家用空调控制器的设计.docx
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家用空调控制器的设计
机电与车辆工程学院毕业设计（论文）
题目：
家用空调控制器的研究与设计
专业：
电子信息工程
班级：
09
（2）班
姓名：
张满意
学号：
1665090238
指导教师：
丁西明
日期：
2012年12月28日
家用空调控制器的研究与设计
摘要：
在自动控制领域中，温度检测和控制是非常重要的。
温度测量控制系统在工业和农业生产，科学研究和人们的生活，已被广泛使用。
因此，温度传感器应用在第一批各种传感器中。
目前，该温度传感器从模拟到数字集成化方向快速发展。
本文概述了温度控制器的发展和基本原理，介绍了其原理和特点，在充分分析了各种温度传感器的优点和缺点的基础上，设计了温度采集的部分电路，并讨论了温度测量系统的一些主要参数。
同时，在温度控制系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。
对温度采集，接收，处理，显示的整体设计方案进行论证，进一步介绍了单片机在系统中的应用，分析了系统各部分的硬件和软件。
本文介绍了89C52单片机为核心的空调温度控制系统。
空调温度控制系统的设计原理，是由单片机完成数据采集，处理，显示。
该系统在正常条件下对温度值进行测量，确定是否满足设定要求，利用单片机控制空调指令系统从而达到所需温度。
关键词：
单片机控制DS18B20传感器度LED显示器
1前言
现代信息技术基础是信息采集和控制（即，温度控制器技术），信息传输（通信）和信息处理（计算机技术）。
温度控制器，属于信息技术的前沿尖端的产品，尤其是温度控制器广泛应用于工农业生产，科学研究和其他领域的生活，这个数量还在上升。
近百年来，温控器的发展经历了以下几个阶段：
（1）仿真，集成温度控制器；
（2）智能数字温度控制器。
目前，国际新型温控器从模拟到数字，从集成到智能化，且向网络化方向发展。
温度控制器是一种温度控制装置，其根据温度和设定温度之差控制中央空调末端水阀（阀）和风扇，从而改变温度以满足用户的要求。
实现上述目的的方法有很多，但目前主要有机械式温度控制器和智能电子式系列。
普通空调温度控制基本上是一个独立的闭环温度控制系统，主要由温度传感器，双控制器，温度设定机构，手动三速开关和开关切换。
它的控制原理是空调控制器根据温度传感器采集的温度和设定值的比较结果产生双位控制信号，控制冷、热水循环管路电动水阀（2路阀或阀）开关，切断和开放线圈内的水流循环方式，调整供应空气温度（冷却能力）。
第一代的恒温空调电器的空调温度控制普遍存在“设定温度分度值太厚”，“时间常数太大”，“机械式开关易损坏”等问题。
下一代电子产品空调温度控制，使用温度传感器热敏电阻传感器，部分产品的温度和风速开关通过触摸按键和液晶屏实现人机交互界面，并自动切换，运算放大电路和开关电路实现双调节。
这种智能空调温度控制产品提供高人机交互接口，解决“设定温度分度值太粗”等问题，但仍存在精确度不高等问题。
目前，国内外厂商开发的第三代智能型房间空调的温度控制，应用新的模型和数值控制芯片实现智能控制。
开发出的许多智能型室温空调温控器，已应用于实际工程。
2系统方案的确定
2.1温度传感器产品分类与选择
温度是日常生活中经常遇到的一个物理量，它也是研究和生产中最常见的，一个最基本的物理量。
在很多场合需要温度控制，温度控制首先要有温度传感器来感应温度，因此，掌握正确的温度测量方法和温度传感器的使用方法是非常重要的
2.1.1常用的测温方法
一个物体被加热至高温，任何2个温度不同的物体接触都会产生热交换，直到两者温度平衡。
因此，可以选择一个温度传感器与被测物体接触来测量温度，这种方法称为接触式温度测量。
接触式温度测量适用于低温度的测量
此外，该物体加热到温度很高时也伴随着热辐射，因此，可利用温度传感器接收被测物体在不同温度和不同的辐射能量来测量温度，这种测量方法称为非接触式温度测量。
