空调温度自动控制系统设计

基于单片机的温度控制电路 学 院 江汉大学机建学院 专 业 光机电一体化 班 级 08光机电一 学 号 016508201248 姓 名 李杰 指导教师 兰琳 负责教师 兰琳 江汉大学机电与建筑学院 2012年2月 摘 要 本文介绍了基于C51单片机和电压比较器的空调温度自动控制系统，重点研究了温度采集模块和电压比较模块。通过对温度采集模块不同(热电偶传感器、电阻式温度探测器和半导体型温度传感器)的比较和分析，得出最佳结果，并详细分析了温度传感器AD590分别在单片机和电压比较器控制下的；通过分析空调控制器工作原理，结合课本知识，设计出电压比较模块电路和A/D转换电路。本文在阐述多点测温系统设计背景及单片机工作原理的基础上，详细介绍了该系统的硬件和软件设计过程。其中，硬件设计是以AT89S52单片机和DS18B20数字温度传感器为核心器件，主要由四路温度采集、单片机数据处理、键盘输入、LCD温度显示等四部分组成。软件设计采用模块化编程，使得程序易于调试和维护，并利用C语言实现数据处理、LCD显示、键盘扫描等各功能子程序的编写，并通过PROTEL DXP软件对该系统的各项功能进行了仿真。大量实验表明，所设计的单片机空调测温系统能够较好实现空调各项功能。该系统结构简单、抗干扰性强、实用性强，具有一定的工程应用价值。 关键词：C51单片机；电压比较器；温度传感器； A/D转换电路LCD显示 Abstract This article describes the automatic control system of air-conditioning temperature which bases C51 microcontroller, and focusing on the temperature acquisition module and the voltage comparator module. Through temperature acquisition module on different options (thermocouple sensors, resistance temperature detectors and semiconductor temperature sensor) in comparison and analysis to obtain best results. And I make a detailed analysis of work flow temperature sensor AD590. By analyzing the working principle of air conditioning controller, combined with textbook knowledge to design a voltage comparator circuit module. In addition, the paper also describes the temperature control system used in the microcontroller and the A / D converter circuit design. This article analyses more temperature measurement system design background and single chip microcomputer, the basic principle of the system is discussed in detail the hardware and software design process. Among them, the hardware design is AT89S52 SCM and digital temperature sensor DS18B20 for the core device, and the main road 4 temperature gathering and single-chip microcomputer data processing, keyboard input, LCD temperature display four components. The software design using modular programming method, and makes the program is easy to debug and maintenance, and by