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河 北 工 业 大 学 计算机测控技术课程作业 学院：信息工程学院 专业：通信与信息系统 班级：SJ1126 姓名：刘 帅 民 学号：201120195005 日期：2012年6月20日 基于单片机控制空调控制系统设计摘要：将现代计算机测控技术和虚拟仪器技术应用于制冷空调设备性能测试领域，不仅可以充分发挥计算机测控技术与虚拟仪器技术开发效率高、配置灵活、兼容性强和可重用度高的特点，而且可以实现不同种类制冷空调设备的在线性能测控、数据采集、数据处理，并且通过TCP/IP协议可以实现测控数据的远程共享和用户对测控系统的远程操控。本文首先介绍一下空调控制系统的总体设计，然后描述硬件的设计，最后介绍了软件系统的设计程序。关键词：计算机测控技术;空调控制系统;数据采集;远程操控Abstract:Modern computer monitoring and control technology and virtual instrument technology can be used in the field of refrigeration and air conditioning equipment performance testing,that not only give full play to the computer and control technology and virtual instrument technology and high efficiency,flexible configuration,compatibility and reusable high,and different types of refrigeration and air conditioning equipment on-line performance monitoring and control,data acquisition,data processing,but also from TCP / IP protocol can achieve remote control of remote monitoring and control of data sharing and monitoring system.This paper first describes the overall design of the air conditioning control system,and then describe the hardware design,the final software system design process.Keywords:Computer measurement and control technology; air-conditioning control system; data acquisition; remote control1 引言随着国民经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，大量各种类型的制冷空调设备得到广泛的应用与普及。制冷空调设备性能测试也伴随着计算机技术的发展，由计算机测控逐步取代了传统的手动式操作测试，并向着计算机测控的自动化、智能化、网络化的方向发展1。由于制冷空调设备性能在线自动化测控系统的开发与设计往往是针对生产线产品质量的控制与检测，因此具有开发周期长、成本高、灵活性差、测试时间长、兼容性和扩展性弱的缺陷，无法适应对制冷空调设备性能进行广泛的、有效的、快速的自动化测试需要2。通过虚拟仪器应用软件将计算机与虚拟仪器硬件连接在一起，不仅可以实现传统测控系统的标准化、软件化与模块化，达到自动测试与分析的目的，而且可以满足一般测试系统无法实现的异地测试要求。利用虚拟仪器提供的图形化界面操作，用户能够顺利的完成被测对象的信号调理，过程控制，数据采集，数据显示，数据分析、数据打印、数据存储，数据传输，故障诊断，网络通信等功能。同时由于采用了虚拟仪器的标准化接口，测试系统的兼容性和可扩展性也可以得到很大程度的提高，此外，虚拟仪器技术的灵活性强和可重用度高，可以使用户的测试系统规模最小化，实现异地测试，且易于升级与维护，用户可以使用现有的硬件与仪表组成另一套测试系统，这样不仅可以大大缩短系统的开发周期，而且可以减少不必要的重复投资，降低系统的开发成本。2 总体方案设计2.1 系统基本方案 空调控制系统可划分为七大部分：系统控制部分、室内温度采集部分、键盘控制部分、温度显示部分、压缩机控制部分、四通阈控制部分、风机控制部分3。各模块电路的框图如图所示。2.2 方案论证系统CPU根据按键输入的命令,对采集和设置的温度进行智能判断,然后作出相应的制冷、制热运行,再通过接口电路,驱动压缩机、换向阀和室内外风机作相应动作,并对温度进行显示。方案：采用AT89S51单片机作为控制器。AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能的COMS 8位单片机，片内含4k bytes 的可系统编程Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚，它集Flash 程序存储器即可在线编程也可以用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片机芯片中，ATMEL公司的功能强大，体积小、价格低廉、技术成熟等优点的AT89S51单片机可以提供许多高性价比的场合，因此广泛应用于各个领域4。基上述综合了各方面因素，最后选择了AT89S51。3 硬件电路设计3.1 手控型空调控制器的功能：1）空调控制器应具有制冷、制热、通风和自动运行四种工作模式。a 制冷：室内风机、压缩机及室外风机工作，而四通换向阀停止工作。b 制热：室内风机、压缩机、室外风机和四通换向阀均工作。c 通风：室内风机工作，而压缩机、室外风机和四通换向阀均不工作。d 自动运行：能根据当前室内温度和自动运行的设定温度，自动选择制冷、制热或通风工作模式。e 每按一下工作模式选择键时，工作模式按图3所示箭头方向依此变换：自动制冷制热通风 图3工作模式选择 2）能对温度进行设定和控制： a 制冷时温度调节范围为：2032。