中央空调室内温湿度控制系统设计与仿真之欧阳地创编.docx
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中央空调室内温湿度控制系统设计与仿真之欧阳地创编
学校代码：
11517
时间：
2021.03.04
创作：
欧阳地
学号201150712105
HENANINSTITUTEOFENGINEERING
毕业设计（论文）
题目中央空调室内温湿度控制
系统设计与仿真
学生姓名王园
专业班级电气工程及其自动化1121
学号201150712105
系（部）电气信息工程学院
指导教师（职称）宋雪洁（讲师）
完成时间2013年6月10日
河南工程学院论文版权使用授权书
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论文作者签名：
年月日
河南工程学院毕业设计（论文）原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名：
年月日
河南工程学院
毕业设计（论文）任务书
题目中央空调室内温湿度控制系统设计与仿真
专业电气工程及其自动化学号201150712105姓名王园
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
主要内容:
1.选择合适的温湿度传感器。
2.通过检测室内温湿度，通过LED显示器的数据交给空调系统处理。
3.采用单片机控制的空调室内温湿度自动控制是一个基于一体化的智能控制系统，通过室内的实时温湿度的信号采集，然后传递给单片机信号使LED模拟电机来进行空调的自动控制。
基本要求:
1.完成对室内温湿度检测系统的设计原理及电路。
2.选择单片机控制和LED模拟电动机驱动模块的实现方式，温度保持在18～28℃，相对湿度要保持在40％～70％，对各个模块之间连接控制以达到空调系统自动加热、制冷、除湿和加湿的智能系统。
3.用软件进行控制系统的模拟仿真，以验证其结果正确性。
主要参考文献：
[1]李怿峰.中央空调节能智能控制系统的研究与实现.硕士学位论文,2002.5
[2]高小龙.公共建筑的室内环境控制与节能运行管理.重庆大学硕士学位论文.2006.10
[3]熊安然,王留运等.节能中央空调系统温湿度控制.河南科技.2006.12
[4]杜豫平.基于51单片机的温湿度检测器设计.设计应用.2008
[5]赵金燕.基于AT89C2051的温度采集系统设计.安徽农业科学.2011
完成期限：
指导教师签名：
专业负责人签名：
年月日
中央空调室内温湿度控制系统设计与仿真
摘要
随着经济的发展越来越迅速，社会的进步也变的越来越快，导致人们对生活质量的要求也越来越高。
空调是一种可以提高人们生活质量，让人们享受舒适的生活质量，让人们享受舒适的生活环境。
而中央空调使用的房间，夏天时雨水较多，室内湿度会较大，人体感觉不舒服，冬天时空气较为干燥，再加上使用空调，人体会感觉口干舌燥不舒服，能适时对室内温湿度进行检测并自动调节温度和开关除湿和加湿设备就变得尤其重要。
本论文通过把传感器技术应用与单片机控制技术相结合，实现了对空调房间温湿度采集和读取。
整个系统由单片机、温湿度传感器、显示模块、温湿度调节系统以及键盘等几部分组成。
使用者预先输入温湿度设定值到程序中，该值作为系统阈值。
温湿度传感器监测值在LED显示器显示室内温度、湿度并传输给单片机。
当单片机比较监测到的数值超出所设定阈值时，单片机并为温湿度调节系统提供控制信号，实现空调自动控制。
最后通过Keil进行编写程序通过protues软件进行仿真达到预计效果。
关键词单片机/温湿度/显示器/调节系统
DesignandSimulationofindoortemperature
andhumiditycontrolsystemofcentralairconditioner
Abstract
Withtheeconomicdevelopmentmoreandmorequickly,theprogressofthesocietyisbecomingmoreandmorequickly,inpeople'squalityofliferequirementsarealsogettinghigherandhigher.Airconditioningisawaytoimprovethequalityoflife,letpeopleenjoyacomfortofqualityoflifeandacomfortablelivingenvironment.Intheuseofcentralair-conditioningroom,thesummerrainmore,theindoorhumiditywillbelarger,thebodyfeelsuncomfortable.thewinterairisdry,plustheuseofairconditioning,thebodywillfeelmouthparchedandtonguescorcheduncomfortable,timelytheindoortemperatureandhumiditytestingandautomatictemperaturecontrolandswitchdehumidifyingandhumidifyingequipmentbecomesparticularlyimportant.
Inthispaper,throughthesensortechnologyandsingle-chipmicrocomputercontroltechnology,therealizationofroomtemperatureandhumiditydataacquisitionandreading.ThewholesystemiscomposedofMCU,temperatureandhumiditysensor,displaymodule,temperatureandhumiditycontrolsystemandkeyboardandsoon.Theuserenterthetemperaturesetvaluetotheprogram,thisvalueasthesystemthreshold.TemperatureandhumiditysensormonitoringvaluetothemicrocontrollerintheLEDdisplayindoortemperature,humidityandtransmission.Whencomparedtothesinglechipmicrocomputermonitoringvalueexceedsthesetthreshold,singlechipandprovidesacontrolsignalfortemperatureandhumiditycontrolsystem,realizestheautomaticcontrolofairconditioning.Finally,throughtheKeilprogrammingsimulationtoachievetheexpectedresultsbyProtuessoftware.
