【毕业论文】基于单片机空调温度控制器设计

基于单片机的空调温度控制器 设计 of 院： 信息科学与工程 专 业 班 级： 测控技术与仪器 1003 班 学 号： 100401316 学 生 姓 名： 刘 和 平 指 导 教 师： 颜 华 （教授 ） 2014 年 6 月 密级： 公开 摘 要 随着经济的发展和人们生活水平的提高，空调机受到 了 广泛 的 应用。空 调机的 温 度控制器主要是由温度传感器感受室内温度变化，将 采集到的温度信 号处理后与设定的温度值进行比较 ，控制继电器的通断，使温度被控制在设定值左右，使空调器的工作状态随着人们要求和环境状态而自动变化，迅速准确的达到人们的要求，并使空调器的工作状态保持在 最合理的状态下。在工农业生产、科学研究和在人们的生活领域中， 温度测控系统 占有很重要 的 地位， 得到了广泛 的 应用。因此，温度传感器的应用数量居各种传感器之首。目前，温度传感器正从模拟式向数字集成式方向飞速发展。 本文主要从硬件和软件两方面介绍了单片机温度控制系统的设计。该系统以片机为核心，主要由温度检测电路、按键与显示电路、继电器控制电路等构成。在本系统中，主要是同过 集被测温度并转换成数字信号送单片机，以单片机为核心数据处理系统，通过两位数码管 ， 显示设定温度，通过继电器来控制压缩机、四通阀从而控制空调制冷或制热。本 论文概述了温控器的发展及基本原理，介绍了温度传感器的原理及特性， 分析了 度传感器的优劣。在此基础上描述了系统研制的理论基础，对测温系统的一些主要参数进行了讨论。同时在介绍温度控制系统功能的基础上，提出了系统的总体构成 。针对测温系统温度采集、接收、处理、显示部分的总体设计方案进行了论证，进一步介绍了单片机在系统中的应用，分析了系统各部分的硬件及软件实现。 关键词： 片机；温度控制；空调 of of s of is of to to is in of to of is in a In in s a of of of At to of of by In a to as is by to or of of of of on of of of of of a is on of of CM in of 目 录 摘 要 . I . 1 章 绪论 . 1 题研究目的 . 1 题研究意义 . 1 第 2 章 系统总体方案设计 . 3 度传感器产品分类与选择 . 3 用的测温方法 . 3 度传感器产品分类 . 3 度传感器的选择 . 5 体方案的确定 . 6 统实现框图 . 7 第 3 章 系统单元电路设计 . 8 统相关硬件及模块介绍 . 8 度采集电路 . 8 绍 . 9 钟电路 . 11 位电路 . 11 度显示电路 . 12 键功能设置电路 . 13 电器驱动电路 . 14 电器控制电路 . 14 缩机、四通阀 . 15 动机电路 . 15 第 4 章 系统软件设计 . 17 . 17 制接口时序说明 . 19 软件程序设计 . 20 程序模块流程 图 . 21 温程序及流程图 . 22 键扫描程序及流程图 . 25 . 26 件 . 26 序调试过程中遇到的问题及解决办法 . 27 第 5 章 结论 . 28 参 考 文 献 . 29 致 谢 . 31 附录 1 系统硬件电路图 . 32 附录 2 系统软件程序 . 错误 !未定义书签。 第 1 章 绪论 题研究目的 利用单片机设计一 个 具有制冷和制热两种工作模式的空调温度控制器。该控制器能够实时检测并显示室温，能利用键盘设定温度、风速和工作模式，并根据设定的温度、当前温度和工作模式，使压缩机处于制热、制冷或暂停工作状态。 题研究意义 现代信息技术的三大基础是信息采集控制 (即温度控制器技术 )、信息传输(通信技术 )和信息处理 (计 算机技术 )。温度控制器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度控制器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量日渐上升 。 温度检测并控制是科研和实际生产生活中经常用到的一类控制系统，为保障生产的安全进行，提高生产的质量和数量，降低工人的劳动强度，节省人力，能源等，以及伴随人们生活品质的提高，对舒适的生活环境的需求，常常要实现温度的自动控制。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到迅速发展和广泛运用。进入 21世纪后，温度控制器正朝着高精度、总线标准化、高可靠性以及安全性、研制单片机测温控 温系统等高科技的方向迅速发展。 空调也就是空气调节器，是一种用于给空间区域提供处理空气的机组。它的功能是对该房间或一定区域内空气的温度、湿度、洁净度和空气流速等参数进行调节，以满足人体舒适或工艺过程的要求 1。它使得人们的生活环境更加舒适，也满足了工艺加工过程对精度的要求。 而空调温度控制系统是空调的核心。 目前空调 机 已经广泛地应用于生产、生活中。 而此类家电越来越趋于轻巧型。 单片机具有集成度高、通用性好、功能强，特别是体积小，重量轻，功耗低，可靠性高 ,抗干扰能力强和使用方便等特点 2。自从单片机诞生以后，它 就步入人类生活， 广泛应用于各种家电产品和工业控制系统中，在温度控制领域的应用也十分广泛。 基于单片机的空调温度控制系统，控制简单方便，测量范围更广，精度更高，提高了智能化的程度，增加了功能，备受人们喜欢 3。 随着能源的日趋减少，大气污染愈加严重，节能已是一个不容忽视的问题。众所周知，空调正朝着节能、舒适、静噪于一体的方向发展。 