智能空调系统设计

ShandongUniversityofScienceandTechnology

电子技术综合实践报告

题目名称：智能空调控制系统

姓名：XXX

专业：电子信息科学与技术

班级：___________2012级2班__________

学号：201201050503

同组人：XX

指导教师：XXX

电子通信与物理学院

2015年7月24日

指导教师评语

摘要

本系统以STC89C51为核心，采用温度采集模块、

继电器模块、显示模块、存储模块、响铃模块、指示灯

模块、键盘输入模块、实时时钟模块，实现了基于空调

温度控制系统,

本设计采用STC89C51单片机作为主控制芯片，控

制各项功能。采用温度传感器DS18B20来采集室内温

度，当采集温度超出温度阈值发出警告，并通过继电器

控制220V的大电压，使空调工作。采用DS1302构成

实时时钟模块，设定初始时间后，可进行计时。然后采

用两块共阴极4位七段数码管构成显示模块，可将时间、

温度等数据显示出来，又用了4个普通的非自锁按键，

可自由切换显示的数据。采用的存储器是AT24co2,用

来存放当前正在执行的数据和程序，具有掉电保护功能。

关键词：STC89C5K温度采集、数据显示、温度调控

目录

刖§.......................................................................5

第一章设计要求.........................................6

第二章系统的组成及工作原理

2.1、系统的组成......................................6

2.2、系统的工作原理.................................6

2.3、系统各模块功能的实现...........................7

2.3.1、按键切换功能及显示功能....................7

2.3.2、按键调节功能...............................8

233、指示灯指示及响铃功能......................8

2.3.4、存储功能...................................8

235、空调自动启动和关闭功能....................8

第三章电路设计.........................................9

3.1、单片机最小系统.................................10

3.2、显示模块设计...................................11

3.3、温度采集模块设计...............................12

3.4、实时时钟模块设计...............................13

3.5、继电器模块设计.................................12

3.6、响铃模块设计....................................15

3.7、键盘输入输出模块设计...........................13

3.8、存储模块设计...................................14

3.9、指示灯模块设计.................................15

3.1()、系统原理图.....................................16

第四章系统仿真与调试分析.............................17

4.1、系统仿真模型....................................17

4.2、仿真结果........................................2()

