【《基于STC89C52单片机的智能空调控制系统设计》9700字（论文）】

基于STC89C52单片机的智能空调控制系统设计摘要20世纪90年代以来，我国整个经济因全球化而、在现代化发展中，使我国国民生活质量全面提高，并且国民经济也迅速发展，同时，人们的物质需求也提高了，人们对于生活水平也有了更高要求。以达到人们对生活品质的要求，本论文设计的是基于单片机技术的系统、传感器技术，Wi-Fi等现代科技技术简单智能空调系统。整个系统分硬件与软件两个方面。硬件方面以数字式温湿度传感器为核心部件，采用STC89C52单片机与DHT11系统组成。软件部分主要有温湿度编程，WiFi通信编程，屏幕编程等、按键编程和其他组件组成。所以整个系统功能主要有环境温湿度测量，空调控制，按键操作，Wi-Fi连接和显示等、采用C语言编程开发了报警和其他功能的系统。本系统能够通过传感器对温度和湿度数据进行实时的采集，在采集到温湿度数据大于设定阈值后，将在按下按钮时发出报警并将调整数值达到适当范围，借此解除警示。系统以单片机为操作芯片，本实用新型功耗小，性能好，稳定性好、总体成本较低等等，借此受到了这一领域商家的欢迎。关键词：单片机；空调控制；传感器；WIFI通信目录TOC\o"1-3"\h\u237801绪论 绪论1.1研究背景从2000年智能设备步入家居行业，形成当今智能家居。智能家居发展到今天，市面上的主要生产商都推出了琳琅满目的产品、功能丰富的智能家居设备，推广市场信息化、信息的对称引导着智能家居产品逐渐向低价格，高性能和高质量的发展趋势。人们希望拥有更高质量的生活，这一点要求往往反映在家庭的电器设备、房屋装修、家用电器上、通讯设备及其他安全设施等等，都能反映出来。在现代网络通信及其他信息与电子技术飞速发展的情况下，我们现代人民家庭已经越来越智能。大家对更智能的家用电器也有了更多的期待。同时人们能够对智能家居环境及其周边安全状态进行远程实时监测，在智能家居中感受生活与工作有多么方便，又有多么安全。该项目也包含有智能空调温度控制系统设计，运用现代网络交互技术，把自动化和传感器结合起来，创建以现代智能家居为基础的信息提取平台。不同家庭系统之间互相融合，例如，房间电源控制，安全报警等、家用电器的自动控制等等。智能家居信息源管理系统实现了信息综合管理，使得热爱智能家居的使用者能够很方便的在家居设备上获得所需信息，反映家居信息源通用性强。但现有传统家庭温控系统有诸多不足，比如，空调只有当用户回到家中时，才可以透过空调面板打开，要想实现舒适的室内温度，必须经过较长一段时间，以达到使使用者舒服的目的。也有如常规的电加热器升温时间较长等，无法确保当使用者需要热水时，用户体验明显下降。随着移动终端与互联网信息技术在国内的深入发展与成熟，物联网的时代已经正式来临，对于这种需要，迫切要求也在不断增强。积极推进以移动物联网基础产业为核心的战略性大型新兴产业的培育与发展。国内外各大家电厂商，及多家生产工艺主机厂开发的优质智能家电等，网络接口的预留工作已经逐渐展开，用以控制物联网的网络安全，迎接信息飞速发展的物联网时代。在家国物联网时代，智能家居同样是如今这个产业中必不可少的组成部分，更是家国移动物联网在家居应用领域中的一个重要环节。另外，中国的房地产开发市场在最近几年也得到了快速的发展，智能家居正在逐步呈现为大家熟知的应用形式，并开始了与之对应的开发，以此来满足人们对生活高品质的要求。1.2研究意义在以移动通信为基础设施，高新技术迅猛发展潮流中，有关新兴技术迅速迭代，智能家居对传统产品提出了挑战。做为主要生活环境，在自动控制的基础上，旨在解放双手，尽享家居生活，提升家居生活满意度。同时智能家居还能够提供监督功能，以及实时数据传输等，确保居家安全；本实用新型能够预先打开智能家居控制系统，以调整室内整体舒适度，实现家居最佳体验。家居内的各类电器设备都是由网络联接在一起的，提供了一种更便捷的控制方式，简化了家居上的保养操作，成了常态化的要求。智能家居系统以构建能够覆盖家居住宅内各类电器设备，信息设备为主体构架，通过精心设计或个性化配置与控制，自动操作各类设备，把原来的家居环境形成安全，舒适的环境，既有技术，又有温馨，是一个现代化环境。