开发与应用技术详解,北京:

电子工业出版社,2009.01

审查意见

系（教研室）主任签字：

年月日

一类位置随动系统的滞后校正武汉理工大学

1引言

1.1系统背景叙述

新世纪伊始，人们生活质量不断提高，同时也对高科技电子产业提出了更高的要求，为了使人们生活更人性化、智能化。

我设计了这一个基于单片机的空调温度控制系统，人们只有生活在一定的温度环境内才能长期感觉舒服，才能保证不中暑不受冻，所以对室内温度要求要高。

对于不同地区空调要求不同，有的需要升温，有的需要降温。

一般都要维持在22~26°C。

目前，虽然我国大量生产空调制冷产品，但由于我国人口众多，需求量过盛，在我国的北方地区，还有好多家庭还没有安装有效地室内温控系统。

温度不能很好的控制在一定的范围内，夏天室内温度过高，冬天温度过低，这些均对人们正常生活带来不利的影响，温度、湿度均达不到人们的要求。

以前温度控制主要利用机械通风设备进行室内、外空气的交换来达到降低室内温度，实现室内温度适宜人们生活。

以前通风设备的开启和关停，均是由人手动控制的，即由人们定时查看室内外的温度、湿度情况，按要求开关通风设备，这样人们的劳动强度大，可靠性差，而且消耗人们体力，劳累成本过高。

为此，需要有一种符合机械温控要求的低成本的控制器，在温差和湿度超过用户设定值范围时，启动制冷通风设备，否则自动关闭制冷通风设备。

鉴于目前大多数制冷设备现在状况，我设计了一款基于MCS51单片机空调温度控制系统。

1.2系统功能简述

该系统的核心为高性能、低成本的单片机MCS8051，他与多种产品兼容。

片内包含4KBROM。

它与温度测量电路、键盘输入电路、继电器驱动输出电路及LED显示构成的温度控制系统，系统的稳定性好，可靠性高，成本低，还能通过LED进行显示，对系统起到实时控制作用。

系统通过控制器P0口连接一个4×4键盘来实现人工对参数的自由设定。

通

过串口连接2位LED显示器，用于显示预设温度值。

系统定时启动通过P1口相连的ADC0809来完成温差测量电路送来的温度的A／D转换信号，并与设定值比较。

当满足启动条件时通过P2．6控制继电器J闭合，进一步利用J的触点启动制冷温控设备。

2总体方案设计

2.1选定计算机

（1）PLC早期处理顺序逻辑和开关信息量问题时一般采用继电器电路来实现。

但当信号较多、逻辑复杂时，使用继电器数量很大，造成线路设计和调试都相当困难，可靠性也差。

随着PLC的出现，他逐渐取代了继电器电路，随着计算机的发展和渗透，PLC技术也在不断提高和完善，有以下优点：

实现成本低，范围广，高速率，永远在线，便捷。

但是当前在国内PLC的价格比较高，也在一部分程度上阻碍了它的发展。

（2）工业PC对于一个任务不算小的系统设计来说，工业PC是首选。

它是专门考虑了生产现场环境条件差及各种干扰大而设计的，可以长期可靠运行，可靠性和可维护性都可达到要求。

另外，除了有多种模块的主机系统板外看，还配备有多种接口板，如多路模拟量输入/输出板、开关量输入输出板、图形板，以及扩展用的RS-232C、RS-422、RS-485、总线接口板和EPROM编程板等。

总之，可扩充性不成问题。

此外，模拟量输入输出、开关量输入输出的接口很多，并有大量的软件支持，如汇编、高级语言和中文等。

（3）单片机现今的单片机正向着提高工业环境下控制系统的可靠性和灵活方便地构成应用系统界面的方向发展，并且控制功能越来越丰富。

在CPU芯片上，除嵌入RAM、ROM、和IO外，还有A/D、D/A、PWM、DMA、看门狗、串行接口和定时器/计数器等，另外还有显示驱动、键盘控制、比较器和函数发生器等，能构成功能强大的应用系统。

单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。

特别是它体积小，集成度高。

性能稳定，可靠性高。

有较高的性价比。

他越来越得到人们的信赖。

通过比较论证，从经济因素等考虑，选用单片机MCS51作为室内温度系统设计的控制器。

2.2系统组成框图及工作原理

系统的组成框图如图2.1所示。

它有以下几部分组成。

（1）键盘用于设置参数，设置给定。

（2）传感器，温度传感器，放于室内，对室内环境进行温度测量（3）变换电路将传感器检测到的模拟信号转换成标准模拟信号，并将其送到A/D转换芯片；或者将单片机的输出信号经过变换控制继电器的动作。