4.2.1、室内温度在阈值范围之内及之外仿真结果....20

4.2.2、按键S1切换显示内容仿真结果..............21

423、按键S2、S3、S4切换调节阈值仿真结果.....24

4.2.4、掉电存储功能仿真结果......................23

总结....................................................23

参考文献................................................24

前百

随着社会的开展、科技的进步、以及测温仪器在各

个领域的应用，温度控制系统已广泛应用于人们生活的

各个方面。

温度是科学技术中最根本的物理量之一，物理、化

学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究

中，如电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、

粮食存储、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和

过程状态的最重要的参数之一，各行各业对温度控制的

要求都越来越高，各种适用于不同场合的智能温度控制

器应运而生，

酒店、厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温

度控制将更好的效劳于社会。中国家庭的室内环境就是

冬天的温度太冷，夏天的温度过热，这些给人们的正常

生活带来诸多的不便，所以人们对一个舒适的家庭环境

是非常向往的c以前室内的温度控制主要是利用机械通

风设备来进行室内与室外空气的交换来到达控制室内

温度。对于通风设备的开启和关停，全部都是由人来进

行手动控制的，由人们定时查看室内室外的温度情况,

按照要求来开关通风设备。人们劳动强度大，可靠性较

差，而且极易消耗人们的体力，造成本钱过高。所以，

需要有一种符合温控要求的、低本钱的控制系统，在温

度超过用户设定值时，启动控制系统，使室内温度控制

在一定范围内C现今，空调等家用电器随着生产技术的

开展或生活水平的提高越来越普及，一个简单、稳定的

智能空调温度控制系统能更好的试用市场。

第一章设计要求

1、显示出时间，实时温度；

2、能实现温度的设定，当温度超出限制时，发出警

告，温度调整范围为1℃；

3、当温度超出限制，进行温度调控；

第二章系统的组成及工作原理

2.1%系统的组成

本系统以STC89C51为核心，采用温度采集模块、

继电器模块、显示模块、存储模块、响铃模块、指示灯

模块、键盘输入模块、实时时钟模块，实现了基于空调

温度控制系统C

2.2.系统的工作原理

本设计中的智能空调系统可以通过按键设置空调

自动升温或降温的阈值，当设置下阈值时蓝色指示灯亮,

当设置上阈值时，黄色指示灯亮，并通过数码管显示出

设定的阈值。传感器DS18B20采集室内温度与设定阈

值温度进行比照，当温度在阈值之内时，绿色指示灯亮，

且蜂鸣器不工作；当温度超过或低于所设定阈值时，红

色指示灯亮，且蜂鸣器工作，通过单片机控制继电器启

动空调对室内进行升温或降温。同时系统可以将设置的

阈值保存到EEPROM中，断电后不会消失，直至通过

按键去改变，实现了智能空调的掉电存储功能。此外,

该系统还能显示当前的年月日、时分秒以及星期。

根据系统的设计内容，得出如图2-1所示的系统框

图。

单

键盘输入模块显示模块

实时时钟模块

片温度采集模块

响铃模块

掉电存储模块

指示灯模块机

继电器模块

图2-

2.3.系统各功能模块最

231、按键切换功能及显

小

刚开始上电时，娄上显示实时时间和当

前温度值。此系统运/S1302产生时间，采

用的是二十四小时制，采用温度传感器DS18B20采集

室内温度，在一通电的情况下，会显示08-0025。当第

一次按下按键S1的时候会显示年月日15-7-18,当第二

次按下按键S1的时候会显示时间周和时间秒-6-00,

第三次按下按键S1的时候会显示温度下限阈值和上限

阈值-18-32-,第四次按下按键S1时就回到初始显示界

面即显示时间和温度。

2.3.2、按键调节功能

当按键S1第三次按下且数码管显示温度阈值的时

候，此时就可以通过按键S3和按键S4调节温度下限阈

值，当按下按键S2时，然后通过按键S3和按键S4可

以调节温度上限阈值。

233、指示灯指示及响铃功能

当室内温度在所设定的阈值内时，绿色指示灯亮;

当温度超过上阈值时，红色指示灯亮，并且蜂鸣器工作;

当调节温度下阈值时，蓝色指示灯亮；当调节温度上阈

值时，黄色指示灯亮。

234、存储功能

单片机可以把用户设置的温度阈值保存在存储模

块中，当掉电重启之后，系统会按照用户之前设置的阈

值工作。

2.3.5、空调自动启动和关闭功能

当室内温度超过所设温度上阈值或低于温度下阈

值时，单片机通过控制继电器开启空调进行升温或制冷

工作；当室内温度在所设定的阈值时，单片机通过继电

器关闭空调。

第三章电路设计

3.1.单片机最小系统

根据所学知识，单片机最小系统由主控制芯片，

复位电路，振荡电路组成。本设计采用STC89C51单片

机作为主控制芯片，STC89C51是一种带4KB闪烁可编

程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammable

vco

vcc

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5TC8X51

andErasableReadOnlyMemory),低电压、高性能的

CMOS8位微处理器，是典型的嵌入式微控制器

(MicrocontrollerUnit),单片机的可擦除只读存储器可

以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失

存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和

输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储

器组合在单个芯片中ATMEL的STC89C51是一种高效

微控制器。本设计中按键S1为复位按键，采用高电平

复位。按键S1、电容C3与电阻R1组成上电复位电路。

采用12MHz的晶振和电容C1、电容C2组成振荡电路。

由此设计出单片机最小系统，如图3-1所示：

图3-1单片机最小系统

在PCB设计中经常在印制板的各关键部位配置适当的

去耦电容，以减少对信号的干扰以及信号之间的相互干

扰，因此设计如图2-2所示去耦电容电路。

图3・2去耦电容电路

3.2、显示模块设计

本课程设计采用两块共阴极4位七段数码管构成显

示模块，一次可以显示8个数字。数码管(LEDSegment

Displays)由多个发光二极管封装在一起组成“8”字

型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各

个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管组成

8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字

母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。由于数码管内部的发光

二极管在到达一定的电流才能发光，而51单片机的10

口没有驱动能力，所以在设计显示模块的时候必须给数

码管加上驱动电路，本设计的驱动电路由两块74HC573

20

QQ19

Q1Ts

Q217

Q3Te

Q4

Q5

Q6

Q7

lOnF

芯片和8个限流电路组成,74HC573不仅有驱动的能力,

还有锁存的功能，这样就可以节省单片机10口的资源。

74HC573芯片引脚图如图3-3所示以及其功能如表1所

/]^o

图3-374HC573芯片引脚图

表174HC573芯片功能表

根据要求设计出如图3-4所示显示模块原理图。

图3-4显示模块原理图

3.3、温度采集模块设计

本设计采用温度传感器DS18B20来米集室内温度o

由半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器,

属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，可广泛用

于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测

控系统和大型设备中。DS18B20具有体积小，接口方便,

传输距离远等特点。

采用数字温度传感器DS18B20与传统的热敏电阻

相比，它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通

过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式，可以分

别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，

并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅

aas.B.

