空调主控电路的设计毕业作品.docx
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空调主控电路的设计毕业作品
空调主控电路的设计
摘要
空调在国内已是很普遍了。
许多家庭都正在考虑购买空调。
我国也早已实现自主生产，而且是制造大国。
现在要做的是：
如何使空调产品更加地省电，降低成本，性能更加地优越。
空调系统的基本原理简单，主要是控制电路的基本原理。
当真正地用实际硬件电路进行控制，并用软件进行功能调整，这是要化一定工夫的。
本设计通过对各种方案的比较，选择了P80C31单片机，采用简单的电源电路，使用数码管实现温度显示，有接收头进行遥控接收，安装按钮电路，靠室内、外温度传感器给单片机温度感应，运用继电器控制室内、外机的工作与否。
各个功能模块以单片机为基础联系在一起，既相互独立，又相互关联，并且还靠软件支撑。
每一部分都进行了严格地考虑，组合和分块正是设计电路系统的两大基本思想。
设计中，发现了元器件的选择的重要性。
比如，DS18B20温度传感器的选择就显得非常的合理，因为它符合检测温度的要求，用起来也方便。
总之，研究利用P80C31单片机作为主控板进行设计的遥控空调系统，有了一定的智能化。
这种空调控制系统控制电路简单，容易控制，电路可靠，遥控接收方便，造价低。
在设计的过程中，重点介绍了空调系统的控制电路的工作原理，对每一个电路模块都进行了深入地分析论证。
在软件编程方面，主要给出了流程图；同时，也给出了相应电路的整个程序代码。
关键词：
主控；卡诺原理；温度；遥控；继电器
Air conditioning's master control circuit design
Abstract
Airconditioningisalreadyverycommoninourcountry.Manyfamiliesareconsideringbuyingairconditioning.Ourcountryalsohadtorealizetheindependentproduction,andisamanufacturingsuperpower.NowweneedtodoisHowtomaketheairconditioningproductsmoresaveelectricity,reducethecostandperformancemoresuperior.Thebasicprincipleairconditioningsystemissimple,mainlyisthebasicprincipleofcontrolcircuit.Whenwereallyusetheactualhardwarecircuitandadjustsoftwarecontrolfunctionaladjustments,it'sneedthecertaintime.
Thisdesignthroughvariousschemecomparison,chooseP80C31singlechipmicrocomputer,usesimplepowercircuit,theuseofdigitaltuberealize,accordingtoareceivingheadtemperatureforremotecontrolreceiving,installbuttoncircuit,relyonindoorandoutdoortemperaturesensor,applyforsingle-chipmicrocomputertemperaturesensingrelaycontrolindoorandoutdoormachineworkornot.Eachfunctionalmodulebasedonsinglecontacttogether,,andisnotonlymutuallyindependentassociation,butalsosupportedbysoftware.Eachpartisstrictlyconsideration,combinationandblockisthetwobigbasicideasofcircuitdesignsystem.Inthedesign,wefoundtheimportanceofthecomponentstochoice.Forexample,thechoiceofthetemperaturesensorDS18B20appearsveryreasonable,becauseitfitswiththerequirementsoftesttemperatureriseandalsoconvenient.Inaword,researchofusingP80C31singlechipmicrocomputerasthemasterofplatedesignremoteairconditioningsystem,whichhasthecertainofintelligence.Theairconditioningcontrolsystemcontrolcircuitissimple,easytocontrol,circuitisreliable,remotecontrolisconvenienttoreceive,andlowcost.
Intheprocessofdesign,focusingontheworkingprincipleoftheairconditionsystem,hascarriedonthedeepanalysisforeachcircuitmoduleofcontrolcircuit.Insoftwareprogramming,whichmainlygivesflowchart,atthesametime,andalsogivesthewholecorrespondingcircuitprogramcode.