using C language implementation data processing, LCD display, keyboard scan each function and the writing of the procedure, and through the system software PROTEL DXP each function of the simulation. Experiments show that the design of the single chip microcomputer temperature measuring system is able to air conditioning better realize the function of air conditioning. The system structure is simple and robust of, practical strong, has some of the engineering application value. Key words: C51 microcontroller; voltage comparator; temperature sensor; A / D converter circuit；LCD 目录 摘要……………………………………………………………………3 第一章：绪论………………………………………………………………… 1.1课题来源…………………………………………………… 1.2温度采集系统的意义…………………………………………… 1.3研究的目的及意义…………………………………… 1.4温度传感器的国内外研究动态……………………… 第二章：整体思路………………………………………………………3 2.1系统设计方框图 2.2系统方案选择 2.3系统部件功能简介 第三章温度采集部分…………………………………………………………4 3.1温度传感器……………………………………………………………4 3.1．1…………………………………………………………………… 3.1.2…………………………………………………………………… 3.1.3…………………………………………………………………… 3.2 AD590的分析研究……………………………………………………6 3.2.1…………………………………………………………………… 3.2.2…………………………………………………………………… 第四章：电压比较器……………………………………………………………7 第五章：单片机和A/D转换电路软件设计设计………………………………9 5.1A/D转换程序流程图 5.2显示程序流程图 总结…………………………………………………………………10 参考文献…………………………………………………………………11 附录 引言 空调作为一种季节性很强的市场，进入到2011冷冻年度以来，还是走出了与往年迥异的走势，其特点也与往年有所不同。新年度开盘至今已经整整五个多月了，纵观这淡季五个月的时间，其实空调行业并不平静，走出了先抑后扬的走势。... 　　用一句当下时髦语言来说中国空调产业的话，那就是——2010年很给力。据国家统计局公布的一份《工业主要产品产量及增长速度》表显示，截至今年11月，国内空调器的产量突破1亿台，达到10287.8万台。这一数据进一步表明，中国作为全球最大的空调制造基地地位，已是无人能够撼动。 　　不过空调作为一种季节性很强的市场，进入到2011冷冻年度以来，还是走出了与往年迥异的走势，其特点也与往年有所不同。新年度开盘至今已经整整五个多月了，纵观这淡季五个月的时间，其实空调行业并不平静，走出了先抑后扬的走势。 　　2011冷冻年度开盘是相对比较平淡的，与往年那种高调开盘形成了鲜明的对比。上年度开盘，行业企业基本上都是集中在8—9月份召开年度经销商会议，而今年开盘仅有为数不多的几家品牌召开会，并且会议规模也不如上年度那么大。上年度格兰仕空调的中国市场年会参加经销商达到3000多人，今年包括格兰仕在内的多数品牌只是召开核心经销商会议，并且在规模上显得也比较小，完全没有那种轰轰烈烈的规模气势。 　　今年开盘前期市场为何相对比较沉寂呢？客观上讲，一来2010年旺季持续时间比较长，直到8月份市场还在旺销，劳累了整整一个旺季，不论厂家还是商家，都需要一个休养生息的时间，因此开盘初期出现一段时期的平淡也是在情理之中；二来往年强势开盘目的就是为了吸引经销商淡季打款，今年在流动性充裕的经济环境下，出台淡季吸款政策的冲动并不是很强；三来2010年旺季持续时间比较长，库存基本上消化完毕，少了清理老库存的压力；四来经过行业的洗牌升级，行业品牌的集中度已经非常之高。