鉴于这些方面的综合考虑，设计一种可以实现温度自动控制的空调机，将会在节能方面有新的突破，也必将会取代传统的靠人工实现的温度控制的空调机。 通过巧妙的设计和安装可实现美观典雅和舒适卫 生的和谐统一，是国际和国内的发展潮流。可以预料，下 个 世纪的 节能 空调将会以更快的步伐向前发展。 其应用的范围将极为广阔，极大地方便了人们的工作和生活 ，可以说节能空调 将是未来一种新的发展趋势。 第 2 章 系统总体方案设计 度传感器产品分类与选择 温度是日常生活中经常遇到的一个物理量，它也是科研和生产中最常见、最基本的常量之一。在很多场合都需要对温度进行测控，而温度测控离不开温度传感器，因此，掌握正确的测温方法及温度传感器的使用方法极为重要。 用的测温方法 物体受热后温度就要升高，任何两个 温度不同的物体相接触都必然产生热交换，直到两者的温度达到平衡为止。据此，可以选择某种温度传感器与被测物体接触进行温度测量，这种方法称为接触式测温。接触式测温常用于较低温度的测量。 此外，物体受热后温度升高的同时还伴有热辐射，因此，可利用温度传感器接收被测物体在不同温度下辐射能量的不同来测量温度，这种测温方法称为非接触式测温。非接触式测温常用于高温测量。 度传感器产品分类 目前，温度传感器没有统一分类方法。按输出量分类有模拟式温度传感器和数字式温度传感器。按测温方式分类有接触式温度传感器和非接 触式温度传感器。按类型分类有分立式温度传感器、模拟集成式温度传感器和智能温度传感器（数字温度传感器） 4。 模拟式温度传感器输出的是随温度变化的模拟量信号。其特点是输出响应速度较快和 处理器）接口较复杂。数字式温度传感器输出的是随温度变化的数字量，同模拟输出相比，它输出响应较慢，但容易与 口。下面对工程中常用的温度传感器做简单介绍。 （ 1） 热敏电阻式温度传感器 电阻式温度传感器分为热电阻式温度传感器和热敏电阻温度传感器，他们的特点是自身的电阻值随温度而变化。 热敏电阻式利用半导体材料制成的 敏感组件，通常所用的热敏电阻温度传感器都是具有负温度系数的热敏电阻，它的电阻率受温度的影响很大，而且随温度的升高而减少，简称 优点是灵敏度高，体积小 ，寿命长，工作稳定，易于实现远距离；缺点是互换性差，非线性严重； （ 2） 热电阻式温度传感器 利用热电阻温度系数随温度变化的特性而制成的温度传感器。称为热电阻温度传感器。对于大多数金属导体，其电阻值都具有随温度升高而增大的特性。由于纯金属的温度系数比合金的高，因此 均采用纯金属作为热电阻组件。常用的金属导体材料有铂、铜、铁和镍； （ 3） 热电偶式温 度传感器 热电偶是一种传统的温度传感器，其测温范围一般为 +1600，最高可达 +2800，并且有较高的测量精度。另外，热电偶产品已实现标准化、系列化，使用时易于选择，可方便地用计算机做线性补偿，因此，至今在测温领域内仍被广泛使用。它的理论基础是建立在热电效应上，将热能转化为电能。 （ 4） 模拟集成温度传感器 集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成传感器。模拟集成温度传感器是在 20 世纪 80 年代问世的。它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专 用 属于最简单的一种集成温度传感器。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准。外围电路简单，它是目前在国内外应用较为普遍的一种集成传感器。 （ 5） 智能温度传感器 智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在 20 世纪 90 年代中期问世的。智能温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶，它 也是集成温度传感器领域中最具活力和发展前途的一种新产品。目前， 许多著名的集成电路生产 商 已开发出上 百种智能温度传感器产品 【 5】 。 智能温度传感器具有以下三个显著特点：第一，能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（ 第二，能以最简方式构成高性价比、多功能的智能化温度测控系统；第三，它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。 智能温度传感器内部都包含温度传感器、 A/D 传感器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路控制器、中央控制器（ 随机存取储存器（ 只读存储器（ 度传感器的选择 在介绍温度传感器的选择 原则之前，首先介绍在测控系统中选择传感器的总原则，本原则适用于各种传感器的选择 【 6】 。 1、选择传感器的总原则 现代传感器在原理和结构上千差万别，如何根据具体的测控目的、测控对象以及测控环境合理地选择传感器，是单片机测控系统首先要解决的问题 。当传感器选定之后，与之相配套的测控电路也就可以确定了。测控结果的成败，在很大程度取决于传感器的选择是否合理。作为单片机测控系统前向通道的关键部件，在选择传感器时应考虑一下几个方面： （ 1）根据测控对象与测控环境确定传感器的类型 首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： 1）传感器的量程； 2）被测位置对传感器体积的要求； 3）测量方式为接触式还是非接触式； 4）传感器信号的引出是有线还是无线； 5）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。 （ 2）灵敏度的选择 通常情况下，在传感器的线性范围内，希望传感器 的灵敏度越高越好。 （ 3）频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，传感器的频率响应好，可测的信号频率范围就宽，传感器的输出信号必须在允许的频率范围内保持不失真，实际上传感器的响应总有一定得延迟，希望延迟时间越短越好。 （ 4）线性范围 传感器的线形范围是指输出信号与输入量成正比的范围。从理论上讲，在此范围内灵敏度应保持定值。传感器的线性范围越宽，其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定之后首先要看其量程是否满足要求。 （ 5）稳定性 传感器使用一段时间 后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。 （ 6）精度的选择 精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测控系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要能满足整个测控系统的精度要求就可以了，不必选得太高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。 2、温度传感器的选择 温度传感器技术被广泛应用于消费类电子 产品、玩具、家用电子产品、工业测控系统以及个人计算机应用中。传统上分立式温度传感器是最常用的温度传感器元件，而集成温度传感器特点是测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单，它是目前在国内外应用最为普遍的一种温度传感器。 综上所述，不同的传感器具有不同的应用场合，由于在温度测控系统中，传感器是前向通道的关键部件，因此选择合适的传感器是非常重要的。选择的原则要考虑温度范围、温控精度、测温场合、价格等几方面的因素 【 7】 。 体方案 的确定 考虑到该控制系统功能比较少，由单片机控制即可实现。而 89片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好 ,故本系统选择采用 89 在温度采集方面， 采用单线数字温度传感器 行数据采集。到 12位温度读数，指示器件的温度信息经过单线接口送入 出，因此从中央处理器到 需连接一条线和地，读写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，甚至不需要外部电源。而总体方案和系统电路图方面基本 上和热敏式传感器相同，只在数据采集方面有所差别 8。 在上面也已经提及，热敏电阻式温度传感器互换性差，非线性严重。而数字温度传感器 线简单，数字输出量能直接作为单片机的输入数据， 同时考虑到只是在普通环境下测量，无论在灵敏度、线性范围、稳定性，还是在精度方面， 强大功能已足够满足设计需要。但是 有缺点，就是软件实施方面比较复杂，但相对于模拟量输出的硬件实现方面来说会简单很多。在本次设计中，温度数据采集用到的传感器是 统实现框图 图 2片机控制温度调节系统结构图 时钟电路 复位电路 按键电路 码管显示电路 继电器控制电路 第 3 章 系统单元电路设计 统相关硬件及模块介绍 度采集电路 本系统中 采集温度使用的是 9。 导体公司生产的世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。与之前的传感器相比， 积更小、适用电压更宽、更经济。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。 一线总线”数字化温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度范围为 +125，在 85范围内 ,精度为 现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持 3V 到 电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。 以程序设定 9到 12位的分辨率，精度为 当分辨率为 12位时，转换时间为 750得用户可选择更小的封装方式，更宽的电压适用范围和分辨率设定，同时用户设定的报警 温度存储在 电后依然保存 10。 般为三极管型封装，其引脚图如图 3示。这三个引脚分别为： 电源地； 数字信号输入 /输出端 ； 外接供电电源（可选 5V）。 图 3脚图 在该系统中， 数字信号输入 /输出端连接到 89 ，作为单片机的数据输入 11。 绍 信号处理与控制采用 列单片机是宏晶科技生产的 单时钟 /机器周期的单片机，是高速 /低功耗 /超强干扰的新一代 8051单片机，指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 8部集成 4路 路高速 10位 A/ 转换 ,针对电机控制，强干扰场合 【 12】 。 列单片机是宏晶科技生产的单时钟 /机器周期 (1T)的单片机，是高速 /低功耗 /超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快 8。