（4）A/D转换电路，将标准模拟信号转换成数字信号，送入计算机。

（5）计算机MCS51根据人们设定温度要求进行计算和处理，并调节继电器J输出。

（6）串并转换将串口输出转换成并口形式，便于与LED连接。

（7）显示对计算机处理的结果进行直观的显示，便于我们进行直观的了解当前情况。

（8）继电器用于开启和停止制冷设备，对结果直接长生影响。

图2.1系统组成框图

工作原理：

由键盘设置给定值，再由温度传感器测量实时参数，经过转换，通过控制器计算处理，将参数和设定值进行比较，再输出显示，看是否满足条件，再通过继电器的开关，对空调制冷设备进行操作，保障室内环境温度适宜。

2.3控制策略设计

通过分析控制器和执行器的关系，选用位置式PID控制作为控制系统的控制策略。

控制算法：

式中：

Ki：

积分系数、Kd：

微分系数

3硬件电路设计

3.1系统设备选型

（1）键盘

系统选用独立式键盘。

独立式按键是指直接用输入端口构成的单个按键电路，常用于需要少量几个按键的计算机系统。

每个独立式按键单独占用一根输入端口线，各键的工作状态不会互相影响。

（2）温度传感器

系统选用A/D590L作为温差传感器。

A/D590L具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小、抗干扰能力强、可远距离测温且使用方便等优点。

可广泛应用于各种粮仓、冰库、工业仪器配套和各种温度的测量和控制等领域。

A/D590L的主特性参数如下：

工作电压：

4~30V

工作温度：

-55~+150摄氏度

正向电压：

+44V

反向电压：

-20V

灵敏度：

1uA/K

（3）A/D转换

A/D转换选用ADC0809芯片实现，ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

管脚图如图3.1所示。

图3.1ADC0809管脚图

ADC0809各脚功能如下：

D0-D7：

8位数字量输出引脚。

IN0-IN7：

8位模拟量输入引脚。

VCC：

+5V工作电压。

GND：

地。

REF（+）：

参考电压正端。

REF（-）：

参考电压负端。

START：

A/D转换启动信号输入端。

ALE：

地址锁存允许信号输入端。

（以上两种信号用于启动A/D转换）.EOC：

转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。

OE：

输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。

CLK：

时钟信号输入端（一般为500KHz）。

A、B、C：

地址输入线。

（4）控制器选择

在此次设计中，选用高性能、低成本的MCS8051单片机。

和AT89C51指令管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器。

当4KBROM不够用时，还可以片外连接ROM存储器。

二者构成的最大ROM地址空间为64KB，片内、片外ROM地址是连续的，片内ROM地址为0000~0FFFH，片外ROM地址为1000~FFFFH。

再着，MCS8051目前的售价低，市场供应很充足。

T

kX7f$Wjq

|0

Vcc:

+5v电源输入

Vss：

接地

P0口是一个8位的接口，具有双重功能。

P1口是一个8位的双向数据I/O口，它的功能是单一的，只能用作数据的输入或者输出。

P2口是一个8位的具有双重功能的接口，输出时，从P2.x端口可输出CPU写到锁存器上的信号。

当该接口用做数据输入接口是，应先向该位写1，然后，读该位即可读入输入数据。

P3口也是具有双重功能的8为接口。

ALE/PROG：

地址所存/编程信号线。

当P0口工作在第二功能时从该端口可复用工作，某时刻该端口可以送出地址信号A0~A7，而另外的时刻该端口传送的是数据信号D0~D7。

利用ALE可以将地址信号A0~A7锁存到地址锁存器上

EA!

/Vpp：

该控制信号线也具有双重功能，是允许访问片外ROM/编程高电压引线。

PSEN!

：

片外ROM选通信号，常用作片外ROM的读控制信号，低电平有效。

RESET/Vpd：

复位/备用电源引线当该端加上超过24个时钟周期的高电平时，可是8051复位。

复位电路如图3.2所示。

图3.2复位电路

XTAL1和XTAL2：

外部晶体连线片外石英晶体连与此两端与片内电路构成振荡器，产生片内CPU的工作时钟。

晶振电路如图3.3所示。

图3.3晶振电路

（5）LED显示

LED显示器件是计算机控制系统中的廉价输出设备，他有多个发光二极管组成，能显示许多种字符。

一个LED正常发光时的工作电流大约为10mA。

如图3.4所示为8段LED显示器件的外形图。

由其成本低、耗能少的优点系统选用其作为设计的显示器。

显示温度设定值。

图3.4LED管脚图

（6）继电器

电流继电器是一种用来频繁的接通或断开交流主电路及大容量控制电路的自动切换电器，因此选其作为此次设计的继电器，电流继电器的输入电流x从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值xx,继电器的输出信号立刻从y=0跳跃到y=ym,即常开触点从断到通。