生存下来为数不多的品牌，相对已是比较理性，在市场上大幅炒作的冲动已很小。 　　从主观上来说，市场在淡季前期沉寂，还有一个微妙的因素，也是大家不愿说或者是不便说的。那就是在2010年实施“节能惠民”、“以旧换新”政策中，不论厂商普遍有一些投机取巧，钻政策空子的行为。淡季前期正是各厂商结算政策补贴的关键时期，并且政府有关部门对此状况有所了解，当时正在各地做有针对性的调研。在此节骨眼上，没有哪个厂家会高调抛头露面，否则那不是自找麻烦吗？在当时，偃旗息鼓静观其变才是最为理智策略，这就是为什么2011年开盘初期市场沉寂的重要原因之一。 　　综上所述，淡季前期不是各品牌不给力，而是由各种因素纠结在一起，制约各个厂家不愿过早发力。 　　活动增多转活跃 　　进入到淡季中期，也就是2010年10月底以后，市场环境情况似乎也发生了变化，行业很快就进入到给力期。一方面主要是针对各企业执行“节能惠民”与“以旧换新”的调查已经告一段落，该结算的已经获得结算，企业的后顾之忧已经基本解决；另一方面市场也急需得到启动，否则淡季市场不能够放量，实现一部分销售额，一年的恐怕就的泡汤。 　　在空调产品进入中国市场初期，所谓淡季基本上是不做销售的。随着各个企业产能的不断扩大，如果仅依靠旺季做销售，已经远不能满足产能的释放。因此，聪明的国内空调人，就发明了淡季吸款放货，把产品输送到产业链的流通环节中，迫使经销商在淡季也想办法促销，实现淡季销售比例的扩大。国内空调市场起步初期那种淡季“刀枪入库，马放南山”的景象已不复存在。 　　进入2010年10月之后，行业主流品牌都开始逐步活跃起来。10月末，美的集团举行了隆重的庆典仪式。集团董事局主席何享健宣布，截至今年10月，美的集团销售收入首次突破1000亿元。他同时提出“再造一个美的”的目标：到2015年美的实现销售收入2000亿元，其雄心何其壮也。11月8日，海信科龙在青岛召开主题为“合作、共赢、新起点”的2010年空调全球核心供应商大会，旨在空调核心部件的研发升级、战略采购、未来发展方面缔结战略同盟，以进一步发挥海信科龙在变频空调领域的技术优势和提升市场地位。 　　进入2010年12月份，市场更是好戏来台。12月13日奥克斯“热霸”空调上市发布会暨奥克斯空调2011年产品战略发布会在北京举行，展示了奥克斯有效解决空调制热软肋的新技术产品，标志着奥克斯空调实现了从价格战向价值战的华丽转型成功；12月17日，广州松下召开主题为“智慧引擎品鉴节能舒适”的新品发布会，18各系列的新产品惊艳亮相，展示了松下技术领先的产品优势。不久，12月20日志高空调与国际同业协会共同在北京联合宣布，全球首台“Cu＋铜抑菌家用空调”面世，一方面彰显了志高在空调领域强大的研发制造能力，另一方面表明了志高在进军产品高端领域的决心与实力。一系列眼花缭乱的市场行为，在年末的空调市场掀起了一轮又一轮的波澜。各个厂家不惜气力的进行一系列市场运作，目的很明显，就是为了启动淡季市场，给2011冷冻年度整体销售奠定坚实的基础。 　　产品升级为重点 　　与往年不同的是，2011冷年淡季市场活跃的焦点，主要集中在新技术、新产品的发布与推广，决非以往多关注在市场概念的宣传与炒作上。 　　行业龙头格力，进入新年度就宣称以核心技术打造超薄空调，并且大力宣传掌握核心技术制造最好的变频。美的变频空调再次在全国强势启动“超强制热，送暖千万家”——“贺美的年销售额突破1000亿感恩回馈月”活动，让空调市场也再次吹起“热”销风暴。11月中旬美的高调召开“太阳能直流供电准并网技术的研究及在空调器中的应用”科技成果鉴定会，美的申报的太阳能直流变频项目成果新颖、独特，实现了太阳能光伏发电作为部分动力源的应用新模式，开创了家用电器有效利用太阳能的新途径。海尔则是推出物联网空调，把空调产品与先进的网联网技术挂上了钩，又在创新上另辟出了溪径。 　　行业龙头们在比拼技术产品，其他品牌也没有闲着。奥克斯新推出的“热霸”空调产品，解决了行业多年来制热软肋的问题，其中“热霸”得到了自主研发的五大核心技术的支持。志高推出的铜抑菌空调，是对空调健康概念的一个突破，对特别在乎产品健康的高端消费者来说，提供了一个有别于他人的解决方案。格兰仕则是把无氟制冷剂引用到定频空调上，为无氟制冷剂的普及做出了贡献。松下空调是把先进的智能技术应用到空调上，实现了空调的“聪明感应”，真正成为宜人宜居绿色生活的典范。 　　市场竞争转向产品作为焦点，表明了行业竞争逐渐趋于理性。特别是各个企业在研发的方向上，与往年有了明显的差异。