【《基于单片机的智能空调系统设计和实现》8600字】

基于单片机的智能空调系统设计和实现目录TOC\o"1-2"\h\u35471绪论 摘要：20世纪90年代以来，我国的整体经济由于全球化、现代化发展使我国国民整体生活质量有所提高，同时国民经济快速发展，同时国民物质需求加大，对于生活水平要求越来越高。为了满足人民的生活品质需求，本文设计了一种基于单片机技术、传感器技术、Wi-Fi技术等现代科技技术的简易智能空调系统。整个系统分为硬件和软件两部分。其中，以STC89C52为主要器件，DHT11为主要器件。软件方面主要由温湿度编程，WiFi通讯编程，屏幕编程，按键编程等组成。本软件采用C语言设计，实现了温度、湿度测量、空调控制、按键操作、Wi-Fi连接、显示、报警等功能。在温度、湿度等参数达到一定范围后，采用传感器对温度、湿度进行实时监测。当温度、湿度测量结果超出设定阈值时，报警系统会自动报警，同时按下按钮调整数值到达合适的区间，以此来消除警告。该系统采用单片机作为操作芯片，具有功耗低、性能高、稳定性强、整体成本低等特点，以此深受该领域的企业喜爱。关键词：单片机；空调控制；传感器；WIFI通信1绪论1.1研究背景传统的家居产品，在满足居住环境的舒适性、便利性、安全性等基本需求的同时，其基本的功能还不足以引起年轻人的注意，而室内温度、湿度、亮度的人工控制、自动调整、门禁、门窗的安防、监控，都将是未来智能家居的主要应用。所以，在信息化的时代，开发智能化的报警系统是一项高技术的要求。从2000年起，随着智能产品的引入，就形成了今天的智能家庭。随着智能家居的发展，各大厂商纷纷推出了各种功能齐全的智能家居，随着信息化的普及和信息的对称，智能家居产品逐渐走向低价格、高性能、质量趋势。人们想要更好的生活质量，这一点要求往往体现在家庭的电气设备、房屋装修、家用电器、通讯设备和其他安全设施等方面可以体现而出。随着现代网络通信等信息和电子技术的迅速发展，我国现代人民的家庭变得越来越智能化。人们也更加期待更加智能化的家用电器。同时，人们可以远程实时监控智能家居环境和附近的安全状态，体验智能家居下的生活和工作是如何的便利以及安全。该项目还设计了一套智能空调的温控系统，利用现代网络交互技术，将自动化与传感器相结合，打造一个基于现代智能家居信息的平台。不同的家庭系统相互集成，如房间电源控制、安全报警、家用电器自动控制等。智能家居信息源管理系统对信息进行全面的管理，使喜欢智能家居的用户可以轻松地从家居设备中获取自己需要的信息，体现了家居信息源的通用性。然而，目前传统的家庭温控系统存在很多缺点，比如，只有当使用者回到家后，空调面板才会打开，要想让使用者感觉舒服，需要很长一段时间。也有，例如，常规电热器的加热时间较长，当使用者需要时，无法确保热水供应，用户体验显著降低。例如，在一天的繁忙工作即将结束，当使用者独自一人时，就可以发送特定指令让数据处理模块计算室温和估计时间用户回家，然后发送一个开关信号空间终端传感器，让智能家居在用户到家前彻底完成运转，以此满足人们在家里享受舒适的体验，同时又能达到省时、节能的效果。随着我国移动终端的不断发展，网络信息技术的不断完善，物联网时代正式来临，对此的需求也日益迫切。大力开展移动互联网基础工业的培育与发展，将其作为一项重要的战略性新兴产业。国内外大型家电厂商，以及几家生产工艺主机厂自主研发的高品质智能家电，已逐步开始预留网络接口，用于管控物联网网络安全，为信息快速发展的物联网时代做好准备。智能家居也是家国物联网时代当今行业不可或缺的一部分，也是家国移动物联网家居应用领域的重要组成部分。另外，近几年，我国的房地产市场发展很快，智能家居正逐渐呈现出人们熟悉的应用形式所展开相应的发展，以此满足人民的生活高品质需求。1.2研究意义随着移动通讯基础建设的迅速发展，高科技的迅猛进步，以及相关的新技术不断涌现，使得智能家庭对传统的产品产生了巨大的冲击。智能家居是生活中最重要的一种，它基于自动化控制，解放双手，享受家居生活，从而提升了人们对家居生活的满意度。