非接触温度测量适用于高温测量。
2.1.2温度传感器产品分类
目前，对温度传感器进行分类还没有统一的标准。
根据输出分类可分为数字温度传感器和模拟温度传感器。
根据测温方式分类有接触示温度传感器和非接触式温度传感器。
按类型分类离散温度，可分为模拟集成温度传感器和数字温度传感器。
模拟温度器的输出是随温度变化的模拟信号，其特点是响应速度快和微处理器接口复杂。
数字温度传感器的输出是随温度变化的数字量，与模拟输出相比，速度较慢，但微处理器容易处理。
以下对常用温度传感器的应用作简单介绍：
1.热敏电阻传感器
热敏电阻温度传感器的特点是，其电阻值随温度的变化而变化。
电阻式温度传感器是利用半导体材料和热敏电阻型敏感元件，通常用在热敏电阻温度传感器的电阻具有负温度系数，它的电阻率受温度的影响很大，而且随温度的升高而减少，简称NTC，其优点是灵敏度高，体积小，使用寿命长，运行稳定，易于实现远距离测控；缺点是互换性差，非线性严重。
2.热电阻式温度传感器
利用热电阻温度系数随温度变化的特性而制成的温度传感器。
称为热电温度传感器。
对于大多数金属导体，其电阻值随温度升高的特点。
因此纯金属温度系数较高，因此采用纯金属的电阻元件。
常用的金属导体材料为铂，铜，铁和镍。
3.热电偶式温度传感器
热电偶是一种温度传感器，温度范围为-50至+1600到+2800℃，测量精度高。
此外，热电偶产品已标准化，系列化，选择简单，可以使用电脑做线性补偿，因此到目前为止，在温度场中仍广泛使用。
它的理论基础是建立在热电效应上，将热能转化为电能。
4.模拟集成温度传感器
集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅传感器或单片集成传感器。
模拟集成温度传感器是在十九年代出来的。
它是温度传感器集成在一个芯片，可以实现温度测量和模拟信号输出功能的集成电路，它属于一种最简单的集成温度传感器。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（只测量温度），测温误差小，成本低，响应速度快，传输距离远，体积小，功耗低，适合长距离的测量，温度控制。
具有无需校准的非线性。
它是目前国内外，广泛使用的集成传感器。
5.智能温度传感器
智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。
智能温度传感器是微电子技术，计算机技术和自动测试技术的结晶，它是集成温度传感器领域中最具活力和潜力的新产品。
目前，许多著名的集成电路生产商已开发出数百种智能温度传感器产品。
智能温度传感器具有以下三个特点：
第一，可以输出温度数据和温度控制相关量，适应各种微控制器（单片机）；其次，具有优越的性价比，多功能智能温度测量与控制系统；第三，它是在硬件的基础上通过软件实现测试功能，其智能化程度也取决于软件开发水平。
智能温度传感器内部包含一个传感器，内存（或注册）和接口电路。
一些产品还带有多路控制器，中央控制器（中央处理器），随机存取记忆体（内存）和只读存储器（光盘）等。
2.1.3温度传感器的选择
在介绍温度传感器的选择原则之前，首先介绍了测控系统的一般原理和传感器的选择。
1.选择传感器的总原则
合理的选择传感器要根据具体的控制目标，控制对象和控制环境。
单片机测控系统首先要考虑的是温度，温度的感应尤为重要。
如何选择才算合理，作为单片机测控系统前向通道的重要组成部分，在传感器的选择应考虑以下几个方面：
（1）根据测控对象与测控环境确定传感器的类型
首先考虑了传感器的工作原理，这需要分析多种因素。
因为，即使是测量同一物理量，传感器原理也有多种可供选择的方案，往往只有一个传感器的工作原理是比较合适的，
首先考虑传感器的一些重要参数：
（1）传感器的测量范围；
（2）传感器对测量位置的要求；3）测量接触或非接触的要求，4）输出是有线或无线的；5）购买或研制的传感器的价格因素。
在充分综合考虑上述因素方可确定选择什么类型的传感器。
然后考虑传感器的具体性能指标：
