空调温度控制系统设计方案说明书.docx

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空调温度控制系统设计方案说明书

题目：

空调温度控制系统设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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指导教师签名：

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使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

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注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

空调温度控制系统设计

摘要

空调温度控制过去一直依赖温控电动阀，电动阀可与温控器配套使用，实现对供暖通风和空调系统中冷热水的开关控制。

由于我国工业水质很多是含Ca2+、Mg2+、Coo2-等离子浓度很高的硬水，在温度变化的空调管道中极易结垢，造成电动阀早期即失效损坏。

另外，人们还常采用三速风机盘管代替温控电动阀进行调温，它是通过手动开关调整风机的风速来实现调温，不能自动控温，这就不可避免的发生低负荷时出现温度超调而造成能源的浪费。

本次设计的空调温度控制系统中，首先通过温度传感器DS18B20对空气进行温度采集，将采集到的温度信号传输给单片机AT89C51，由单片机控制显示器，并比较采集温度与设定温度是否一致，然后驱动空调机的加热或降温程序对空气进行处理，从而模拟实现空调温度控制单元的工作情况。

关键词：

空调温度控制系统；温控电动阀；单片机

Air-conditioningTemperatureControlSystemDesign

Abstract

Air-conditioningtemperaturecontrolhasbeendependedonelectricvalve,electricvalvecanbeusedwithmatchingThermostatrealizeheatingventilationandairconditioningsystemsinhotandcoldwatercontrolswitch.BecausemanyofChina'sindustrialwatercontainingCa2+,Mg2+,Coo2-suchasthehardwaterionsinhighconcentrationsinthetemperatureoftheair-conditioningpipesvulnerabletoscaling,resultingintheearlystageofelectricalfailuredamagedvalve.Inaddition,itisalsooftenusedinplaceofthree-speedfancoilthermostattemperaturecontrolforelectricvalve,whichisadjustedbymanuallyswitchthefanspeedtoachievethethermostatcannotbeautomatictemperaturecontrol,whichinevitablyoccurswhenlow-loadtemperatureovershootcausedbythewasteofenergy.

Thedesignofair-conditioningtemperaturecontrolsystem,firstofallthroughthetemperaturesensorDS18B20collectionofairtemperature,thetemperaturewillbecollectedtothesingle-chipsignaltransmissionAT89C51,controlledbythesingle-chipdisplay,andcomparethecollectedtemperatureandsettemperatureisline,andthendrivetheheatingorairconditioningtocooltheairtodealwithprocedures,whichsimulatethetemperaturecontrolunitforairconditioningwork.

Keywords:

Air-conditioningtemperaturecontrolsystem;Temperature-controlledelectricvalve;Single-chip

第一章引言

一.1前言

中央空调房间的温度控制过去一直依赖温控电动阀，电动阀可与温控器配套使用，实现对供暖通风和空调系统中冷热水的开关控制。

根据我们多年来对电动阀使用情况的调查，真正能正常使用至设计寿命的电动阀极少，大多数在1～3年内就已失效，这是因为我国的工业水质很多是含Ca2+、Mg2+、Coo2-等离子浓度很高的硬水，在温度变化的空调管道中极易结垢，造成电动阀早期即失效损坏。

另外，人们还常采用三速风机盘管代替温控电动阀进行调温，它是通过手动开关调整风机的风速来实现调温，不能自动控温，这就不可避免的发生低负荷时出现温度超调而造成能源的浪费。

本文是以DS18B20为采集器、AT89C51为处理器、空调机相应电路为执行器来完成设计任务提出的温度控制要求。

设计一个空调机的温度控制系统，在该系统中，首先通过温度传感器对空气进行温度采集，将采集到的温度信号传输给单片机，由单片机控制显示器，并比较采集温度与设定温度是否一致，然后驱动空调机的加热或降温系统对空气进行处理，从而模拟实现空调温度控制单元的工作情况。

一.2空调的工作原理

空调制热、制冷主要是移动热量。

空调分为室内和室外两个部分，制热时，将室外的热量移到室内；制冷时，将室内的热量移至室外。

空调制热、制冷的原理，是利用氟利昂冷凝液化放热，蒸发气化吸热的特性，以提高、降低室内空气的温度。

空调制冷时，气体氟利昂被压缩机加压，成为高温高压气体，进入室外机的换热器（此时为冷凝器），冷凝液化放热，成为液体，同时热量向大气释放。

液体氟利昂经节流装置减压，进入室内机的换热器（此时为蒸发器），蒸发气化吸热，成为气体，同时吸取室内空气的热量，从而达到降低室内温度的目的。

成为气体的氟利昂再次进入压缩机开始下一个循环。

图1.1空调制冷原理图

空调制热时，气体氟利昂被压缩机加压，成为高温高压气体，进入室内机的换热器（此时为冷凝器），冷凝液化放热，成为液体，同时将室内空气加热，从而达到提高室内温度的目的。