往年各企业在研发上，主要是在寻找怎样能够降低成本，以便节约出资源来打价格战。今年我们发现，不论海尔的“物联网空调”产品、志高的“铜抑菌”空调，还是奥克斯的“热霸”空调，最基本的一点都是比普通产品增加了成本。如，海尔“物联网空调”就需要增加用以于网络连接的控制系统，奥克斯“热霸“空调需要增加压缩机、系统、管道，而志高“铜抑菌”则是以贵重的铜替代便宜的铝来做散热片。这种以增加成本的创新在以往是难以想象的。 　　企业能够把竞争焦点转向产品，不仅对企业来说是一件好事，主要的是对整个行业的健康发展十分有益。我们知道，在国内空调市场发展的近20年间，企业之间的竞争主要体现在价格的比拼上，今年主流品牌都把焦点集中在产品上，说明经过多年来价格战的纷争后，已经意识到产品才是最核心的竞争力。因而，集中精力在研发产品上下工夫，拿出真正有技术竞争力的产品，力求以产品致力于今后竞争中立于不败之地。 第一章：绪论 1.1课题来源 随着单片机和工业生产自动化程度的不断提高，单片机测控技术已近得到广泛推广和应用。这种单片机测试技术为工业控制、家用电器和仪器仪表智能化的应用提供了一种全新的、有效的测试方法，并具有很大的使用意义和前景。 影响空调温度的主要参数是环境的温度，这两者之间又是互相关联的。粮食在正常储藏过程中，含水量一般在12％一下（为安全状态），不会产生温度突变，一旦粮库进水、结露等是粮食含水量达到20％以上时，由于粮食受潮，胚芽萌发，新陈代谢加快而产生呼吸热，是局部粮食温度突然升高，必然引起粮食“发烧”和霉变，并可能形成连锁反应，从而造成不可挽回的损失。因此设计出一种经济实用的粮库温湿度智能检测系统是非常有必要的。 本文根据粮仓环境测试的特点，应用现代检测理论，对温室的温度进行自动监测，完成了整个监测检测系统的软、硬件设计。 1概述 在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会.而今，空调等家用电器随着生产技术的发展和生活水平的提高越来越普及，一个简单，稳定的温度控制系统能更好的适应市场。 随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么单片机技术的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。目前，单片机在工业控制系统诸多领域得到了极为广泛的应用。特别是其中的C51系列的单片机的出现，具有更好的稳定性，更快和更准确的运算精度，推动了工业生产，影响着人们的工作和学习。但对于一些简单的控制模块，也可以通过集成运放来实现。本文用单片机控制和迟滞电路控制两种方法设计了空调温度自动控制系统。 由于笔者尚未学习单片机课程，对于很多涉及到单片机专业知识的内容是通过查找资料得到的；为了与模拟集成电路基础课程内容相对应，本文主要对传感器对温度的采集和温度调节部分进行详细探讨，并对所利用到的单片机系统和A/D转换进行基础的介绍。 温度采集部分需要用到温度传感器对温度的采集，以及电压—电流变换电路；温度调节部分需要用到电压比较器等，与我们的课程内容相一致。 2整体思路 思路一：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，再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循环对空气进行处理，从而模拟实现空调温度控制单元的工作情况。空调温控器主要由单片机，时序电路，温度采样电路，A/D转换电路，温度显示电路，温度输入电路，驱动电路等组成。系统原理图见图1所示： 图1 思路一设计框图 思路二：通过温度传感器对空气进行温度采集，将信号送入由迟滞比较器组成的电压比较电路，进而进行温度调节。系统原理图见图2所示： 图2 思路二设计框图 3温度采集部分 3.1温度传感器 利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。温度传感器种类很多，主要有热电偶传感器、热电阻型温度传感器、热敏电阻、晶体管温度传感器、PN 结温度传感器、热膨胀型温度传感器、示温涂料型温度传感器、辐射式温度传感器、热释电式温度传感器、电容型温度传感器、光纤温度传感器。 3.1.1方案比较 在选择温度传感器时应考虑的几个因素是：温度测量范围、精度响应时间、稳定性、线性度和灵敏度。 目前应用最广泛的传感器有热电偶传感器、电阻式温度探测器（RTD），以及半导体型温度传感器。其中，半导体型温度传感器包括热敏电阻和PN结型温度探测器两种。 