（1）敏感性选择，在满足测量范围的既相互上，传感器的灵敏度越高越好。
（2）频率响应特性
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，传感器的频率响应好，可测的信号频率范围就宽，输出信号的传感器必须在频率允许的范围内保持不变形，事实上，传感器的反应总是有延迟的。
（3）线性范围
传感器的线性范围是指输出信号与输入量成正比的范围。
从理论上讲，在此范围内灵敏度应保持定值。
在选择传感器，当传感器类型确定后的第一个看线性范围是否满足要求。
（4）稳定性
传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。
影响稳定的因素除了传感器结构本身结构外，主要是传感器的使用环境。
因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须有较强的环境适应能力。
（5）准确性，
准确性是传感器的一个重要性能指标，它涉及到测量和控制系统的一个重要部分是测量精度。
传感器的精度高，价格昂贵，因此，选择时要充分考虑
2温度传感器的选择
传感器技术已广泛应用于电子产品，玩具，家用电子产品，工业测量和控制系统，计算机应用。
传统上垂直温度传感器是最常用的温度传感器元件，集成温度传感器的特点是测量误差小，价格低，响应速度快，传输距离远，体积小，功耗低，适合长距离的测量，温度控制，而不需要一个非线性校正，外围电路简单，它是目前国内外最常见的应用温度传感器。
综上所述，不同传感器，不同的应用场合、温度测量和控制系统，传感器是一个关键组成，因此选择合适的传感器是非常重要的。
选择原则是先考虑温度范围，温度控制精度，温度测量环境，价格和其他方面的因素。
2.2总体方案的确定
考虑到制冷控制系统功能比较小，可实现单片机控制。
而AT89C52单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，系统采用89C52单片机。
在温度采集方面使用单线数字温度传感器DS18B20采集数据。
DS18B20数字温度计读数范围是9到12温度，装置温度信息通过单线接口送入DS18B20，所以中央处理器DS18B20只需一个连接线，读写完成温度变换所需的电源可以通过数据线本身提供，即使没有外部电源供应器。
而总体方案和系统电路图方面基本上和热敏式传感器相同，只在数据采集方面有所差别。
具体电路图见附录所示。
根据传感器的选型原则，同时考虑到模拟输出传感器会带来许多不便，体现在布线，信号处理复杂，硬件实现困难上。
上文已经提到，热敏电阻温度传感器互换性，非线性严重。
数字温度传感器DS18B20数字输出接线简单，可以直接用来作为输入数据，考虑到在一般环境下，其灵敏度，线性范围，稳定，或在精度方面的强大功能，能充分满足设计要求。
但DS18B20也有缺点，就是软件实现更复杂，但相对于模拟输出的硬件实现，这将是一个更容易。
在本设计中，温度数据采集使用DS18B20传感器。
3系统电路总体设计
3.1系统工作原理
空调控制系统用AT89C52单片机作为系统的中央处理器，控数字式传感器DS18B20对温度进行数据采集，单片机将采集到的数据进行处理，得到各种信号。
这些信号被用来作为数码管显示输入信号和启动制冷设备，电热设备输入。
同时，利用单片机的其他端口实现系统复位，手动调节和自动调节
3.2系统硬件设计
系统硬件由温度采集电路，信号处理和控制电路，温度设置电路，温度显示电路和控制指示电路五部分组成。
3.2.1温度采集电路
系统采用DS18B20采集温度转化为数字信号，DS18B20是达拉斯半导体公司在世界上第一个支持“一线总线温度传感器接口，”。
和之前的传感器相比，DS18B20更小，更经济，更广泛地适用电压。
具有巴士线和独特的经济特性，使用户可以轻松地建立了一个传感器网络，为测量系统的构建引入了新概念。
“单总线数字温度传感器DS18B20”支持“一线总线”界面，测量温度范围为-55℃到+125℃，在-10到+85℃范围内,精度为±0.5℃。