目前市场上与智能家居相关的商品，对传统家居产品进行更新换代，如自动调整灯具亮度等，窗帘自动伸缩，在视频监控和一些电器中实现智能化操作。以基本需求为条件，在某种程度上，提高了家居生活的整体体验，但是和公众对于室内家居设备更人性化，自动化的要求、智能化越来越高的要求相比较还有待开发。为此，本课题以单片机为核心进行了智能空调控制系统设计，提供更方便智能终端，增强空调全领域适应性，智能化水平高度一致，提高智能空调信息化水平等，对空调产品正在达到更加方便的。1.3研究现状美国，欧洲开发的系列产品已投放市场，这些代表产品包括IBP“家居主任”，摩托罗拉“居所的大门”。从亚洲来看，日本和韩国的公司都对物联网领域倾注了很多心血，进行智能家居系统研究及产品应用推广。比较有代表性的跨国公司是霍尼韦尔，其中市场份额占有率最高的2个项目分别为系统研发与安防设备在行业中，它在智能家居操作系统的技术处理方面处于领先地位。已经研制出了智能家居系统：门禁安防报警系统等、实时视频监控系统等、智能灯光感应控制系统等、窗帘感应控制系统等、多媒体交互系统等等。采用红外方式对电视，新风机，空调进行运行、投影仪和其他装置对系统进行操纵，通过ZigBee网络对智能灯光，电动窗帘进行自动感应或者人工操作、扫地机器人，燃气或者电热水器、家电设备，如电水壶，也可对RGB灯泡进行操作，实现了不同颜色灯光作业，并在不同情景下进行模式切换，比如休闲模式，学习模式，瑜伽模式。施耐德智能家居操纵系统以现场总线形式实现了对各个设备的直接操纵和和谐有序地工作，把温度，湿度，新风和灯光等、窗帘和其他物体的控制。达到了用最简单易操作系统的目的，实现控制体验最为多样，把智能家居操控感给人一种更加惬意的感受。国内智能家居系统研究和相关产品开发起步稍晚，智能家居系统技术发展路径相对于国外来说，也是相对滞后。目前阶段技术研究尚处于打磨阶段，与高新技术结合演进，目前还没有形成一个统一技术标准。2000年，可以说是中国智能家居发展的概念年，在媒体的宣传下，部分民众开始了解智能家居这一概念。在国内智能化产品企业快速发展的背景下，各大企业纷纷步入智能家居的开发之列。海尔的智能家电、智能家居是我国智能家居研发领域中最早开展的公司，由计算机对整个系统进行控制，把所有的电器集成在一起。一开始，由控制协议向交互式应用的转变，现在，通过利用手机App远程操控家庭智能设备成为可能，甚至未来的人工智能。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，当前国内关于智能家居方面的产品来看，多为针对家电类系统方案，缺乏统一行业标准，每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，毫无购买欲望，所以产品发展缓慢。1.4本文研究内容本课题根据实际需要，设计了智能空调系统，开发了智能传感器节点，并对其进行相应的研究，该研究成果是基于单片机的智能空调控制系统。讨论了利用单片机技术和无线通信模块，结合现有的传感器技术，实现一种简单实用的智能空调系统，使人们的家庭生活更加舒适、安全。解决核心电路模块、电子硬件电路、关键软件程序等相关关键技术。系统的远程控制功能可以控制手机应用软件实现空调开关控制、温湿度检测等基本功能。在系统的构建过程中，首先设计研究图，使其控制对象，然后确定硬件部分与原理图相匹配，最后根据逻辑模块进行各个模块的设计完成了功能集成，是一个比较完整的操作系统。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。整个系统具有环境温湿度测量，开关控制，按钮控制，Wi-Fi连接，显示，报警，指示灯等功能。该系统对温度和湿度数据进行实时采集。对各功能系统进行选型前，分析了设计各功能间的联系，采集与控制功能部分不一致的信息，然后对系统的架构做了整体设计，设计系统功能间逻辑关系。两个主要部分的全部工作都是通过主控制实现，经过功能模块化，使后期的设计更容易。在获取到温湿度数据大于设定阈值后生成告警。报警值可以按下键调节。同时告警值可以通过手机接入Wi-Fi网络进行调节，并且能够对空调开关进行操作。