keywords:
mastercontrol;Carnotprinciple;temperature;remote;electricrelay
第1章绪论
1.1课题背景
空调已进入千家万户，原理非常简单，即卡诺原理。
夏天致冷时，致冷机的压缩机将蒸发器中低温低压气体急速压缩，压缩后的高温高压气体通过冷凝器放热而凝结成液态，液态工作物质通过节流阀膨胀降压降温，进入蒸发器，工质从低温热源吸收热量，汽化，完成一次循环。
致冷机在循环过程中，外界对致冷机做功，系统从低温热源吸收热量，释放到高温热源。
当冬天来临时，室内温度高于室外温度，换向阀换向，液体流向方向相反，其余原理相同，室外热量间接传递给室内，室内温度升得更高。
众所周知，随着用电量的不断增加，能源不断消耗，节能也就显得更加重要。
然而，空调是大功率电器产品，怎样降低其耗电量，是厂家如何赢得消费者的因素之一，也是对社会作出一点贡献。
在整个空调领域，国内的技术跟国外优秀产品还有一定差距，但也早已实现自主生产，而且向着高性能、低耗电的方向发展[9]。
提高能耗比可以有两种途径。
其一是选择新的原材料，采用新的生产工艺。
但就改用高效能的压缩机就要增加上百元的成本，且材料的性能是有上限的，这就给其方法的实施带来了麻烦。
其二就是选择生产变频空调，我国自日本引进产品，就引起社会广泛关注。
变频空调就是一个省电的空调新产品[21]。
尽管其价格比普通空调贵三、四百，但许多厂家也在考虑是否生产。
其核心技术正在被大众化。
电子技术发展迅速，大规模集成电路集成度以每18个月集成度增加一倍、价格降低一半的速度，给人们的生活带来了翻天覆地的变化，单片机技术的出现给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命，其地位是不容置疑的[14]。
单片机因其良好的控制效果，很多民用公司都要用到。
我所学的是MCS-51系列的单片机，工作稳定、可靠、抗干扰能力强、运算精度高，在工业中有着很重要的地位[13]。
现在MCS-52系列也都有成品化产品了。
单片机事实上是一块很小的计算机，只是其主要应用于控制，且功能越来越强大[20]。
1.2设计任务
设计要求能控制室内机、室外机的制冷、制热工作，能接收遥控器控制，并能显示温度和工作状态。
在明确了设计任务，了解了空调的工作原理和单片机的重要性后，现在主要的任务是如何运用单片机设计空调系统，使其能够对环境进行温度控制。
第2章方案设计思想
2.1空调主控电路功能框图的确定
温度传感器采集空气温度，8051系列单片机接收传来的信号，输出给显示器显示，通过反馈比较采集的实际温度与设定值，驱动压缩机的加热或降温室内空气，从而模拟实现空调对环境温度的控制。
接收头接收遥控器的信号，达到遥控的目的。
那么具体应该如何来进行设计，得出最佳系统框图呢？
方案一
我国早在上世纪八十年代就将空调系统应用于医院CT室，首次实现了在国内以单片机为主控制装入空调系统。
这种设计方法是这样的。
采用信号检测方式。
目前普遍使用的测温度元件热电偶、热电阻或半导体敏感器件。
它们有着共同的弱点：
线性度差，必须进行线性处理；还要有A/D转换，因此，电路就显得复杂且又不可靠。
信号检测方式是集成检测芯片，具有了优越的测温性能。
该设计首次选用了单片机控制系统，与先进的检测方式结合，自动处理温度和工作模式，控制和驱动压缩机。
本控制的框图见图2.1所示。
图2.1方案一控制框图
方案二
该方案使用了遥控器的遥控作用，而且是红外线接收方式，其间涉及到遥控码的破译、信息的处理和分析，最后达到了可变脉冲调宽限长度的功能。
该方案以PIC16C74单片机为核心器件，由温度采样电路、电源电路、驱动电路、指示灯电路和红外接收电路。
温度采样电路的作用是用电压表示温度；电源电路是任何电路不可缺少的，提供所有的能量；驱动电路使用了步进电机，它驱动了转叶的转动；指示灯电路指示出当前的工作状态；红外接收电路采用红外线的方式感应遥控器发出的信号。
本控制的框图见图2.2所示。
图2.2方案二控制框图
方案三
选用专用单片机uPD75028GC为核心部件。
此单片机之所以称为专用单片机，是因为不但含有空调系统程序，而且有定时器、程序存储器、数据存储器等专用工具，还有输入、输出口等电路。
它可以处理计算各种数据，启动压缩机、风扇，控制制冷、制热和定时等多项任务。
整个系统由电源电路、稳压电路、接收电路、温度检测电路和显示电路等。