现场温度直接向“总线”传输数字化，提高了系统的抗干扰性能。
适合于恶劣环境的现场温度测量，如：
环境控制，设备或过程控制，电子消费产品的温度测量。
与前一代产品，新产品支持5.5v电压范围，使系统更加灵活、方便，更便宜。
DS18B20可以编程9到12位的分辨率，精度±0.5℃。
当为12位的分辨率，转换时间为750ms。
用户可以选择一个更小的封装，较宽的电压范围和分辨率设置，而用户设置报警温度存储在EEPROM，掉电后依然保存。
DS18B20一般为三极管型封装，引脚图如图4所示。
引脚分别为：
GND——地线；QD——数字信号输入/输出端；VDD——外接供电电源（可选5V）。
图2DS18B20引脚图
单片机89C52，输入/输出端口分别为P1，P2，P3。
其中P3是一个内部上拉电阻的8位双向输入/输出端口。
P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写1时，通过内部的上拉电阻端口拉到高电位，这时可用作输入口。
P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被电阻拉低的引脚会输出一个电流。
P3的端口也用于一些复用功能，如表1所示。
表1单片机89C52-P3口的功能及在本系统中的应用
端口引脚
复用功能
本系统接口分配
P3.0
RXD（串行口输入口）
与手动升温按钮连接
P3.1
TXD（串行口输出口）
与手动降温按钮连接
P3.2
INT0（外部中断）
与手动调节确认按钮连接
P3.3
INT1（外部中断1）
与DS18B20的I/O端口通讯
P3.4
T0（定时器0的外部输入）
与高温报警的二极管连接
P3.5
T1（定时器1的外部输入）
与低温报警的二极管连接
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
备用
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
备用
在该系统中，DS18B20的数字信号输入/输出端连接到89C52的P3.3中，作为89C52的数据输入。
3.2.2信号处理与控制电路
信号处理和控制是以52单片机为核心的基本电路。
此电路以52单片机为核心，52的具体引脚图如图3。
在该系统中，要使单片机实现信号处理与控制，则要使单片机的20脚（GND）接地，40脚（Vcc）和31脚（/EA）接正5V电源。
18、19脚（XTAL2、XTAL1）接12MHz的
晶振和两个电容，组成片内振荡电路，为单片机提供时钟脉冲。
9脚（RST）接按键复位电路，提供复位信号给单片机。
图389C52引脚图
89C52芯片内高增益反相放大器，用于形成振荡器。
反相放大器的输为XTAL1，输出端为XTAL2，，石英晶体和电容可以形成稳定的自激振荡器。
两只电容器通常大约是30pf，稳定的频率对振荡频率的有调节作用。
如图4所示。
图4晶振电路
手动复位是通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态。
系统上电运行后，若需要复位，则通过手动复位来实现的。
如图5所示。
图5手动复位电路
3.2.3温度显示电路
本系统中，温度显示硬件由74HC138八位二进制译十进制译码，信号放大器和四位一共阴数码管构成。
在这个系统中，温度显示硬件由74HC38八位二进制转换十进制译码器，74hc245信号功率放大和四个共阴极数码管。
四位一体共阴数码管构成。
这是1，4，5，7英尺的选择，分别从左至右，四个数码管，低电平输入选通。
其余的其他引脚输入数据的电路，数码管的8个数据引脚（a、b、c、d、e、f、g、d、p）。
见图6
图6LED数码管引脚图
由于要对四位一体共阴数码管提供位选信号，供其选通四个数码管,所以在系统中使用了74HC138八位二进制译十进制译码器74HC138八位二进制
十进制译码器第1、2、3脚A、B、C为二进制输入脚。