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在整个系统中处于中心地位，单片机加密算法高效，在单片机上无法通过任何技术方式阅读用户代码，对产品进行了技术保护。各项功能均需单片机支持来实现。本单片机计算功能强大，该软件具有编程灵活、自由度大。它可以用软件编程来实现多种逻辑功能，以及计时器，计数器，可用来计时、计算。利用STC89C52完成了系统的功能。单片机电路的组态各不相同，例如，数据存储，代码存储，定时功能，中断功能等、串行通信功能等等。该单片机兼容MCS-51指令，单片机为51芯，该软件用C语言设计。STC89C52功耗较低、稳定性好等特点。这个核心就是这个体系的基本核心，研制与操作简便，易行。STC89C52就是每一位工程师必须研究的单片机，因此，许多产品均采用这种单片机来研制设计。单片机内保存有8K用户程序。在用户代码数量大于8K的情况下，可添加外存，保存超过8K用户代码。这种单片机具有强大的算法性能，工作速度很快，条件不好时仍然可以很好的坚持。STC89C52价格低廉，开发周期费用低，正因为如此，才有许多工程师对其进行布置，因此，显然许多产品选用这类单片机为技术方案。所以STC89C52不管从费用上来说、在性能或开发难度方面是很经济的技术方案。在上述分析的基础上，依据图2.2提出了以STC89C52微控制器为核心的控制器设计方案。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。在智能化室内气候控制系统的设计中，要求对环境温湿度数据进行采集，并且选用了DHT11传感器。DHT11是一种数字式温湿度测量传感器。内部的数字温度、湿度数据作为校准后的数字输出信号。利用传感器测温绘制NTC测温图，传感器湿度测量用于湿度传感器的设备中。产品运行稳定，传感器的成本较低，温湿度的快速获取。只需把输出数据送至单片机，就可以采集温度和湿度的数据。单片机与传感器之间仅需一条数据电缆传输数据，传感器功耗较小，信号电缆长度可达20米，与不同业务场景相对应。图2.3DHT11传感器实物图2.3.3显示模块方案系统需要显示环境温度、湿度等信息。LCD1602有两个操作系统，一种是串行输入控制系统，另一种是并行数据输入操作系统。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。本模块为安新科团队开发设计的WiFi模块，能在无线WiFi中传输数据。开发者透过WiFi模块加入网络，由此完成网络通信。模块中设置有32位处理器，同时它还有模数转换的功能，作为控制器。此外，该模块还有几种备用模式，最长待机模式模块电流20uA。并且单片机也能够通过AT命令，控制WiFi模块。ESP8266模块尺寸更小，能控制AT命令，可用于开发WiFi模块。具体见图2.5。图2.5ESP8266WiFi芯片实物图3系统硬件设计3.1主控制器设计本次设计所采用的控制芯片为单片机，该单片机为STC技术公司生产。单片机STC89C52有如下两方面的优势：第一，功耗小；二是表现良好。它具有32位I/O端口，8K字节闪存和WDT看门狗定时器。微控制器内部还内置4KBEEPROM。机型STC89C52，单片机端号2，程序的存储空间是2×4K。在设计方面，第一，选用STC89C52单片机、STC89C51以及STC89C52AT89S51单片机微控制器，正由于STC89C51与51-core单片机AT89S51的微控制器属同一类型，但是只剩下4k的记录空间，有同样的作用。在此基础上最终选用STC89C52单片机进行设计。单片机STC89C52内建容量为8K可编程flash存储器。单片机的最小系统由电源，复位，振动电路和扩展元件组成。图3.1为最小系统示意图。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DHT11传感器由广州奥松电子有限公司生产，这种传感器耐久性很高、可靠性高等特点。利用传感器采集技术，把温湿度和数字结合起来，也称为混合温湿型Anur。DHT11传感器的特点是产品质量好、响应速度快，抗户外故障、经济实惠等特点，数字信号的内部校准，信号传输精准，并且能够与性能优异的单片机相结合，由温度测量元件，电阻式湿度传感器元件两部分组成。