为了配合专用单片机的工作，程序要预先烧进单片机uPD75028GC。
所设计的电路还要与程序配套。
根据专用单片机的特点，可以设计出相应的空调控制电路，其框图如图2.3所示。
图2.3方案三控制框图
方案四
选择51系列单片机，具有温度检测、温度显示、遥控接收和风机控制等功能。
还有室外机，包括压缩机、风扇和换向阀等功能不作设计。
选择合适的温度传感器检测室内、外温度值，并用数码管显示出来；能够接收遥控器的遥控作用，控制室内、外机的工作。
核心仍然是单片机，由它为中心，展开各个功能电路，进行设计。
有的是单片机控制外部元件，有的是外部元件把信号传给单片机。
为了实现设计要求，就要深入地了解单片机，熟悉模拟电路。
综上所述，得出，空调主控电路主要有以下几个功能模块：
单片机，室内、外温度传感电路，遥控器电路，按钮电路，温度显示电路，继电器驱动电路，电源电路[12]。
系统原理图见图2.4所示：
图2.4空调控制电路系统框图
方案一
本设计使用了单片机控制，这也是所有设计的共同点，而且目前是必然选择。
控制系统包括信号检测、模拟开关、A/D转换、电平转换、驱动接口和电气驱动。
信号检测到的信息使得模拟开关动作，经模数转换，变为数字信号。
再经电平转换，传递给单片机。
单片机控制驱动电路，完成温度的改变。
优点：
本设计在技术上，使用了单片机，是控制作用的一次飞跃。
缺点：
使用的模拟开关和电平开关使得电路在开关上就显得复杂，再加上其它电路，就更为复杂性。
许多功能都未能实现，单片机的初步运用，当然，有待改进。
方案二
本设计首次使用了遥控器，具有遥控接收的功能，并且控制是平滑的。
电源供给能量；温度采样，传给单片机；重要的是，红外线发出信号，单片机接收到信号并交给CPU处理，决定是否驱动压缩机工作；如果得到工作信号，单片机通过控制电路，驱动压缩机工作，温度随着上升或下降；通信接口完成外界与单片机的互通信息；另外，显示电路显示温度值。
优点：
遥控器的使用是成功的，这也是本设计必须要求的，是控制作用的第二次飞跃。
缺点：
为了完成信息的交流，通信接口的使用同样增加了电路的复杂度。
温度采样电路是分立元件连接成的电路，采集温度显得不够可靠，且电路又复杂。
方案三
采用了高性能的专用单片机芯片uPD75028GC。
该控制系统框图由图2.3可知是最简单的，除了单片机外，就只有四个外围电路，它们分别是输入电路、显示电路、温度检测和制冷、制热控制。
温度检测到的信息传给单片机，输入电路也发信息给单片机。
单片机控制数码管显示出温度，驱动压缩机工作。
因为专用的单片机的性能高，所以其它电路都可以省略。
优点：
由于使用了专用的单片机，该控制系统具有环保、节能的优势，是一款绿色产品。
缺点：
也是由于专用单片机的使用，使得该控制系统产品，价格昂贵，对于一般的设计不应采用。
方案四
51系列单片机的使用，遥控接收电路的设计，室内、外温度的信号采集，数据管温度的显示，开关电路按钮的采用，压缩机的驱动，复杂度适中，使得整个空调控制系统显得比较合理、紧凑。
室外换向阀不必设计。
室内、外温度传递只需设计一个，两个是相似的。
优点：
控制电路简单，容易控制，电路可靠，遥控接收方便，造价低，是以上三个方案优点的综合。
结论：
经过比较，由于方案四的显著优点，最终选择方案四为本设计的功能框图。
2.2元件的选择
针对于单片机等电路的键盘接法分为矩阵式和独立式两种。
方案一
采用矩阵式键盘接法。
3*3的键盘结构通过上拉电阻接+5V。
键盘接口有很多功能，比如键扫描、键识别、产生键值、复按、并行和串行等。
按键数量多，可以使用该接法。
键盘由行、列唯一确定，位于行、列的交叉点上。
键盘的工作原理：
无键按下，行线与电源连接，属于高电平；有键按下，行线电平的高低由列线决定，行线与列线电平同高同低。
这就是识别是否有键按下的基本规则。
键盘多线共用，互相影响。
所以，行、列线要配合得好，决定行列的高低电平，决定按键是否闭合。
按键多，则编码的复杂度增加，所以，此接法不适合按键很小的键盘电路。
方案二
采用独立式按钮接法。
这种方式各键互相独立，一个按键一根线，各按键互不影响，独立操作。
要判断哪个键按下非常容易，配置灵活机动，相应的软件编程也很简单。
在键盘不多且按键速度要求不高的场合，一般采用此种接法。
独立按键直接与单片机的I/O口相连，所以通过I/O口判断哪个键按下。
结论：
由于空调系统键盘不多且按键速度要求不高，单片机的资源也够用，I/O口也有余，所以最终选择独立式按钮接法，即方案二。