其引脚图如图7所示。
图7、74HC138引脚图
74HC138的1、2、3脚分别与单片机的P1.0、P1.1、P1.2脚相连，单片机的这三个管脚输出选通二进制信号，输入到74HC138译码，由74HC138的Y0至Y7脚（本电路只用了Y0、Y1、Y3）将译码十进制信号输出到四位一体共阴数码管，以达到对数码管的位选作用。
译码电路如图8所示。
图8译码电路
信号功率放大电路
为了使结果获得足够大的电流来显示温度，该系统使用74hc245功率放大器，单片机处理温度数据通过74hc245功率放大器，然后输入到数码管显示。
74HC245引脚图如图9所示。
引脚说明：
第1脚DIR，为输入输出端口转换用，DIR=“1”高电
平时信号由“A”端输入“B”端输出，DIR=“0”低电平时
信号由“B”端输入“A”端输出。
第2到9脚“A”信号输入输出端，A1=B1……A8=B8，
A1与B1是一组，如果DIR=“1”,G=“0”则A1输入B1输出，其它类同。
如果DIR=“0”G=“0”则B1输入A1输出，其它类同。
第11到18脚“B”信号输入输出端，功能与“A”端一
样，不再赘述。
图974HC245引脚图
第19脚G使能端，若该脚为“1”，A/B端的信号将不导通，只有为“0”时A/B端才被启用，该脚也就是起到开关的作用。
第10脚GND，电源地。
第20脚VCC，电源正极。
本电路选择DIR=“1”，G=“0”则A1输入B1输出，单片机P2口输出显示8位二进制数据信号到74HC245的A1~A8脚，使信号功率放大，再通过B1到B8脚输出到四位一体共阴数码管数据脚，驱动数码管显示。
具体电路图如图10所示。
图10信号功率放大电路图
3.2.4温度设置电路
温度调节器是由三个不锁按键电路的实现。
电路图如图11所示。
K1键与单片机的外部中断0（/int0,12）连接，另一端接地。
它的功能是当按下按钮，为单片机低一级，进入温度设定状态；当再次按下，然后退出设定状态。
K2，K3，一端接地，另一端与单片机10引脚和11引脚相连接，它的功能是每按下一个键，温度显示值加1或-1。
图11温度设置电路
3.2.5控制指示电路
控制电路由两只显示灯，由单片机p3.4（引脚14），p3.5（引脚15，见表1）输出信号控制。
在这个系统中，当温度超过26摄氏度，单片机p3.5输出高电平，高温彩色光驱动器，启动制冷设备。
当温度低于摄氏18度，单片机p3.4输出高电平，启动电加热设备。
3.3系统软件设计
3.3.1DS18B20数据通信
DS18B20数据通信，其命令序列有3步：
初始化、ROM命令（跟随需要交换的数据）和功能命令（跟随需要交换的数据）。
每次访问DS18B20，必须严格遵守这个命令时序，如果出现序列混乱，则单总线则单总线器件不会响应主机。
这个准则对于搜索ROM命令和报警搜索命令例外，在执行两者中任何一条命令之后，主机不能执行其后的功能命令，而必须返回至第一步。
1.初始化
单总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，初始化过程由主机发出的复位脉冲和从机响应的应答脉冲组成，应答脉冲使主机知道总线上有从机设备且准备就绪。
2.ROM命令
在主机检测到应答脉冲后，就可以发出ROM命令。
ROM命令与各个从机设备的唯一64位ROM代码相关，允许主机在单总线上连接多个从机设备时，指定操作某个从机设备。
ROM命令还允许能够检测到总线上有多少个从机设备及其设备类型，或者有没有设备处于报警状态。
（1）搜索ROM[F0h]
当系统初始上电时，主机必须找出总线上所有从机设备的ROM代码，这样主机才能够判断出从机的数目和类型。
主机通过重复执行搜索ROM循环（搜索ROM命令跟随着位数据交换），以找出总线上所有的从机设备。
如果总线只有一个从机设备，则可以采用读ROM命令来替代搜索ROM命令。
在每次执行完搜索ROM循环后，主机必须返回至命令序列的第一步：
初始化。
（2）读ROM[33h]（仅适合于单节点）