同时，它还具有监控功能，为家庭提供实时数据传送，保证了家庭的安全性；可以通过预先启动智能家居的控制，调整室内的整体舒适程度，从而实现最佳的居住体验。家庭中的各类家电设备，都是由网路联结而成，以提供更便捷的控制，并使维修作业变得简单。智能家庭系统的基本架构就是建立一个能够覆盖整个家庭的电子设备、信息设备的网络，通过合理的规划，进行个性化的配置和控制，使整个家庭的生活环境变得更加安全、舒适、科技、温馨。目前市场上的智能家居产品，都是对传统的家居产品进行了升级，比如：自动调整灯光的亮度，自动打开和折叠窗帘，视频监控，智能控制等。虽然在满足基本需要的情况下，可以在一定程度上提高家庭居住的整体体验，但是，相对于人们日益增加的人性化、自动化和智能化的要求来说，它还需要进一步的发展。因此，本文基于单片机的智能空调控制系统的设计，通过提供更为方便的智能终端，增强了整个系统的适应性和高度集成的智能化水平。对于空调产品在实现更便捷。1.3研究现状一批由美国及欧洲开发的产品已进入市场，典型的是IBM公司“家居主任”，摩托罗拉公司“居所之门”。在亚洲，如日本和韩国等国家，很多公司都将大量的精力放在了智能家庭系统的研发和产品的推广上。霍尼韦尔是其中一个比较典型的跨国企业，它的市场占有率最大的两个领域就是系统研发和安全装备，在行业中，它的智能家庭操作系统是行业中的佼佼者。目前已经研制成功的智能家庭系统包括：安防报警、实时视频监控、智能灯光感应控制、窗帘感应控制、多媒体交互等。通过控制电视、新风机、空调、投影仪等，并利用ZigBee网络，对智能灯光、电动窗帘、清扫机器人、燃气热水器、电水壶等电器进行智能控制，并使用RGB灯泡，实现多种灯光操作，并在不同的环境中进行模式切换，例如休闲模式、学习模式、瑜伽模式等。施耐德智能家庭管理系统采用现场总线，实现了所有设备的直接控制和有序的操作，实现了温度、湿度、新风、灯光、窗帘等对象的自动控制。采用最简单的操控方式，提供最丰富的操控经验，让智能家庭的操控感更加舒适。国内的智能家庭系统和相关产品的开发起步较晚，其技术发展路径也相对滞后。目前，我国的技术研发仍处于磨砺阶段，与高新技术不断地结合、演化，并没有形成一套完整的技术规范。2000年可以说是国内智能家居概念的元年，在媒体宣传下，部分民众对智能家居这个概念有了了解。在国内智能化产品企业快速发展的背景下，各大企业都步入了智能家居的发展队伍。海尔智能家电，智能家居是我国智能家居研究与开发领域中最早开展的一家公司，它通过计算机对整个系统进行控制，实现了各电器的集成，一开始，从控制协议、交互式应用到现在通过利用手机App远程操控家庭智能设备乃至将来人工智能。清华同方发布的“e-home”数字化家园产品，基于嵌入式技术，设计并集成了以智能家居为目标的系统集成方案。然而当前国内在智能家居领域相关产品中，多为针对家电类系统方案，缺乏统一标准，各家系统所能支持家电设备有限，所以在用户眼里缺少人性化和购买欲望，产品发展缓慢。2系统方案设计2.1系统设计目标基于智能气候环境的应用背景，实现对空调的无线遥控。根据功能设计目标，主要要点如下：1、随时可以检测环境中的湿度指标；2、可以通过液晶显示屏随时观看当前环境湿度检测数值；3、当出现温度异常时，可随时进行警告处理，以此来解决异常现象的发生；4、可以随时利用APP功能对此类设备进行远程操控；5、能够以继电器的形势控制常用的几类电器，并对外围电路的开关驱动。2.2硬件架构设计系统总体结构如图2.1所示。本系统具有温度、湿度测量、开关控制、按键控制、Wi-Fi连接、显示、报警、指示灯等多种功能。本系统可对温度、湿度进行实时采集。在选择各个功能系统之前，通过对各功能间的相互关系进行分析，搜集与控制功能不符的数据，对整个体系结构进行总体设计，并对各功能间的逻辑关系进行设计。这两大部分所有的工作均由主控制来完成，在实现了功能模块化后，使得后期设计更加方便。如果温度和湿度的测量值超出设定的临界值，会产生告警。报警值可通过按下按钮进行调整。同时，可通过将手机连接到Wi-Fi网络来调整告警值，并可操作空调开关。