液体氟利昂经节流装置减压，进入室外机的换热器（此时为蒸发器），蒸发气化吸热，成为气体，同时吸取室外空气的热量（室外空气变得更冷）。

成为气体的氟利昂再次进入压缩机开始下一个循环。

图1.2空调制热原理图

通过以上氟利昂的液化和气化的过程，热量在蒸发器处吸取，转移到冷凝器处释放，从而实现热量的转移，达到制热、制冷的目的。

一.3空调的发展史

在19世纪，美国的奥利维尔、约翰·戈里，法国的费迪南，瑞士的拉乌尔·皮克泰和德国的卡尔·冯·林德等人先后发现了空气压缩制冷的原理，并发明了以乙醚、二氧化硫、氨等为制冷剂的冷冻机，用于制冰机和食品冷藏库、冷藏船等，虽然当时还没人用上述发明制造建筑物的空气调节设备，但已为空调器的诞生准备了技术基础。

1881年7月，美国总统菲尔德在华盛顿车站遇刺爱重伤，时值盛夏，闷热难耐，病床上的总统生命垂危。

医生提出，只有降低室温才能为总统实施手术，挽救他的生命，美国政府把研制室内降温设备任务交给了工程师谢多。

谢多曾在矿山工作过，接触过当时应用还不广泛的制冷设备，了解空气压缩制冷的原理，于是他用工业制冷用的空气压缩机成功地使总统病房的温度从37℃降到了25℃。

虽然这还不是产品化的空调器，但人们一般认为谢多是世界上第一台空调器的发明者。

1902年，美国的发明家威利斯·开利在研究中发现，人体的冷热感觉不仅与温度有关，而且与空气中的湿度有密切关系。

同样的温度，在湿度高时就感到热，而湿度低时就感到凉爽。

用冰使空气降温，空气中所含的水蒸气因冷却而呈饱和状态，凝结成水，即使温度又升高，也因空气干燥而使身体感到凉爽。

同年，威利斯·开利最先取得了“空气调节机”专利，并创办了开利公司，开始制造调节温度与湿度的空调设备。

20世纪初，建筑物内装置空气调节设备还仅被认为是在热天里保持室内凉爽的一种方法，随着技术的改进，空气调节器已是维持空气温度、控制湿度，除去空气中的灰尘、花粉及其它微粒以保持空气流通的设备。

中央空调系统可使100层办公大楼变得凉爽或温暖，小型空调器可使单个房间温度宜人。

一.4空调的发展趋势

市场需求是决定空调发展的主要动力，根据目前的市场需求来看，在空调技术方面有两大主流方向：

一为变频技术，一为健康技术。

变频空调是目前空调消费的流行趋势，它与一般空调相比，有着高性能运转、舒适静音、节能环保、能耗低的显著特点，它的出现改善了人们的生活质量。

“变频空调”采用了比较先进的技术，启动时电压较小，可在低电压和低温条件下启动，这对于某些地区由于电压不稳或冬天室外温度较低而空调难以启动的情况，有一定的改善作用。

由于实现了压缩机的无级变速，它也可以适应更大面积的制热要求。

健康空调的发展历史为：

最早是吸污材料，90年代光触媒、冷触媒已经逐渐被淘汰，2000年后，除尘、除垢显得很重要，2004年进入第三阶段，以杀菌、除菌为主导的健康空调技术替代原先技术，而成为市场主流，也使得市场上很多伪健康空调开始出现，各种健康技术也浮出水面，但技术水平差参不齐。

这个时候，空调的光波技术横空出世，成为健康空调的主流技术，但以光波技术为代表的企业并不多，只有格兰仕独树光波健康技术大旗，光波技术在我国应用时间较短，市场声音较小，但光波技术是目前市场上最为成熟的健康技术，也代表了行业的发展方向与趋势。

一.5总结

影响人的舒适与健康最为直接的因素就是建筑室内环境。

我们运用中央空调技术创造了美好的建筑室内环境，同时却使室外自然环境遭到破坏。

CFC制冷剂正在破坏保护人类生存的大气臭氧层，大量耗费的能源正在使可供利用的自然资源走向枯竭，大气、水和土壤正在受到污染，就连夏季空调排出的热也造成“热岛”现象，恶化了所处的城市环境。

为了贯彻可持续发展战略，建筑与空调未来的发展必须坚持“绿色建筑”和“绿色空调”的方向。

所谓“绿色建筑”就是指能为建筑中的人提供健康、舒适、安全、方便的室内环境，而又不损害周边、区域乃至全球环境，充分开发利用可再生资源和高效利用自然资源的建筑，当然符合这种条件的空调才能称之为“绿色空调”。