内部集成 用复位电路 ,4 路 路高速 10位 A/针对电机控制 ,强干扰场 合。 型 80511T，单时钟 /机器周期，指令代码完全兼容传统 8051。 0 35当于普通 8051 的 0 4200K/28K/24K/20K/16K/12K/8K/4K 字节 68字节 6. 通用 I/位后为 :准双向口 /弱 上拉（普通 8051传统 I/设置成四种模式：准双向口 /弱 上拉， 强 推挽 /强 上拉，仅为输入 /高阻 ，开漏 每个I/0整个芯片最大 不要超过 55系统可编程） /应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（ 接下载用户程序，数秒即可完成 一 片 用复位电路（外部晶体 20省外部复位电路） 。 部高精度晶体 /时钟，内部 R/C 振荡器用户在下载用户程序时，可选择是使用内部 R/C 振荡器还是外部晶体 /时钟常温下内部 R/C 振荡器频率为 ： 度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有 制造误差和温漂，以实际测试为准 。 个 16 位定时器两个与传统 8051 兼容的定时器 /计数器 ,16 位定时器 1，没有定时器 2， 个 16位定时器 。 时钟输出口，可由 溢出在 出时钟，可由 溢出在 路 ,下降沿中断或低电平触发中断 ,下降沿中断， 由外部中断唤醒。 15. 路 )/编程计数器阵列 ,4路） 可用来当 4 路 D/可 用来再实现 4个定时器 可用来再实现 4 个外部中断 (上升沿中断 /下降沿中断均可分别或同时支持 )。 转换 ,10位精度 共 8路 由于 列是高速的 8051，也可再用定时器软件实现，也可再用定时器软件实现多串口 。 模式 /从模式 。 此电路以单片机为核心，单片机的具体引脚图如图 3 图 3脚图 钟电路 在该系统中，要使单片机实现信号处理与控制，则要使单片机的 14 脚（ 地， 28脚（ 正 56、 7脚（ 12成片内振荡电路，为单片机提供时钟脉冲。 3脚（ 按键复位电路，提供复位信号给单片机 13。 片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为 出端为 端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。两个电容通常取 5定频率并对震荡频率有微调作用 【 14】 。如图 3图 3钟电路 位电路 单片机 复位是使 系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态 , 并从这个状态开始工作。 其主要功能是： 把程序计数器 初始化，使单片机从 0000H 单元开始执行程序。 当程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，也需要复位来重新启动单片机。 89 系列单片机的复位信号是从 脚输人到芯片的施密特触发器中的 若 电平有效且有效地时间为 24 个振荡周期即两个机器周期则 并且复位 【 15】 。 复位又分为：上电复位、手动复位 a)上电自动复位是通过外部复位电路电容充电实现的。只要电源的上电时间不超过 1可实现自动上电复位，所以接通电源就完成了系统的复位初始化。 b)按键手动复位分为电平方式和脉冲方式。 复位电路作用非常重要。一个单片机系统能否复正常运行，首先要确保是否能成功复位。 本次设计中，我采用了按键电平复位方式的复位电路 。如图 3 图 3位电路 度显示电路 本系统中，温度显示硬件由两片 16】 。 电路图如图 3 共阳极数码管中 8 个发光二极管的阳极（二极管正端）连接一起 ,即为共阳极接法，简称共阳数码管。通常 ,公共阳极接高电平（一 般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输入端为低电平时，该端所连接的字段导通并点亮。根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。 图 3码管显示电路 键功能设置电路 温度调节由四个不锁按键电路实现。电路图如图 3示。按键 端与单片机的 21脚（ 相连，另一端接地。其功能是当按键按下一次时，给单片机一个低电平，进入风速设定状态；按键 0脚（ 连，另一端接地。其功能是当按键按下一次时，给单片机一个低电平，进入制冷或制热模式的选择。按键 端接地，另一端与单片机的 19 脚、18脚相连，其功能是每按下一次按键，温度设定值加 1或减 1。 图 3键电路 电器驱动电路 在自动化密集的场合会有很多被控元件如继电器，微型电机，风机，电磁阀等元件及设备，这些设备常由 集中控制，由于控制系统不能直接驱动被控元件，这就需要由功率电路来扩展输出电流以满足被控元件的电流，电压。 列 ,由七个硅 是一个7 路反相器电路 。 该电路的特点如下 : 基极电阻 ,在 5V 的工作电压下它能与 路 直接相连 ,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点 ,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。 图 3电器控制电路 继电器控制电路由五个 直流电磁 继电器构成，由单片机 过 1， 4， 继电器是一种电控制 器件 。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制 电路 中，它实际上是用小电流去控制大电