当室内温度高于设定温度1时,开始制冷；而当室内温度降到设定温度时，则转为通风状态。b 制热时温度调节范围为：1430。当室内温度低于设定温度1时,开始制热；而当室内温度升到设定温度时，则转为通风状态。c 通风时温度设置栏显示“ 一 一 ”，并且温度设置键无效。d 自动运行温度调节范围为：25、27、29。若室内温度低于设定温度5时,自动按制热工作模式运行；若室内温度高于设定温度时，则按制冷模式运行；否则按通风模式运行。e 温度设定键每按一下，则温度上升或下降1（在设定范围内）。f 控温精度为13）室内风机具有高、中、低三档风速和自动风控制功能。每按一下风速选择键时，风速模式按图4所示的箭头方向依此变换：自动高速低速中速图4 风速模式选择其中自动风与工作模式及温度有关：a 制冷时，当室内温度高于设定温度5时，为高速风； 当室内温度高于设定温度25时，为中速风； 当室内温度不高于设定温度2时，为低速风；b 制热时，当室内温度低于设定温度5时，为高速风； 当室内温度低于设定温度25时，为中速风； 当室内温度不低于设定温度2时，为低速风；c 通风时，当室内温度高于25时，为高速风； 当室内温度介于2025时，为中速风； 当室内温度低于设定温度20时，为低速风；4）具有压缩机三分钟自动保护功能。由于家用空调器所使用的压缩机大多为电容启动运行电动机，带载启动能力较差，因此无论在制冷运行还是在制热运行时，当压缩机停止工作后，必须在三分钟后才允许重新启动。3.2 电路设计、制作的功能和要求： 1）用6只共阴极的八段数码管来分别显示工作模式、风速状态、设定温度和室内温度。为了统一起见，对6只八段数码管的具体排列和工作状态的显示符号作如下规定5： 室内温度 设定温度 风速状态：低速档用“ ”表示 中速档用“ ”表示 高速档用“ ”表示 自动档用“ ”表示 工作模式：制冷模式用“L”表示 制热模式用“H”表示 通风模式用“F”表示 自动模式用“ ”表示 2）用5只按钮来分别作为启动/关闭键、工作模式键、风速选择键、温度设定上升键和下降键。（此外还有1只系统复位按钮，共6只） 3）上电后，自动显示自动工作模式、自动风速档、设定温度27和实际室内温度，这时用户可以对工作模式、风速档、设定温度进行设定，但只有在按下启动/关闭键后，空调器才正式开始运行；在空调器运行期间，若 对上述状态进行设定，则空调器马上开始执行。若关机后（非断电）重新启动空调器，则空调器自动进入上次关机前的设定状态。 4）用6只LED发光二极管来分别表示室内风速的高、中、低三档，压缩机、室外风机和四通换向阀，所有发光二极管均要求用2003达林顿管或三极管放大驱动。 5）温度传感器采用AT502热敏电阻。3.3 硬件设计思想1）根据需求可知，该系统需要人机界面（按键输入7段码LED显示），AD采样，以及单片机控制部分等模块，并且可以得到以下硬件系统框图6-7：2）各部分硬件的设计a.温度传感器选择 根据要求我们选择了AT502作为温度传感器，根据电阻分压（如下图左），实现由温度到电压值的转换，因为AT502的温度系数比较大，经计算当温度变化范围是0-99度时，IN0口的电压范围是0.643.6伏，所以就可以不用运放，直接送到AD采样的输入端进行AD采样。 b.AD芯片的选择 因为温度变化范围是0-99度，理论上AD位数只要7位（128级）就够了，所以系统采用了经典的ADC0809（8位AD）作为AD采样芯片。 温度的计算公式：V=5*Rt/(R+R1+Rt) c.按键输入： 因为按键数目不多，所以系统直接采用非编码方式，直接连接单片机I/O口。d.显示部分：系统采用74HC573和ULN2003作为驱动，P0和P2作为输出口，控制动态显示的LED显示器。 e.输出控制 任务要求用6只LED发光二极管来分别表示室内风速的高、中、低三档，压缩机、室外风机和四通换向阀，51单片机的低电平驱动能力较强，LED可以直接连接单片机的I/O口。4 软件设计4.1工作模式和风扇模式设计思想：工作模式温度范围压缩机室外风扇四通换向阀风扇速度制冷（m1）2030工作工作不工作室温高于设定温度5度高速室温高于设定温度25度中速室温高于设定温度25度高速室温2025度中速室温5高速室温低于设定温度25中速室温低于设定温度2低速 根据上表，我们列出一系列子程序，再根据当前状况选择相应的子程序。例如在制冷模式时，我们的子程序是8-9 ：void work_csub() /制冷子程序if(compressor_delay=0&compressor_on=1) compressor_on=0; compressor_delay=compressor_delay_s; else /灰色部分是实现压缩机保护功能的 if(compressor_delay!=0&compressor_on=1) compressor_block=1; /3 min protect ext_room_fan =0; /开室外风机 valve =1; /关换向阀 work_mode_fact=1; /设实际工作模式为1（制冷） 4.2 压缩机三分钟保护功能的实现 压缩机三分钟保护功能相对而言是程序中相对较难的的部分，在编程前提出过多种实现方案，最后确定了以下的设计方案： 设置一个全局变量 compressor_delay，在定时子程序的1秒定时中，发现如果变量compressor_delay 0就减一，而在压缩机需要工作时，先判断compressor_delay是否为“0” 如果为0，则执行压缩机打开动作，否则compressor_block置1，主程序发现compressor_block置位了，并且三分钟时间已经到了，就执行压缩机打开子程序。 相关程序流程图10如下：为了能够在关机的时候能够自动关闭LED显示，用了类似于压缩机3分钟保护功能的处理方法，实现了当系统处于关机状态并且无按键持续7秒钟（可设）时，LED显示会自动关闭。4.3 系统程序流程图 根据上述拟采用一下流程图11：参考文献:1林敏.计算机控制技术及工程应用（第2版）.北京:国防工业出版社,2010.62陈亚俊.暖通空调.北京:中国建筑工业出版社,2001.3刘卫华等.制冷空调新技术及进展.北京:机械工业出版社,20054潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术.北京:北京电子工业出版社,200