“绿色空调”是中央空调发展的必然方向。

“世界绿色建筑委员会”已宣告成立，总部设在澳大利亚，为推动全世界“绿色建筑”与“绿色空调”起了重大作用。

中国的“绿色建筑”已在北京、深圳和哈尔滨等地展开。

北京的“世界财富中心”大厦的绿色建筑，已通过美国认证标准的认证，这将是在21世纪之处出现在中国大地上的最具影响力的“绿色建筑”与“绿色空调”。

第二章总体方案设计和选择

二.1总体方案设计

二.1.1方案一

选用AT89C51单片机为中央处理器，通过温度传感器DS18B20对空气进行温度采集，将采集到的温度信号传输给单片机，由单片机控制显示器，并比较采集温度与设定温度是否一致，然后驱动空调机的加热或降温系统对空气进行处理，从而模拟实现空调温度控制单元的工作情况。

在整个设计中，涉及到温度检测电路、驱动控制电路、显示电路、键盘电路以及电源的设计等电路。

其中单片机的控制程序是起到各个电路之间的相互协调，控制各个电路正常工作的至关重要的作用。

其方框图如下：

图2.1方案一框图

控制简单，思路清晰，各单元模块的相互衔接较简单，同时成本低廉，用的各种器件都是常用器件，更具有使用性。

二.1.2方案二

该方案是以空调专用单片机uPD75028GC为核心部件，该单片机除了含有写入空调器专用程序外，还包含有OPV单片机处理器、数据存储器、程序存储器、定时计数器及输入接口等电路。

该程序可对输出的信号进行运算和比较，根据运算和比较的结果，对室外风机、室外压缩机、定时、制冷、制热、抽湿等功能进行控制。

室内机的控制电路主要有电压电路、整流电路、稳压电路、接受电路、发送电路、步进电机、室内风机、显示电路、按键电路和温度监测电路等组成。

由于方案采用了专门的单片机，所以设计中的所需要的程序提前烧制进了uPD75028GC，一切电路的设计和单片机各端口的分配就必须和单片机中的程序相对应。

其方框图如下：

图2.2方案二框图

该方案设计专业性高，特别是专用控制芯片uPD75028GC更是可以用作变频绿色节能空调的主控芯片，空调具有节能、噪音低等一系列优点。

但由于芯片专业程度高，价格昂贵，通常使用于高价位空调的的中央控制系统设计。

二.1.3方案三

该方案采用的是AT89C51单片机为核心控制器件，用它来处理各个单元电路的工作以及检测其运行情况。

本方案中采用的是AD590温度传感器，通过温度采集电路采集相关温度数值，再由ADC0809组成的A/D转换电路进行转换，最终得到数字信号，将其直接传输给单片机，然后由单片机根据内部程序判断，执行相关控制程序，驱动各单元电路的工作。

其方框图如下:

图2.3方案三框图

该方案容易控制，系统原理比较简单，电路可靠。

但其中的温度测量电路、译码电路复杂，容易产生误差和由电路复杂而导致的设备使用寿命低等一系列问题。

二.2总体方案选择及实现

方案选择：

选择方案一。

控制简单，思路清晰，各单元模块的相互连接较简单，同时成本低廉，用到的各种器件都是常用器件，更具有使用性。

具体的实现方案：

用按键输入标准温度值，用LED实时显示环境空气温度，用驱动电路控制压缩机完成加热和制冷调节，用单片机语言完成软件编程。

第三章硬件设计

三.1硬件各单元方案设计与选择

三.1.1温度传感部分

要求对温度和与温度有关的参量进行检测，应该考虑用热电阻传感器。

按照热电阻的性质可以分为半导体热电阻和金属热电阻两大类，前者通常称为热敏电阻，后者称为热电阻。

半导体热敏电阻是利用某些半导体材料的电阻值随温度的升高而减小（或升高）的特性制成的，大多数的半导体热敏电阻具有负温度系数。

负温度系数热敏电阻器的特点是：

在工作温度范围内电阻阻值随温度的升高而降低。

可满足40℃～90℃测量范围，具有灵敏度高，电阻值高，体积小，结构简单，价格低廉，化学稳定性好，使用寿命长等优点；但其互换性较差，而且线性度也很差，不能直接用于A/D转换，应该用硬件或软件对其进行线性化补偿。

金属热电阻中属铂电阻和铜电阻最为常用，这里以铂电阻Pt1000为例。

铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好，在0℃～100℃时，最大非线性偏差小于0.5℃。

铂热电阻与温度的关系是，Rt=R0（1+At+Bt×t）；其中Rt是温度为t摄氏度时的电阻，R0是温度为0摄氏度时的电阻，t为任意温度值，A、B为温度系数。

但其电阻与温度为非线性关系，且成本太贵，不适合做普通设计。

集成温度传感器是利用晶体管的PN结的电流电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成化，并把它们封装在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。