OUF

8

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DlH

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3D3A

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M

5〜2

需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于

数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电

而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更

趋简单，可靠性更高，本钱更低。其测量温度范围为-55C

〜+125℃。在-10℃〜+85℃,精度为±0.5℃。DS18B20

的精度较差为土2℃。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。

本设计中温度采集模块原理图如图3.5所示，温度

传感器DS18B20将采集到的数据经P1.3给单片机，单

片机通过数据进行分析，送至数码管显示。

图3-5温度采集模块原理图

3.4、实时时钟模块设计

本设计采用DS1302构成实时时钟模块。DS1302

是由美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能力

的低功耗实时时钟芯片。它可以对年、月、日、周、时、

分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。本设

计中，实时时钟模块由DS1302、32.768KHZ的晶振、

3V的电池组成，SCLK弓|脚、RST引脚、IO引脚接到

单片机相应引脚上。其中外接的晶振和内部电路组成振

荡电路提供时钟基准，3V电池是为DS1302在掉电的情

况下提供电源以便让其持续工作。实时时钟模块原理图

如图3-6所示。

图3-6实时时钟模块原理图

3.5、继电器模块设计

继电器（英文名称：relay）是一种电控制器件，

是当输入量（鼓励量〕的变化到达规定要求时，在电气

输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。

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流运作的一种

“自动开关”。故在电路中起着自动调节、平安保护、

转换电路等作用。由于51单片机控制电路的电压为5V,

而空调工作的电压为220V,因此单片机可以通过继电

器控制220V的大电压，继而使空调正常工作。由此设

计出如图3-7所示继电器模块原理图。

图3-7继电器模块原理图

3.6、响铃模块设计

通过响铃模块的作用，可以提醒人们现在室内温度

已超过或低于温度阈值，空调已在单片机控制下启开工

作。本课程设计的响铃模块是由蜂鸣器、三极管和限流

电阻组成，其中三极管起到驱动蜂鸣器工作的作用，由

此设计出如图3-8所示响铃模块原理图。

图3-8响铃模块原理图

3.7、键盘输入输出模块设计

本课程设计采用了4个普通的非自锁按键，分别

为SI、S2、S3、S4o当按键不按下时，按键与单片机

连接的引脚为高电平，当按键按下时，相应单片机引脚

为低电平，当把手松开时按键会自动弹上来。键盘输入

模块的原理图如图3-9所示。

图3・9键盘输入模块原理图

3.8、存储模块设计

存储器(Memory)是计算机系统中的记忆设备，

用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的

原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果

都保存在存储器中。内存指主板上的存储部件，用来存

放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序

和数据，关闭电源或断电，数据会丧失。本次课程设计

中采用的存储器是AT24co2,它的存储大小为2Kb,具

有掉电存储的功能。存储模块原理图如图3-10所示。

__KEY3

S5

0■。___________KEY4

SW-PB

图3・10存储模块原理图

3.9、指示灯模块设计

指示灯，顾名思义它具有指示的作用，本设计中采

用4个不同颜色的发光二极管来实现对不同状态的指示。

该模块的原理图如图3-11所示。

3.10、系统原理图

将各个模块综合起来，设计出系统原理图，如图3-12

所示。

图3-12系统原理图

第四章系统仿真与调试

在设计一个系统时，仿真测试可以检测系统设计得

是否合理，这样可以很大程度上减少制造系统的本钱。

本次课程设计采用Proteus对所设计电路进行仿真。

Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司出版

的EDA工具软件，从原理图布图、代码调试到单片机

与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实

现了从概念到产品的完整设计。它不仅具有其它EDA

工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它

是目前比拟好的仿真单片机及外围器件的工具，是目前

世界上唯一将电路仿真软件、PCB设订软件和虚拟模型

仿真软件三合一的设计平台，是目前世界上唯一将电路

仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的

设计平台，其处理器模型支持8051、HCU、

PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33>AVR、ARM、8086和

MSP430等，在编译方面，它也支持IAR、Keil和

MATLAB等多种编译器。

4.1v系统仿真模型

本次设计的系统原理图仿真模型如图4.1所示：

图4-1系统原理图仿真模型

4.2.仿真结果

421、室内温度在阈值范围之内及之外仿真结果

室内温度在所设定的阈值内，指示灯绿灯亮，继电

器不工作，蜂鸣器不工作，两端电压为0V。仿真结果

如图4-2所示。室内温度不在所设定阈值内，指示灯红

灯亮，继电器工作，蜂鸣器工作，两端电压为2.47V,

仿真结果如图4-3所示。

图4-2温度在阈值内仿真结果

图4-3温度在阈值外仿真结果

422、按键SI切换显示内容仿真结果

系统上电后，显示界面显示时分及当前温度

“08-0028”，仿真结果如图4-4所示，按一下按键SL

实现状态切换，显示模块将显示年月日“15-01-18”，仿

真结果如图4-5所示。再按一下开关S1,显示模块将显

示星期和秒“-7-42”，仿真结果如图4-6所示。再按

一下开关S1,显示模块将显示所设定的阈值温度“-18-

-32-",仿真结果如图3-7所示。