3.1.2热电偶传感器和电阻式温度探测器 表3为热电偶传感器和RTD的参数及比较 表3 由上表可知，若灵敏度、稳定性和应用灵活性是最主要的考虑因素时，就应该选择RTD，但是RTD的成本比热电偶高。当响应速度为主要考虑因素时，应该选择热电偶。 3.1.3半导体型温度传感器 1)热敏电阻：热敏电阻由钴、锰、镍等金属的氧化物以不同配方高温烧结而成，包括三类电阻值随温度增加而增加的正电阻温度系数热敏电阻(PTC)，电阻值随温度增加而减小的负电阻温度系数热敏电阻(NTC)和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器(CTR)。热敏电阻的测温范围一般在-50℃～+350℃。 图4为热敏热敏电阻信号调理电路。 图4 如图3所示，该电路采用的是单电源供电，热敏电阻Rt与电阻R1，R2，R3 组成电桥电路，R1和R2决定着放大器正向输入的电压值；R3和Rt决定着放大器反向输入的电压值。由于VCC和R1，R2，R3固定，所以正向输入电压固定。当温度变化时，Rt的阻值发生变化，故输出电压Uo由Rt唯一确定。通过该电路可以采集到温度信息，并将其转变为电信号输出送入A/D转换电路。 2)PN结型温度探测器 PN结型温度探测器又称为模拟集成温度传感器，是一种利用晶体管的B-E 结压降不饱和值Vbe与热力学温度T和通过发射极电流I的关系来实现对温度检测的电路。 其具有关系式: 。式中， 是波尔兹曼常数， 是电子电荷的绝对值。 其一般测温范围为－50℃～150℃左右，具有电压输出和电流输出两种输出形式。PN结型温度探测器具有线性好、精度高、灵敏度高、体积小、使用方便等特点，是现代温度传感器的主要发展方向之一。 3.1.4结论 通过以上分析以及结合目前市场上的空调温度控制系统，可知PN结型温度探测器更适合空调自动温度控制。 通过查找资料得知，目前市场上的空调温度采集器大多采用AD590，下面以AD590为例进行分析研究。 3.2 AD590的分析研究 AD590是美国模拟器件公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，AD590温度感测器是一种已经IC化的温度感测器,它会将温度转换为电流,由于此信号为模拟信号，因此，要进行进一步的控制及数码显示，还需将此信号转换成数字信号。它的主要特性如下： 1)流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数；即式中： (1) Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T—热力学温度，单位为K。 2)AD590的测温范围为-55℃～+150℃； 3)AD590的电源电压范围为4V～30V； 4)电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0,温度25℃时输出2.982V。 3.2.1基于电压比较器方法的AD590温度检测电路 在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器RP1的电阻之和为lOkΩ时，输出电压VO的变化为lOmV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。为了使此电阻精确(0.1%)，可用一个9.6kΩ的电阻与一个1k电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10kΩ的电阻。基于迟滞比较器方法的AD590温度检测电路如图5示，其中运算放大器A被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。而运放A2的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给A2的同相输入端输入一个恒定的电压，然后将此电压放大到2.732V。这样，A与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。 3.2.2基于单片机处理法的温度采样电路 当采用思路二时，需要用单片机对温度采集模块的输出信号进行处理，因为AD590是将温度转换为电流，而单片机对电压信号更好测量，所以要将电流转化为电压，同时对电压信号进行放大后输入A/D转换ADC0801的VI-端口。 