显示器在一般电路中都要用到，显得非常重要。
数据管LED频繁用在单片机系统中。
显示方式分为静态显示和动态显示。
方案一
采用静态显示。
此种方法，LED显示器有共阳和共阴接法，连在一起，接电源或接地。
显示字符确定后，显示内容将不变，由对应的锁存器锁存，直到另一显示内容要显示，所以，显示亮度很高。
可直接用I/O口，这样要占用很多的接口。
也可采用移位寄存器，只需三个I/O口，即时钟、使能端、数据端，可满足大量的I/O口，解决了输入、输出口占用过多的问题，且静态显示的优点又没有失去，所以，如果是静态显示，一般用这种改进的静态显示。
方案二
采用动态显示。
51系列单片机RAM存储器中设置6个显示缓冲单元，存放显示器要显示的数据。
显示器不大于8位，控制器只需一个I/O口，要显示的数字和字母也只需一个I/O口。
虽然动态显示不够稳定，亮度不够高，但选择恰当的时间和电流参数，可以获得较亮、较稳定的显示效果。
51系列单片机使输入、输出口相应位的显示数据段某一位显示出一个字符，其它位为暗，轮流显示出字符[15]。
结论：
由于动态显示设计软件方法简单，而且对于空调系统的精度和显示效果都已满足了，所以，最终选择动态显示，即方案二，相应的程序也是针对动态显示而编写，具体程序见附录二。
开关控制量可以有单相晶闸管、双向可控硅和继电器。
方案一
采用单相晶闸管驱动电路。
晶闸管的工作原理可用双晶体管说明。
外电路向门极注入驱动，又有正向电压的作用，在正反馈下，电流迅速增大，晶闸管导通。
即使门极电流消失，由于已有足够的电流，晶闸管继续保持导通。
这也是晶闸管区别于二极管的地方。
但是，它也不能自动关闭。
若要关断，必须撤掉正向电压。
方案二
选择双向可控硅。
它由输入和输出两部分组成。
输入部分发出红外线，输出部分硅光敏双向可控硅在红外线的照射下，可双向导通。
它是电流驱动元件，抗干扰能力强，控制容易，驱动简单。
方案三
选择继电器为驱动电路。
继电器具有跳跃式输入输出的工作特点，分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、温度继电器、光电式继电器、电压式继电器。
这是按工作原理分的。
时间继电器可分为电磁式、电动机式、机械尼式和电子式等。
继电器驱动迅速，适用于大电流、大电压的场合。
结论：
虽然继电器反向电动势有电感的存在，开关触点也会对电源造成一定的影响，但是，这些都在允许的范围内。
继电器具有的良好性能是选择它的原因，即选择了方案三。
温度传感器有集成温度传感器和分立传感器，它们都是利用电阻的组合而制成的。
作为检测温度元件的电阻有热敏电阻和热电阻。
热敏电阻即半导体热电阻，热电阻即金属热电阻。
方案一
采用半导体电阻，即分立传感器来检测环境温度。
热敏电阻灵敏度很高，环境变化很小的温度，它都能感应得到。
它又可分为负温度系数和正温度系数。
负温度系数电阻随着温度的升高，电阻阻值反而下降。
正温度系数电阻正好相反。
作为分立传感器，它的灵敏度过高，测温范围受到限制，而可靠性、可重复性差，电路复杂，很难在单片机电路得到应用。
方案二
选择集成温度传感器。
DS18B20温度传感器是一款集成温度传感器，它的适用电压范围更宽，数字化，更经济，具有掉电保持功能，而且更便于设计。
结论：
由于DS18B20温度传感器的优点，选择它为测温传感器，即选择方案二。
第3章硬件电路模块设计
3.1单片机的选择
空调控制器的核心器件是单片机，本设计选用8051系列单片机。
8051系列其中由美国ATNEL公司生产的，是目前高性能、低功耗的单片机[10]。
8051是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的CMOS8位微处理器。
该器件是公司生产的具有非易失性、高性能存储技术的单片机，只读存储器可以反复擦除1000次左右。
工业标准的MCS-51指令集和输出管脚与它相兼容[11]。
8051具有内部RAM、Flash闪速存储器、中断、计数器、全双工通信口及I/O端口等功能接口。
由于将以上众多功能的8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，8051是一种高效单片机，选择它，是因为它物价廉美,很实用。
运算器：
进行逻辑和算术运算，操作结果的信息送至状态寄存器，并处理位操作。
程序计数器PC：
存放指令地址。
定时：