KeywordsMCU,temperatureandhumidity,display,controlsystem
1绪论
现阶段，虽然中国的制冷和空调产品大规模生产，但是因为中国人口量众多，人们有较大的需求量，在中国北方，有许多的家庭都没有安装合适的室内温度控制系统。
温湿度不能很好的控制在一定范围，夏天室内的温度很高，而且湿度比较大，冬天的温度很低，房间比较干燥，这些都具有一个负面影响人们的正常生活，温度和湿度是很难达到人体的要求。
在温度控制中主要采用机械通风设备，室内和室外的空气交换，降低室内温度，室内温度达到适合人居住。
以前关闭通风设备是由手动控制，就是检查室内和室外，切换所需要的通风设备的温度，湿度和时间，使人们的劳动强度可靠性能比较差，但它消耗体力，而且成本高。
因此，有需要遵守与低成本的机械式温度控制的要求，在温度和湿度的差异超过了预设值的范围，从制冷和通风设备，自动关机冷却通风设备与控制器。
我在参照现在大多数制冷设备的条件下，基于AT89C51单片机的空调温度控制系统的基础上设计。
1、在国内和国外研究现状及发展趋势
随着科学技术的不断提高和人们生活水平的提高，人们在日常生活和劳动生产中对空气质量的要求也不断的提高，特别是人们对空气的温度、湿度、洁净度、通风等等的要求使得空调系统在应用中越来越受到重视。
空调的控制系统并不只是单一的控制，它涉及的面比较广，而且实现其功能比较复杂，它通过空调的系统为建筑物的各个区域提供使其符合要求的条件。
就现在而言，因为变风量的空调投资相对比较高，安装相对复杂，而且受经济条件的影响，大多数的空调仍是选用定风量空调。
它控制的方法是针对系统进行加温、降温、加湿、除湿四个过程，进行四个独立的单回路，进行室内的温湿度检测。
当房间内的温度低于设定值时，这时热水阀工作，给系统进行热补偿的过程；当房间内的温度高于设定值时，这时冷水阀工作，给系统进行降温的过程；当房间内的相对湿度高于设定值时，这时除湿阀门工作，给系统进行除湿的过程；当房间内的相对湿度低于设定值时，这时加湿阀门工作，给系统进行加湿过程。
自从70年代以来，根据工业过程的控制要求，电子技术有了迅速的发展，为人们的生活带来了巨大的变化。
特别是在电子技术的迅速发展，还有自动控制理论和创新科技推动发展下，目前国外的温湿度控制的系统迅速发展并且正逐步向着高精度的智能化、维小型化等等方面的迅猛发展。
依赖着微计算机的强大功能，人们现在可以根据自己的需求完成各式各样的控制。
但是，由于微计算机的造价太高，针对大多数的工业控制领域来说，也并不一定需求微计算机那种强大的运行，因此单片机就在此环境中产生了。
单片机实际上就是一个比较简化的微计算机，它就是将微计算机的CPU、内外存储器、I/O接口以及定时器/计数器等集合在一个芯片上，这就是所谓的单片机了，它主要是用来完成各个控制功能。
相比较微计算机来说，单片机的价格比较低，而且非常的适合应用在比较简单的控制场用来降低其成本。
况且，单片机是严格按照工业的控制要求而设计的，它的可靠性比较高，可以在工业的控制现场复杂的环境下工作。
单片机依据它极高的可靠性和以及极高的性价比，关于工业的控制、数据的采集、常用的家用电器、智能化仪表等等方面得到了非常普遍的应用。
采用高性能的控制芯片，高精密度的数字温度和湿度传感器。
单片机的数据采集系统的模块化，迅速化以及智能化。
该系统应用于室内主要提供了一个更合适的环境，随着人们对生活环境要求越来越高，尤其是舒适度，因此它具有很好的发展前景。
2、本论文的主要内容
本设计对空调房间温湿度控制系统应达到下面的要求：
1、依据国家的计算机房的B级标准，温度应该在18～28℃，相对湿度要保持在40％～70％。
2、用户可以根据设置系统温湿度与实际值相比较，检测得到的数据可以通过显示模块显示然后采取相应措施实现自动控制。
本设计主要以AT89C51单片机控制系统为核心采用温湿度传感器来对室内温湿度进行实时的检测。
本设计的硬件设计不仅要满足系统的需求，而且还要能满足其功能和外形尺寸的要求。
依据设计的要求确定了系统的总体方案，整个设计是由单片机、LED显示器、温湿度传感器、温湿度调节系统、键盘等等。
使用者预先输入设定温湿度到程序中，此值作为该系统的阈值。
温湿度传感器监测值传输给单片机，当单片机比较监测到的数值超出所设定阈值时，并且为温湿度调节系统提供控制信号，实现空调的自动控制。
其中温湿度调节系统主要包括加湿设备、除湿设备、加温设备和制冷设备等四个主要模块。
2系统硬件设计
中央空调温湿度控制系统，主要是完成对室内的温度和湿度的数据采集、显示以及与设定相比较等工作，因此实现对空调的控制。
本设计采用SHT11作为温湿度传感器件。
室内的温湿度信号经过SHT11将输入的模拟信号转换成8位的数字信号，并经过端口传送给单片机的系统。
单片机系统会将接收的数字信号进行译码处理，经过7SEG-MPX4-CALED显示器分别将室内的温度、湿度显示出来，与此同时单片机系统还要完成键盘、按扫描键温湿度设定等等程序的处理，将处理的温湿度信号与用户设定的温湿度值进行相比较，形成了控制空调系统的制冷、制热、加湿、除湿等四种工作状态，因此实现中央空调的智能化。
还有，键盘输入的知识，采取了软件来修改误操作的输入，就是输入的温湿度的范围一定要在系统硬件所规定的量程范围内，直接的减少因为误操作而带来的风险，这样可以提高系统的可靠性，实现了比较人性化的系统设计规则。
在以上基础下，本设计就可以开始进行设计硬件系统的总体方案，在应用系统的基础上根据价格和它的整体功能以及运行速度方面等等的考虑因素，我选择MCS-51单片机AT89C51作为主机，它可以满足上述要求，而且设计比较方便。