图2.1系统总体设计图2.3主要部件方案2.3.1主控制器方案单片机作为整个系统的核心，其加密算法具有较高的运算速度，不能以任何技术方式读取单片机中的用户代码，保护了产品的技术。所有的功能都需要单片机的支持才能完成。本设计的微处理器运算能力强、软件设计灵活、自由度高。该系统采用软件编程实现多种逻辑功能，并配有定时器、计数器，可以进行定时、运算。使用STC89C52实现系统功能。单片机电路有不同的配置，如数据存储、代码存储、定时功能、中断功能、串行通信功能等。该单片机兼容MCS-51指令，单片机采用51芯，软件采用C语言设计。STC89C52具有功耗低、稳定性强的特点。该核心是系统的基础核心，开发和操作简单方便。STC89C52是每个工程师都要学习的一种单片机，因此，许多产品均采用此微处理器进行开发与设计。在微处理器上，用户程序是8K的。当使用者程式码数目达到8K时，可以加入一个外存储器，储存8K或更多的使用者程式码。该单片机算法性能强，工作速度快，在恶劣的工作条件下仍能很好地继续工作。STC89C52的价格低，开发周期成本低，这也是为什么很多工程师都安排它，所以很明显很多产品都选择了这种单片机作为技术解决方案。因此，STC89C52无论在成本、性能还是开发难度上都是一种非常实惠的技术解决方案。基于以上分析，根据图2.2，本文介绍了以STC89C52单片机为控制器的设计思路。图2.2STC89C52单片机2.3.2温湿度采集方案实际情况如图2.3所示。在设计智能室内气候控制系统时，对环境温度、湿度进行采集，选用DHT11型传感器。DHT11是一种温度、湿度的数字传感器。数字温度和湿度数据是数字输出的校准数字。通过测量传感器的温度，可以绘制出NTC的温度曲线，并将其应用到湿度传感器设备中。本发明具有测量精度高、温度、湿度测量快速等优点。通过向微处理器传输输出的温度和湿度信息，可以实现温度和湿度的测量。单片机与传感器仅用一条数据线进行数据传送，其功率消耗非常小，信号电缆的长度可达到20米以上，对应不同的业务场景。图2.34DHT11传感器实物图2.3.3显示模块方案系统要求显示环境温度、湿度等信息，LCD1602采用串行输入和并行数据的操作系统。尽管串行输入控制系统所采用的界面很少，但是该软件设计代码较为复杂，要用很多代码才能控制。并行数据录入操作系统能够更快实现对液晶的控制，且软件操作方便，所以，使用并行数据输入操作系统。工作电压液晶屏芯片：4.5~5.5V。工作电流：2.0uA(5.0V).模块的最优工作电压：5.0V，字体大小：2.95mm×4.35mm(宽×高)。实际情况如图2.4所示。图2.4LCD1602液晶实物图2.3.4WIFI通信方案系统的WiFi通信选择WiFi模块ESP8266。本模块是安欣科研究开发的一款具有WiFi功能的WiFi模块。开发者们可以使用WiFi模块来增加网络，从而完成网络通信。模块内有一个32位的处理器，同时其还具有模数转换功能，当作控制器来使用。另外，模块的备用模式分为多种，在最长的待机模式下，模块电流为20uA。并且单片机也能够通过AT命令，对WiFi模块进行控制。ESP8266模块的体积较小，能够控制AT命令，可用来研制WiFi模块。如图2.5所示。图2.5ESP8266WiFi芯片实物图3系统硬件设计3.1主控制器设计该系统采用了一种由STC科技公司生产的单片机作为控制芯片。单片机STC89C52具有以下两种优点：一是功耗低；二是性能好。其有32位I/O端口，8K字节的闪存以及WDT看门狗定时器。微控制器内还有一个内置的4KBEEPROM。型号STC89C52单片机的末端编号为2，程序存储空间为2×4K。就该设计而言，首先选用了STC89C52单片机、STC89C51单片机和STC89C52AT89S51单片机单片机，由于STC89C51和51单片机AT89S51单片机微处理器的设计原理完全一致，但只有4k记录空间，具有相同的功能。基于此，最后选择了STC89C52单片机。单片机STC89C52内置8K容量的可编程flash存储器。