由于校准室校准以极准确为准则，使用单线串行接口，使得传感器系统运行更方便。信号处理能力在20m以上。同时体积较小、极低的功耗和其他特性保证了这种传感器可以在许多复杂的、在极端情况下工作良好。传感器的引脚有四个，包装相对简单，界面操作简单，还可以根据用户计划要求做出相应的调整。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串行接口数据旨在单片机处理器与传感器间采用单总线数据格式实现同步与通讯。4毫秒为单次数据传输所用时间，数据可划分为正整数与小数点且阶次优先，40位数是整个数据量的结果。数据格式为：8位总湿度数据+8位十进制湿度+8位总温度+8位十进制温度+8位温度校验和。当数据发送正确时，校验及数据相当于成果八位总湿度加八位湿度十进制加八位总温度加八位温度十进制后八位温度。当所述微控制器输出第一信号时，传感器由低功耗模式向高功耗模式转换。信号终止后，传感器发出40位数据响应信号，同时，启动传感器进行信号采集。搜集有关资料的工作。这时如有必要，使用者可阅读某些资料。在传感器为从属模式的情况下，收到开始信号后，启动了温度，湿度传感器的功能。如果传感器没有接收到来自单片机的启动信号，则不进行数据采集，由此使得传感器工作在节电模式下。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，数字信号以信号的形式输出，尺寸较小，抗干扰能力强、精度高、硬件成本低。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显示电路数据旨在单片机处理器与传感器间采用单总线数据格式实现同步与通讯。LCD数控电路模块在很多高端消费类电子产品上得到了广泛的应用，例如，智能数字电子单片机和智能无人机通讯接口等，专用数字电子计算器等，万能的机电表或者电度表等等。液晶显示器做为输出器件应用于单片机系统有如下的优势：由于一个荧光信号接收器每次得到一个荧光发射信号后，LCD中每一个荧光发射线节点必须时刻保持同一荧光颜色及其照明节点亮度，所以其颜色照明节点亮度一定要保持不变，照明稳定，LCD图像质量好，不闪烁。字符型液晶显示器采用LCD1602作为显示单元。该设备以5V电源做供电源，显示电路易于搭建，展示信息丰富。由于其性价比较高，因而被广泛应用。液晶显示器是一种体积小，重量轻的显示器、具有较低功耗的显示设备。3.3.1液晶显示模块电路液晶显示模块界面电路接线图如图3.3所示。引脚1，引脚2作为输入等级，给LCD显示提供电源，线路接地线与LCD模块引脚1相连。电路中电源线与LCD模块2引脚相连。电路质量头与引脚3间接有电阻值10k电位器。若要对液晶显示对比度进行调节，可由电位器调节。即LCD4。该引脚与微控制器相连，并且与P27的引脚相连。读取控制器为4足LCD显示屏，须与p26脚MCU相连。LCD显示屏6pin连接单片机P25引脚。8位总线是指LCD的引脚7、8，与单片机P0口相连。背光用电源引脚，即LCD引脚15和LCD引脚16，分别连接单片机的电源端口，接地线。液晶显示电路见图3.3。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WiFi模块ESP8266和单片机串口通信连接，实现了手机对系统进行监控，所以系统必须开启Wi-Fi通信。STATE用于输出无线状态信号的接口，如果没有蓝牙功能，接口将生成低电平。当蓝牙接通时，接口输出高电平，因此，您可设计LED电路来指示蓝牙连接的状态。以RXD为串口数据接收接口，对无线模块进行接收，与P31TXD连接器相连，从单片机发送串口数据。TXD为无线模块提供串行数据传输接口，经单片机RXD接口连接P30接收串口。GND为模块供电连接，所述VCC为模块供电，电源需要3.2-6V，系统所选电压是3.3V,Wi-Fi模块电源设计要求块切换功能，模块在反向供电时实现自我保护，Wi-Fi模块的串口可直接与单片机的串口连接，无需解决电平移位。Wi-Fi连接图3.4。R3R31K12345678JP23V3GNDRXDESP8266TXD图3.4WiFi通信电路图3.5报警电路系统报警电路开始蜂鸣器报警，蜂鸣器供电采用直流供电方式。