本设计的系统的整体框图如图2.1所示。
图2.1系统的总体框图
2.1单片机的简介及主控模块
单片微型计算机又简称为单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用的英文字母缩写MCU来表示单片机，单片机又称为单片微控制器，它是一种集合在电路的芯片，采用极大规模集成电路的技术含有数据处理的中央处理器CPU、读写存储器RAM、只读存储器ROM、多个I/O接口、中断系统、定时器/计数器等等功能集合在一个硅片上而构成的一个小而且完善的计算机系统。
它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把计算机系统集成到一个芯片上。
单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。
1、运算器
运算器是由运算部件——算术逻辑单元（Arithmetic&LogicalUnit，简称ALU）、累加器和寄存器等几部分组成。
ALU的作用是把传来的数据进行算数或逻辑运算，输入来源为两个8位数据，从累加器和数据寄存器得到。
ALU能够完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，然后将结果存入累加器。
举个例子，假如有两个数6和7相加，在相加之前，操作数6放入累加器中，7放入数据寄存器中，当执行加法指令时，ALU即把两个数目相加并把结果13存入累加器，取代累加器原来的内容6。
运算器有两个功能，分别是执行各种算术运算和执行各种逻辑运算，而且进行逻辑测试，像零值测试或两个值的比较。
运算器所执行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，而且，一个算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。
2、控制器
控制器由程序计数器指令寄存器指令译码器时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。
其主要功能有三个：
从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便与执行规定的动作；指挥并控制CPU、内存和输入输出设备只见数据流动的方向。
微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。
外部总线又称为系统总线，分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。
通过输入输出接口电路，实现与各种外围设备连接。
3、主要寄存器
（1）累加器
累加器A是微处理器中使用最频繁的寄存器。
在算术和逻辑运算时它具有双功能，运算前，用于保存一个操作数。
（2）数据寄存器DR
数据寄存器通过数据向存储器和输入/输出设备送（写）或（读）数据的暂存单元。
它可以保存一条正在译码的指令，也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节等等。
（3）指令寄存器IR和指令译码器ID
指令包括操作码和操作数。
指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指令。
当执行一条指令时，先把它从内存中取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器。
当系统执行给定的指令时，必须对操作码进行译码，以确定所要求的操作，指令译码器就是负责这项工作的。
其中，指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。
（4）程序计数器PC
PC用于确定下一条指令的地址，以保证程序能够连续的执行下去，因此通常又被称为指令地址寄存器。
在程序开始执行前必须将程序的第一条指令的内存单元地址（即程序的首地址）送入PC，使它总是指向下一条要执行指令的地址。
（5）地址寄存器AR
地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。
由于内存与CPU之间存在着速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。
显然，当CPU向存储器存数据、CPU从内存取数据和CPU从内存读出指令时，都要用到地址寄存器和数据寄存器。
同样，如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看的话，那么当CPU和外围设备交换信息时，也需要用到地址寄存器和数据寄存器。
4、主控模块
本设计采用AT89C51，AT89C51单片机有一个8位微处理器CPU。
数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR。
内部程序存储器ROM。
两个定时/计数器，用来对外部的事件进行计数，也可以当作定时器。
四个8位可编程的I/O（输入/输出）并行端口，每一个端口可以做为输入，也可以做为输出。
一个串行的端口，用于数据的串行通信。
还有中断控制系统和内部时钟电路。
AT89C51基本结构和管脚功能如图2.2，图2-3所示。
图2.2AT89C51基本结构
图2.3AT89C51管脚功能
1、主电源引脚
和GND
（40脚）：
电源端，接+5V；GND（20脚）：
接电源地。