单片机最小系统包括电源、复位、振动电路及扩展元件。图3.1是系统的最小示意图。图3.1单片机最小系统3.2温湿度检测电路3.2.1DHT11温湿度传感器由广州奥松电子有限公司生产的DHT11型传感元件，其可靠性高、耐用性强。利用温度、湿度和数码信号的传感器数据获取技术，又称混合温湿型Anur。DHT11传感器具有产品质量高、响应速度快、抗户外故障能力强、价格实惠的特点，数字信号内部校准，信号传输准确，并能结合性能优越的单片机，它包括温度测量元件和电阻式湿度传感器元件。因校准室的校准是按照极其精确的标准进行的，采用单线串行接口，使传感器系统的操作更加简单。信号处理能力大于20m。与此同时，它体积小、功耗极低等特点，保证了这种传感器在许多复杂和极端环境下都能良好工作。传感器的引脚有四个，包装比较简单，界面操作简便，也能够按照用户计划的要求进行调整。3.2.2电气特性VDD=5V，T=25℃，除非特殊标注。表3.1电气特性表3.2.3串行接口该系统采用单总线形式，实现了单片机与传感器的同步与通讯。4ms是发送一次数据所需要的时间，数据可以分为正整数和小数点，阶位优先，40位是整个数据量的结果。该系统的数据格式是：8比特的总湿度+8比特十进制的湿度+八比特的十进制温度+八比比特的温度表。如果传输数据正确，则检查和数据为：8比特的总湿度+8比特湿度的十进制+8比特总温度的十进制+8比特温度的十进制的最后八位。当单片机发出第一个讯号时，感应器就会由低功率状态转换为高功率状态。在该信号的末尾，该传感器传输40比特的数据应答信号，同时激活传感器采集信号。收集相关信息的任务。此时，如果需要，用户可以读取一些信息。当传感器处于从属模式时，当接收到启动信号时，温度和湿度传感器功能被激活。若传感器未收到从单片机发出的启动信号就不会采集数据，从而使传感器处于节电模式。3.2.4温湿度检测模块电路在智能空调控制系统中，温度和湿度测量设计选择DHT11-sensor进行。这种传感器具有以下性能和特点：采用DALLAS方法，只要一条线就可以和计算机双向通信。DHT11传感器可以封装为各种不同的形式，该系统具有信号的特点，具有体积小、抗干扰能力强、精度高、硬件成本低等优点。供电方式便捷，供电电压不超过5.5V，温度测量范围-55-125度，通常来说，温湿度测量的误差不能高于0.5度，精度需要保证为0.1度。当电源的电压极性反转时，具有负电压特性的设备可以保护设备不被烧坏。9-12位数字读数可通过软件实现，转换速度高，温度和湿度的9位转换时间仅需93.75ms。该传感器对各种微处理器或者系统都有广泛的应用，甚至还能随着实际的变化而变换外观，能够较好地满足不同条件的使用要求。图3.2是温湿度测量电路。图3.2温湿度检测接口电路图3.3显示电路LCD1602的LCD显示屏是由16x02或者32个字母组成的工业字符组成。LCD数控系统在很多高档消费电子设备中得到了广泛的应用，比如智能微处理器、智能无人机、特殊的数字电子计算器、通用电能表、电能表等。LCD是一种输出设备，其优势在于：因为每一次荧光信号接收端接收到一种发光信号，LCD的各荧光发光节点都要始终维持同一荧光色彩及发光结点的亮度，故其彩色发光节点的亮度要恒定、光照稳定、LCD的影像品质好且不会出现闪烁现象。字符型液晶显示器采用LCD1602作为显示单元。本装置采用5V电源作为供电源，显示电路容易构建，显示的信息量大。由于其价格低廉而被广泛采用。LCD是一种体积小、重量轻、功耗低的显示器。3.3.1液晶显示模块电路在图3.3中，可以看到LCD模块的接线线路。1号和2号引脚作为输入电平，为LCD显示供电，电路的接地线连接到LCD模块的引脚1上。电路的电源线连接到LCD模块的2引脚上。一电阻10k的电位计被连接到该电路的质量磁头与管脚3之间。若要调节LCD的反差，可以通过电位器进行调整。即LCD4。此针与单片机和P27管脚相连。读取控制器，即4脚LCD显示屏，必须连接到p26脚MCU上。LCD显示屏的6pin与单片机的P25引脚相连。8比特总线，也就是LCD管脚7、8，与MCUP0端口相连。