被广泛应用于多种电子产品中。若检测到温湿度不在设定温湿度范围内，报警电路发出警报，警报开关图如图3.5所示。图3.5蜂鸣器报警电路图3.6指示灯电路由检测电路对系统采集的温、湿度进行显示。若温度数据恢复正常则LED1亮；若温度数据恢复正常则LED2亮。如果温湿度信息恢复正常，则LED3亮起；如果温湿度信息恢复正常，LED4亮起。探测器电路如图3.6所示。图3.6指示灯电路图3.7空调控制电路该设计利用一只5V电磁继电器，对电磁效应进行控制，通过空调开关对继电器进行控制。在线圈启动的时候，在锚地上形成磁场，以引起锚地的运动，锚杆采集电磁力比接触弹簧弹性力更大，锚和铁芯的组合。静态触点必须吸出；断开线圈时铁芯不再产生电磁力，触点弹簧向内产生拉力，把锚点从静态触点拉出，返回原点并动作、静态触点切断。继电器在锚杆铁芯作用下被拉入和脱离，从而达到断路器的目的。通常继电器是用作低压控制电路的，在高压工作电流范围内进行低压控制，温湿度控制电路图如图3.7所示。112345J2JD2IN4007VCCR21KQ1855012J11KR1D1LEDP36图3.7空调控制电路3.8按键电路设计对本系统的关键电路进行设计时，通过三个按钮对数据报警值进行设置。从左到右分别为：减号、加号、设置。按键控制的详细说明是当按下setup键时，系统切换到setup模式。当第一次按下设置按钮时，LCD指示灯保持在温度设定值，此时可设置温度报警值。同时再次按Set键移动位置，可使用Minus和Plus键更改警报。在设定步骤结束时，可以继续按下setup键，使光标的位置右移到湿度报警值设定的点上，同时再次按下设置键进行数值设置，可通过加减键和1位大小改变10位报警值，确定湿度报警值，K2是在微控制器P2上扫描的设置选择按钮，K3是微控制器P2上扫描的加号按钮，而K4是微控制器P2上扫描到的负键。按钮电路如图3.8所示。K2K2K3GNDP15K4P16P17图3.8按键电路图

4软件设计4.1软件整体设计本系统先对环境温湿度测量界面进行初始化、空调控制接口等、按钮控制接口等等，以及温湿度实时数据采集。在所述数据大于所述设定阈值后，系统将发出报警，并且告警值可以由按键进行调节。同时，报警值可以通过手机与WiFi相连进行调整，图4.1给出了系统软件设计流程图。图4.1软件设计流程图4.2温湿度检测软件设计第2.3.3、3.3章分析了DHT1温湿度传感器的基本数据，可以借助于软件编程的方法进行。单片机P3.7的引脚与DHT1温湿度传感器内部数据相连接，单片机从传感器读取数据。当模块运行后，向单片机P3发出信号。当单片机发出讯号时，传感器收到启动信号后。同时，传感器将40位的数据传输给单片机。微控制器接收来自传感器的温度和湿度数据，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。温湿度测量软件的设计流程如图4.2所示。图4.2温湿度检测软件流程图4.3显示软件设计输入编码显示信息，以及通过输入指令，完成所述系统所需的显示内容。首先，采用并口的方式进行数据录入方式的选择，再设定基本指令擦LCD屏幕，复位LCD屏幕中光标，旋转LCD屏幕显示功能，设点没有灯光效果。DDRAM内存一目了然。设定LCD显示内容地址，完成地址书写功能，录入LCD显示内容，完成信息书写功能。LCD软件结构见图4.3。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管理单元对TCP/IP协议栈的支持，用户可通过这套模块将无线通信部署到本地网络中。ESP8266模块有AP、STA和STA+AP三种通信方式。用户可在手机上对有关Wi-Fi信号进行扫描和登录，以及密码登录连接的设置，借此便于后续相关作业，同时，利用串口控制系统，实现WiFi的通信功能，单片机只需通过串口控制无线模块。512字节的位置数据，为了达到通信数据长距离获取的目的，WiFi通信软件设计过程见图4.4。图4.4WiFi通信软件流程图4.5按键控制程序按钮控制程序主要起设定报警值的作用。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