电流转化为电压表达式如下： (2) 由反相比例运算放大电路，根据“虚断”，“虚短”，集成运放净输入电压为零，净输入电流为零，净输入电流为零等推算出表达式为： (3) 最后由(1),(2),(3)得到： （4） 图5基于迟滞比较器方法温度检测电路 图6基于单片机处理法的温度采样电路 4电压比较器 电压比较器是对输入信号进行鉴别与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。常用的电压比较器有单限比较器、滞回比较器、窗口比较器、三态电压比较器等。 空调温度控制系统的工作机理：假设空调使室内温度温差变化范围为设定值 +1℃，即若制冷设定24℃时，当温度降到23℃压缩机停机，当温度回升到25℃压缩机工作；若制热设定24℃时，当温度升到25℃压缩机停机，当温度回落到23℃压缩机工作。由于电路在工作时需要2个阈值电压，所以滞回电压比较器满足工作机理。 图7 图7示为滞回电压比较器的电路图，其门限电压为 门限宽度（回差）： 传输特性曲线 图8 当 由小变大时， 在 处跳变；当 由大变小时， 在 处跳变。 工作流程：当选择制冷模式（A模式）时，设定电路输出正电压信号时，压缩机正常工作，输出负电压信号时，压缩机停止工作。由之前的讨论可知用AD590采集温度信息，温度与输出电压成正比。温度采集模块的输出电压即为电压比较器的输入电压。调节滞回比较电路，使得当温度达到25℃时的 为 ，温度降为23℃时的 为 。同理，当选择制热模式（B模式）时，设定电路输出正电压信号时，压缩机停止工作，输出负电压信号时，压缩机正常工作。 当选择A模式时，温度超过25℃时， 超过 ，压缩机开始工作；当温度小于23℃， 降到 以下，压缩机停止工作。当选择B模式时，温度小于23℃时， 降到 以下，压缩机开始工作；当温度超过25℃时， 超过 ，压缩机停止工作。 5单片机和A/D转换电路设计 3.3.2 A/D转换程序流程图 数模转换由ADC0809来完成，启动系统后，首先对其进行初始化，然后由单片机的P0口送出通道地址，74LS373锁存同时送给ADC0809的ADDA、ADDB、ADDC来选通采集温度的通道号；接着单片机发出启动A/D转换信号，开始转换。转换完毕，ADC0809的EOC发出转换完成信号，告诉单片机，单片机进入中断系统。循环往复。其流程图如图3-9所示。 由于空调温度控制器的核心就是单片机，单片机的选择将直接关系到控制系统的工作是否有效和协调。本设计采用MCS-51系列的8051单片机，因为8051单片机应用广泛，性能稳定，抗干扰能力强，性价比高。 8051包含了8位CPU，片内振荡器，4K字节ROM,128字节RAM,2个16位定时器，计数器，中断结构，I/O接口等。可进行计算，定时等一系列功能。 A/D转换电路采用ADC0801，ADC0801是8位全MOS中速A/D 转换器、它是逐次逼近式A/D 转换器，片内有三态数据输出锁存器，可以和单片机直接口接。 A/D转换电路工作原理：A/D 转换电路如图8所示。ADC0801的A/D转换结果输出端DB0—DB7与8051的P0.0-P0.7相连，INTR与P2.0口相连，INTR端用于给出A/D转换完成信号，所以通过查询P2.0便可以获知A/D转换是否完成。RD与8051 RD相连，WR也是跟8051 WR相连。CS、VIN+接地。（低电平有效） ADC0801的两模拟信号输入端，用以接受单极性、双极性和差摸输入信号，与WR同时为低电平A/D转换器被启动切在WR上升沿后100 模数完成转换，转换结果存入数据锁存器，同时，INTR自动变为低电平，表示本次转换已结束。如CS、RD同时来低电平，则数据锁存器三态门打开，数字信号送出，而在RD高电平到来后三态门处于高阻状态 。 图9 显示流程图 当数字信号送到单片机后，计算偏移量，查表，然后执行串行传送指令，把数字温度信号一位一位的发送到串入并出的74LS164,驱动LED显示采样的温度。其流程图如图3-10所示。 图3-10 显示子程序流程图 7总结 空调的发明和使用给人们的生活和工作带来了很大的便利。而空调的发展由原来的手动控制逐渐向智能控制发展，现在市场上很多的空调都已经实现了智能控制。空调的核心就是温度控制系统，目前实际生产中多采用单片机进行温度控制，这主要是因为单片机具有成本低，功能稳定等优点。本论文用MCS-51系列的8051单片机做成空调温度控制器，通过温度采集，A/D转换，CPU控制完成温度的智能控制。 由于笔者水平有限，文中的温度采集和A/D转换电路的部分内容由参考文献提供。此外，笔者在书写以及对知识的认识方面存在一些纰漏和偏差，敬请老师指正！ 参考文献 [1]范茂彦.温度传感器的选择与使用[J],2000(7),20. 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