所述背光电源插头，也就是LCD插针15和LCD插针16，它们分别连接到MCU电源端口，和接地线相连。液晶显示电路如图3.3所示。图3.3液晶接口电路图3.3.2液晶引脚说明LCD1602的字符显示屏脚注如下：3.4WIFI通信电路无线网络模块ESP8266与MCU串行通讯，通过移动电话进行远程控制，所以系统必须开启Wi-Fi通信。STATE是一个无线状态信号输出接口，不使用蓝牙功能的话，界面会产生低电平。蓝牙连接后，该界面输出高电平，所以你可以设计一个LED电路表示蓝牙连接状态。RXD是一个无线模块的串口接收接口，它与P31TXD连接器相连，通过MCU的串行数据传送。TXD是一种以RXD为核心的无线模块，它与P30的接收串口通过RXD接口连接。GND是该组件的供电接口，该组件的供电需求为3.2-6V，而该系统选用的电压为3.3V。Wi-Fi模块的电源设计需要具有块切换功能，该模块实现反向供电过程中的自我保护，Wi-Fi模块串口可以直接接入单片机串口，不需要处理电平移位问题。Wi-Fi连接如图3.4所示。R3R31K12345678JP23V3GNDRXDESP8266TXD图3.4WiFi通信电路图4软件设计4.1软件整体设计首先，该系统初始化了环境温湿度的测量界面、空调控制接口、按钮控制接口等，并实时采集温湿度数据。当数据超过设定的阈值时，系统会发出告警，并可通过按键调整告警值。同时可通过连接WiFi的手机调节报警值，图4.1示出了系统的软件流程。图4.1软件设计流程图4.2温湿度检测软件设计本章2.3.3、3.3部分对DHT1温度、湿度传感器的基础资料进行了分析。用P3.7单片机将DHT1温度和湿度传感器的数据与单片机相连接，由单片机进行数据采集。在此模块工作时，向P3单片机传送信号。当单片机的信号被发送出去时，感应器就会收到起动信号。同时，该传感器向单片机发送40比特的数据。该微控制器从该传感器接收温度、湿度数据，并执行一个验证过程，以确定它们正常与否。如果数据正常，则传输至LCD进行显示。若数据不正常，错误数据不会被接收，单片机再发出信号，传感器重发数据。最后对数据进行了对比，对比接收数据和报警值，若大于报警值，蜂鸣器不会发出警报。温湿度测试系统的设计过程见图4.2。图4.2温湿度检测软件流程图4.3显示软件设计将编码后的展示信息进行录入，并通过录入指令完成系统所需要的展示内容。首先通过并口选择数据录入方式，然后设置基本指令，擦除LCD屏幕，重置LCD屏幕上的光标，转动LCD屏幕显示功能，设点无灯光效果。DDRAM内存清楚可见。对LCD显示内容的地址进行设置，执行地址书写功能，输入LCD显示内容，执行信息书写功能。LCD软件结构如图4.3所示。图4.3LCD1602显示流程图4.4WIFI通信软件设计WiFi模块ESP8266性价比较高，属于Wi-FiSOC模块。Wi-Fi管理单元支持TCP/IP协议栈，用户可以通过这组模块在本地网络上部署无线通信。ESP8266模块有AP、STA和STA+AP三种通信方式。用户可以通过手机扫描并登录相关的Wi-Fi信号，并设置密码登录连接，以此方便后续的相关操作，与此同时，通过串口控制系统实现了WiFi通信功能，单片机仅需要通过串口对无线模块进行控制。位置数据为512字节，以实现对通信数据的远距离采集，图4.4显示了无线网络通讯软件的设计过程。图4.4WiFi通信软件流程图4.5按键控制程序按键控制程序的功能是设置警报值。在设定的过程中，应当指出，按键实际操作无规律，所形成的高低电平显示了导致程序不能正常运行的故障。由于人工振动和机械结构振动在所难免，因此要有平稳的旋钮移动，并进行一种抗振动处理。目前应用最为广泛的减振方法为延迟重复扫频法。发现按钮运行后，应当减缓和检查首次探测的信号。在几毫秒的延迟之后，评估函数是否工作，表示这是一个普通的击键函数。键扫描软件设计过程见图4.5。图4.5按键控制流程图结语从现实需求出发，对智能空调系统进行设计并对智能空调用传感器节点进行研制。研发核心电路模块、电子硬件电路、关键