一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出信号y将不再起变化。

当输入量x从某一大于xx值下降到xf,继电器开始释放，常开触点断开。

3.2部分系统硬件电路设计

（1）温度测量电路

为了简化测量电路，降低成本，本次设计采用温度传感电路T1放置在室内，利用图3.5直接测量室内温度。

显然输出INx值与室内温度成正比，若温度传感器T1选择的恰当。

图3.5温差测量电路

（2）串并转换

系统选用ZQL9712S作为串并转换芯片。

ZQL9712S是专门为LED驱动应用设计的串并转换芯片，采用了先进的CMOS工艺，具有低功耗的优点。

ZQL9712S具备通用串并转换控制接口，本地3位并行驱动输出，特别适合于多离散点的级连应用。

ZQL9712S串移时钟频率可达15MHz，且提供最大30mA的驱动电流。

ZQL9712S包括串行移位寄存器和输出锁存器。

经串行移位寄存器，串移输入信号转换为3位并行输出，并把该输出作为输出寄存器的输入。

串移寄存器和输出寄存器由不同的时钟信号控制，并且都是在时钟信号的上升沿有效。

ZQL9712S将控制信号驱动后输出，该输出可作为后级电路的输入信号。

（3）系统原理图

系统的硬件组成原理如图3.6所示。

该控制器能够自动测量室内的温差。

当室内温度大于设定值时由单片机经过计算，若满足启动制冷设备得条件，就自动启动制冷设备。

否则自动停止制冷设备工作。

温度的设定值可根据当时天气情况有人们自由制定。

图3.6系统原理总图

4软件设计

4.1主程序流程图

主程序用于完成系统初始化及键盘管理，程序流程图见图4.1.通过键盘我们设置给定，通过中断处理对系统进行处理。

图4.1主程序流程图

4.2中断程序流程图

中断服务程序，主要用于判定测量温度时间是否已到，时间没到，继续等待；时间到了，进行温度测量、换算。

进一步判定是否启动空调制冷设备，满足启动条件P2.6置位，启动制冷设备；不满足启动条件P2.6清零，关闭制冷设备。

程序流程图如图4.2所示。

图4.2中断程序流程图

5总结

作为一名自动化专业即将毕业的学生，我觉得做此次课程设计是十分必要的。

一周的课程设计终于结束了，虽然很忙碌、很疲劳，但是收获很大。

这次我用单片机MCS8051作为控制器，实际了一个自动控制室内温度的空调设备。

。

每天的努力，唤来了我对课程设计的重新的认识，对51单片机和控制系统的深刻理解，实现了真正实践的目的。

在理论学习的过程中，我只是简单地学到了一些理论知识，但是在实际的设计过程中才发现理论与实际的巨大差别。

在课堂上，掌握的仅仅是专业基础课的理论，如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？

如何去锻炼我们的实践的一面？

这次做课程设计就为我提供了一个课外学习的好平台。

在此期间我阅读了大量的文献，并详细的了解了单片机8051在具体实际应用中的作用及应用技术，同时我还阅读了大量关于A/D转换器、传感器、转换电路、继电器、键盘、LED显示等的相关知识。

把课本的知识运用到实际中，经过我多次努力最终完成了此次课程设计。

在次之前我也接触过相关课程设计的实验，为此次设计奠定了知识基础。

在此次设计中收获最大的算是分析和解决问题的能力。

懂得了怎样解决此类问题，在设计过程中形成了设计理念和设计思维。

我有如此的收获于我的带领老师的辛勤教导紧密相连，多谢臧老师谆谆教诲！

参考文献

[1]李伯成单片机及嵌入式系统北京清华大学出版社2005.02

[2]朱长庚高新空调单片机控制电路分析机械工业出版社2009.04

[3]朱玉玺计算机控制技术北京电子工业出版社2010.01

[4]赵建领51单片机开发与应用技术详解,北京:

电子工业出版社,2009.01

[5]王威.嵌入式微控制器S08AW原理与实践.北京：

北京航空航天大学出版2008

[6]高金源.计算机控制技术.北京：

北京航空航天大学出版社，2001

[7]姚凯军.单片机原理及应用[M].重庆：

重庆大学出版社,1998

附录系统总原理图