2、外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1（19脚）：
接外部晶振的一个引脚。
当单片机采用外部时钟信号时，此脚应接地。
XTAL2（18脚）：
接外部晶振的另一个引脚。
当单片机采用外部时钟信号时，外部信号由此脚接入。
3、控制或复位引脚
（1）RST/VPD：
当输入的复位信号持续2个机器周期以上高电平，单片机复位。
（2）ALE/
：
地址锁存控制端
在系统扩展时，ALE用于控制P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。
（3）
：
外部程序内存的读选通信号端。
在读外部ROM时
有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。
（4）
：
访问程序存储器控制信号。
当
=1时，访问内部程序存储器，当PC值超过ROM范围时，自动转执行外部程序存储器的程序；当
=0时，只访问外部程序存储器。
4、输入/输出引脚
P0~P3：
四个I/O口，每口8线，共计32根I/O口线。
5、时钟电路
单片机的时钟电路一般有两种形式：
一种为内部振荡还有外部振荡。
1）内部振荡
AT89C51单片机里有一个用做构成振荡器高增益反相的放大器，引脚XTAL1为放大器的输入端，XTAL2为放大器的输出端。
如图2.4所示。
图2.4内部振荡方式
2）外部振荡
外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号直接连接到XTAL1端引入单片机内，XTAL2端悬空不用，如图2.5所示。
图2.5外部振荡方式
2.2传感器模块
广义的说，传感器是一种以测量为目的，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的，便于处理的另一种物理量的测量器件。
传感器由敏感元件，传感元件及测量转换电路三部分组成。
先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。
因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选择，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量对象的特点和传感器的使用条件综合考虑一下一些具体问题：
传感器的量程、灵敏度的选择、频率响应特性、线性范围、稳定性精度、被测位置对传感器体积的要求、测量方式为接触式还是非接触式、传感器信号的引出是有线还是无线、是购买传感器还是自行研制传感器以及价格因素等。
在综合考虑上述因素之后就能确定选择何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。
SHT1x（包括SHT10,SHT11和SHT15）属于Sensirion传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号。
传感器采用专利的CMOSens®技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。
因此，该产品具有品质卓越、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。
每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，校准系数以程序形式储存在OTP内存中，用于内部的信号校准。
两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。
微小的体积、极低的功耗，使SHT1x成为各类应用的首选。
图2.6为SHT1x的实物图。
测量转换成适于传输和测量的电信号的部分。
图2.6SHT1x实物
SHT1x温湿度传感器在检测温度和湿度时也会存在着一些误差。
其误差如表2.7所示。
表2.7
型号
湿度精度[%RH]
温度精度[%RH]
SHT11
+/-3.0
+/-0.4
SHT15
+/-2.0
+/-0.3
本设计选用SHT11温湿度传感器，其外形尺寸如图2.8所示。
图2.8STH-11温湿度传感器外形尺寸
SHT11显示环境的温度和湿度，可以通过上下按钮可调节。
其工作原理图如图2.9所示。
图2.9温湿度传感器工作原理图
2.3LED显示模块
常见的显示器件主要有LED和LCD等，由于LED就能满足设计要求，所本设计选择LED显示器。
单片机对LED显示器的控制，无非是按时向其提供具有一定驱动能力的段选码和位选码信号，段选码可有硬件产生，也可以通过编程来实现。
在实际使用过程中往往用多个数码管组成。
根据位选线与段选线的连接方法不同，LED显示器有静态和动态两种方式。
段选线控制字符选择，位选线控制显示位的亮、暗。
本设计选择的LED显示器为7SEG-MPX4-CA。
其实物图如图2.10所示。
图2.107SEG-MP-X4-CA实物图
7SEG-MPX4-CA是四个共阳二极管显示器，1234是共阳共端。
1234为位选，ABCDEFGDP为段码。
在它的内部中，除各个公共端外，是把各个显示器的同名端并联起来的。
比如说，四位一体的LED显示器，是每个脚的同名端并接，所以仍是有8个引脚，再加上4个公共端，就是有12个引脚，同理，八位一体显示器就是8个同名引脚加8个公共端，就是16个引脚。
数码管是一种半导体发光器件，其基本单
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