它除了与半导体热敏电阻一样有体积小、反应快的优点外，还具有线性好、性能高、价格低等特点，如DS18B20智能温度控制器。

单线数字温度传感器DS18B20简介：

新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济、数字化。

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。

DS18B20“一线总线”数字化温度传感器，支持“一线总线”接口，测温范围为-55℃~+125℃，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。

适合于各种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。

DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

DS18B20使电压特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统，并且应用电路电但便于设计。

在本设计中我采用的是集成温度传感器DS18B20，其电路简单可靠，不需要A/D转换，直接可以与单片机相连。

三.1.2数字显示部分

通常的LED显示器有7段或8段和“米”字段之分。

这种显示器有共阳极和共阴极两种。

共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。

同样，共阳极LED显示器的工作原理也一样。

LED显示器有两种显示方式：

静态显示方式：

在这种方式下，各位LED显示器的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或电源正），每位的段选线分别与一个8位的锁存器输出相连，各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止，正因为如此，静态显示器的亮度都较高。

若用I/O口接口，这需要占用N×8位I/O口（LED显示器的个数为N）。

这样的话，如果显示器的个数较多，那使用的I/O接口就更多，因此在显示位数较多的情况下，一般都不用静态显示。

动态显示方式：

当多位LED显示时，通常将所有位的段选线相应的并联在一起，由一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。

而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O口控制，实现各位的分时选通。

其中段选线占用一个8位I/O口，而位选线占用N个I/O口（N为LED显示器的个数）。

由于各位的段选线并联，段码的输出对各位来说都是相同的，因此，同一时刻，如果各位选线都处于选通状态的话，那LED显示器将显示相同的字符。

若要各位LED能显示出与本位相应的字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字符的段码。

这种显示方式占用的I/O口个数为8+N（N为LED显示器的个数），相对静态显示少了很多，但需要占用大量的CPU资源，当CPU处理别的事情时，显示可能出现闪烁或者不显示的情况。

为了节约硬件资源，降低电路板的成本，本人采用的是节约硬件资源的动态扫描显示方式。

三.1.3加热降温驱动控制电路

采用开关量控制，如继电器、双向可控硅、光耦等，控温快速，但是双向可控硅驱动电路比较麻烦，调试也麻烦，若用现成的固态继电器价格十分昂贵。

用继电器时要注意其电感的反向电动势，和开关触点对电源的影响，以及开关脉冲对整个电路的影响等，应该加入必要的防止干扰的措施。

1、采用单向晶闸管，这是一种大功率半导体器件，它既有单向导电的整流作用，又有可以控制的开关作用。

利用它可以用较小的功率控制较大功率，在交、直流电动机调速系统、调功系统、随动系统和无触点开关等方面均获得了广泛的应用。

这种晶闸管与二极管不同的是，当其两端加上正向电压而控制极不加电压时，晶闸管并不导通，其正向电流很小，处于正向阻断状态；当其两端加上正向电压、且控制极上（与阴极间）也加上一正向电压时，晶闸管便进入导通状态，这时管压降很小（1V左右）。

这时即使控制电压消失，仍然保持导通状态，所以控制电压没有必要一直存在，通常采用脉冲形式，以降低触发功耗。

它不具有自关断能力，要切断负载电流，只有使阳极电流减小到维持电流以下，或加上反向电压实现关断。

若在交流回路中应用，当电流过零和进入负半周时，自动关断，为了使其再次导通，必须重加控制信号。

2、采用光耦合双向可控硅驱动电路，这种器件是一种单片机输出与双向可控硅之间较理想的接口器件，它由输入和输出两部分组成，输入部分是一个砷化镓发光二极管，该二极管在5mA～15mA正向电流作用下发出足够强度的红外光，触发输出部分。

输出部分是一个硅光敏双向可控硅，在红外线的作用下可双向道通。

光电耦合器也常用于较远距离的信号隔离传送。

一方面光耦合器可以起到隔离两个系统地线的作用，使两个系统的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影响；另一方面，光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，可以形成电流环路的传送形式。

由于电流环电路是低阻抗电路，对噪音的敏感度低，因此提高通讯系统的抗干扰能力，常用于有噪音干扰的环境里传输信号。

达到同样的加热效果，开关量控制容易，驱动简单，驱动电路的抗干扰能力强。

所以我采用的是光耦合双向可控硅驱动电路。

三.1.4键盘输入部分

常用的键盘接口分为独立式按键接口和矩阵式键盘接口。

独立式按键接口是各种按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。

因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易