分内部和外部方式时钟产生电路。
存储器：
分程序存储器和数据存储器，空间是相互独立的，物理结构也不相同。
即只读存储器ROM和随机存储器RAM。
存储器采用与统一方式编址[17]。
RST：
复位控制输入，当振荡器运行时，此引脚出现两个机器周期的高电平，使单片机复位。
ALE/
：
允许地址锁存输出/编程脉冲输入。
在Flash编程期间，用于输入编程脉冲。
正常状态，此引脚可用于定时，频率为振荡器频率的1/5。
Movc指令对于ALE只有其在执行Movx时才有效。
禁止ALE，可在相应地址上置0；引脚拉高时，ALE禁止则置位无效。
P0口：
能够用于外部程序数据存储器，被定义为第八位。
低8位地址与数据线分时使用P0口。
每脚可吸收8TTL门电流。
当FLASH进行校验时，P0口输出原码，外部必须被拉高。
P1口：
每一位都能作为可编程的输入或输出线，是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，接收输出4TTL门电流。
由于内部上拉的缘故，P1口管脚写1，被上拉为高，可作输入，下拉0，输出电流。
P2口：
一般只作为地址总线，而不作为I/O线直接与外设连接，输出4TTL门电流，写1，上拉为高，作为输入。
同理，写0，拉低，输出电流。
有FLASH编程时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
双功能口，接收4TTL门电流。
第一功能同P1口，第二功能时每一引脚有特定含义。
串行输入口、输出口，外部中断0输入线，外部中断1输入线，定时器0外部输入，定时器1外部输入，外部数据存储器写、读选通信号输出[16]。
现在，家庭拥有越来越多的电器，电磁干扰自然也越来越严重。
对于空调来讲，要消除其它电器干扰源，当然是行不通的。
另外，晶体振荡器产生辐射干扰，有可能产生共振，影响很大；PCB板集成了大量的元器件，还连接了许多导线和电源线，但是，它一旦制成，便固定在空调器，不能改动。
所以可以采用增加电容，以达到滤波的目的[4]。
由此得出，不论是PCB板的合理布局，还是减弱电磁耦合，都归结为加强空调的抗干扰设计，才是解决问题的关键所在。
本设计采用MCS-51系列的P80C31单片机，因为P80C31单片机应用广泛，性能稳定，抗干扰能力强，性价比高。
单片机控制时，应当采用低频，提高电压。
电源设计是抗干扰设计最为重要的，单片机加上滤波电路和稳压器，就可以大大减少电源噪声干扰。
在设计完成之后，我们还要对成品进行检测，看看各项指标是否符合国家标准要求。
抗干扰技术在快速地进一步完善，无论是硬件，还是后面提到的软件，都要时时在改进之中，才能有所发展。
本设计所用单片机如图3.1所示。
图3.1P80C31单片机
3.2温度传感电路
温度传感器除了热电阻、热电偶和热敏电阻之外，可以选择集成元器件，DS18B20温度传感器就是比较合适的元器件。
DS18B20温度传感器是一种新的传感器，接收温度信号，并直接传给单片机的I/O口P1.0，并与已经维持的温度比较、分析，再决定动作与否。
单片机反复接收，组成检测系统。
如图3.2，DS18B20采用外部电源供电方式，I/O端口与P1.0相连。
七段数码管显示器显示检测到的温度信号。
图3.2温度传感器电路
传感器是一种以一定精确度把被测量转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量，主要是电量的测量装置。
传感器的静态特性：
线性度、灵敏度、迟滞和重复性。
传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间的线性程度，其曲线可由实际测量测得，相关系数越接近1越好；灵敏度反应了传感器输出量对输入量的反应能力，其值越大越好；迟滞一定存在，也要由实验测得；重复性指不同时间检测所得效果不同程度，显然，越相同越好。
传感器的动态特性反映输出值真实再现变化着的输入的能力，即输出对变化输入的响应特性。
传感器种类很多，其标定分为静态标定和动态标定。
静态标定要对各种静态特性按一定的步骤进行测试并对测试的结果处理。
动态标定主要考查相关参数：
时间常数、频率和阻尼比等[18]。
温度反映了物体的冷热程度，是一个重要的物理量，因此，温度传感器就显得非常重要。
温度传
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