该命令仅适用于总线上只有一个从机设备，它允许主机直接读出从机的64位ROM代码，而无须执行搜索ROM过程。
如果该命令用于多节点，系统则必然发生数据冲突，因为每个从机设备都会响应该命令。
（3）匹配ROM[55h]
匹配ROM命令跟随64位ROM代码，从而允许主机访问多节点系统中某个指定的从机设备。
仅当从机完全匹配64位ROM代码时，才会响应主机随后发出的功能命令，其他设备将处于等待复位脉冲状态。
（4）跳跃ROM[CCh]（仅适合于单节点）
主机能够采用该命令同时访问总线上的所有从机设备，而无须发出任何ROM代码信息。
例如，主机通过在发出跳越ROM命令后，跟随转换温度命令[44h]就可以同时命令总线上所有的DS18B20开始转换速度，这样大大节省了主机的时间。
注意：
如果跳越ROM命令跟随的是读操作命令，则该命令只能应用于单节点系统，否则将由于多个节点都响应该命令而引起数据冲突。
（5）报警搜索[Ech]
除那些设置了报警标志的从机响应外，该命令的工作方式完全等同于搜索ROM命令，该命令允许主机设备判断哪些从机设备发生了报警（如最近的测量温度过高或过低等）。
同搜索ROM命令一样，在完成报警搜索循环后，主机必须返回至命令序列的第一步。
3.功能命令
在主机发出ROM命令，以访问某个指定的DS18B20，接着就可以发出DS18B20的某个功能命令。
这些命令允许主机写入或读出DS18B20的存储器，启动温度转换以及判断从机的供电方式。
（1）读RAM存储器[BEh]
此命令读RAM存储器的内容，开始读字节0，并继续读到第九个字节（CRC）。
如果不是所有位置均可读，那么主机可以再任何时候发出一复位命令以中止读操作。
（2）复制RAM存储器（48h）
此命令读RAM存储器的内容，开始读字节0，并继续读到第九个字节（CRC）。
如果不是所有位置均可读，那么主机可以再任何时候发出一复位命令以中止读操作。
（3）重新调出EERAM[B8h]
此命令把存储在EERAM中TH、TL、CONF的值重新调至RAM存储器。
这种重新调出的操作在对DS18B20上电时也自动发生，因此只要器件一接电，暂存存储器内就有有效的数据可供使用。
（4）读电源[B4h]
在此命令送至DS18B20之后最先发出的读数据时间片，器件都会给其电源方式的信号：
0=强上拉电阻供电；1=电源供电。
（5）写RAM存储器[44h]
写数据到RAM存储器，地址为第2、第3、第4字节（TH、TL、CONF）。
（6）温度变换[44h]
此命令开始温度变换，不需要另外的数据。
温度变换将被执行，接着DS18B20便保持在空闲状态。
3.3.2系统流程图设计
1）主程序模块（如图12所示）。
2）DS18B20通讯模块（如图13所示）。
3）温度设置模块（如图14所示）。
4）温度显示模块（如图15所示）。
5）读取温度信号值。
6）与设定值比较，决定空调状态（制冷还是制暖）。
主程序流程图如图12所示。
图12主程序流程图
根据上述DS18B20的通信原理，DS18B20的工作流程如图所示。
图13DS18B20工作流程图
图14温度设置软件流程图图15温度显示
4结论
基于AT89C52为核心的温度控制器在实际应用中取得了良好的效果，提高了温度采集系统的可靠性，且因硬件电路中所用的器件价格低廉硬件电路设计较合理，系统成本低，测温精确，可靠性较高，从而一定程度上满足了温度控制器的设计要求。
致谢
经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。
在这里要感谢我的导师丁西明老师。
她平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料，到设计草案的确定和修改，从中期检查，到后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。
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