基于单片机的空调温度控制器设计

系统简介

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，空调已被广泛应用于社会的各种场合。空调因具有节能、低噪、恒温控制、全天候运转、启动低频补偿、快速达到设定温度等性能，大大提高了其舒适性，得到越来越多的人们的喜爱。单片机和数字温度传感器技术的发展成熟，为空调控制提供了有效的技术保障，显著提高了空调的智能化控制水平和安全性能。空调系统的主要作用是维持室内的恒温、恒湿。对于洁净空调还要担负起区域内空气净化的重任。空调系统主要是控制对制冷、预热、加热、加湿阀门的开度来调节温度和湿度。数字式温度传感器测量范围广、精度高、可靠性强、占用微处理器的端口少、实现多点组网测量功能，这为准确测量空调系统的多点温度并传值给单片机处理提供了可靠的保障。本文着重叙述了空调温度控制系统的结构和原理。设计了空调温度控制系统的硬件，软件和各种逻辑电路。

1 绪论

在当代社会中，温度智能控制系统越发的普及，它不仅只限于用于工业生产，随着人们对生活质量要求的越来越高，酒店厂房在生产过程及在家庭生活场景环境中也同样都会见到温度智能控制系统的一些影子，温度控制将更好的应用于这个社会。而今，空调洗衣机电视等一系列智能家用电器产品，随着生产技术的发展和生活水平质量的提高也越来越被广泛普及。本目标就是利用以MCS-51系列单片机来作为设计控制的核心，从而达到空调温度控制器的设计计划。
1.1 空调的发展过程和现状
空调在人们的生活中扮演着重要的角色。传统空调只有“开和关”这两种调节控制模式，使用过程中不仅噪音变大，空调温度波动也比较大，并且空调压缩机的性能在打开或关闭时大大降低。伴随着深入发展下一代智能控制系统技术、变频空调技术、计算机技术，人们逐渐摒弃了传统空调。研制出结构更灵活、实用性能更好的变频调速空调。
全球空调的发展与演变主要有四个阶段。首先是后风扇的年代，仅仅只有制冷或制热，技术含量较为低下；然后是纯空调的时代，空调成为了真正的空调，是这个时代的特点，具有里程碑式的意义，不仅可以调节空气温度，还可以有效地调节空气的舒适度，让消费者有更加舒适的体验；伴随着全球气候变暖，各国政府都意识到保护环境的重要性，相继出台了空调能耗的标准，空调也因此步入了超空调时代，不再是普通意义上的空调，在节能环保方面也满足了现代生产的诸多规定；尤其在高新技术高速发展的2l世纪，空调作为人们日常生活中必不可少的家电，也必然跟随着大趋势步入网络信息时代。
1.2 空调发展的趋势
通过对空调发展的四个阶段进行研究，对具有代表性的主流空调和产品技术进行分析，就会发现，随着当代科技改革与产品创新热潮，具有高新技术的空调必然会在不久的将来淘汰掉技术含量低下的产品。未来空调的发展趋势必将朝着健康化、更加网络智能化、符合人们的使用习惯、符合社会发展这四个方向迈进。
健康化：空调作为家用电器，肯定要给人们的日常生活提供便利，使消费者有更美好的生活体验，当然也要使人们的生活更健康，主要从三方面出发来进行标准衡量，保证室内的空气洁净度、空调气流下人体舒适度、空气温湿度的精确控制能力。针对消费者提出的基本需求，生产空调的各大厂家也做出了相应的改变，推出拥有相应技术的空调产品，如多自动除湿加湿技术、恒暖除霜技术、新风技术、环绕立体送风技术、冷触媒技术等，并将这些功能运用到空调上，更加符合人们健康化的要求。
人性化：便于使用，未来在更高层次要求必然是空调于用户之间互动。鉴于传统空调产品单一的功能，渐渐不符合人们的需求。各国空调厂商为了迎合大众的喜好，不断在研发与创新。推出了可视化详情面板，让消费者可以清楚的了解到空调运行情况；还在产品中增加了夜光显示控制按钮，使得消费者即使在夜间依然能精准的执行开关等各项操作。
环保化：从当今整个世界环境发展及其演变大趋势进行分析来看，节能化无疑一直是引领全球生态环保新趋势，节能减排，保护环境则一直是世界各国所热切关注的要点，各国政府也相继出台了相应的法律法规，来规范整个空调行业，进一步的来控制对全球环境的影响。
网络化：网络技术的突飞猛进带来的新应用及发展，一个全新概念的网络技术革命必然会席卷空调产品。想要成为引领整个未来的信息空调市场的先驱者，必然要将空调和网络相结合，实现智能化网络化。部分思想前卫的公司在设计研发之初就预留了网络接口，为了更加方便的接入网络时代。通过选配相应规格的网络控制器，便可实现在千里之外对空调的远程控制。
1.3 空调控制系统的特点
空调控制器主要任务，就是由遥控器发出温度控制信号，然后控制器在收到指令后，根据设置的温度和实际的温度相比较，然后控制压缩机运行，使房间内的问题达到设定温度的这个过程。
1.4 空调的发展过程和现状
回顾整个空调发展的历程，就是满足社会经济发展和人们对室内环境日益增长的需求的过程。另外，空调技术的快速发展，也离不开材料供应商的支持。伴随着全自动化控制和技术水平的不断进步，空调的运行过程的控制和调整方法也随之发生变化，将进一步发展电子计算机技术在空调领域中的技术应用。对系统有了一个全新的认识，该方法既能加快空调技术创新，又能有效地移植和利用其它学科和专业技术创新的结果。近几年来，伴随着网络技术与计算机技术的相结合，创造了一个全新的网络时代。计算机技术的飞速发展对人们的生活方式产生了巨大的影响，对于空调技术而言不仅仅是一个机会，也是一个挑战。

2 总体方案设计

2.1 硬件组成
根据空调温度控制器系统的整体设计功能需求，系统内的基本硬件配置应具体包括为以下这几个子部分构成：
（1）电位器：系统利用电位器原理对空气温度的连续变化进行了仿真，将其传送入到A/D转换器模块中。
（2）A/D转换器：将空气温度的模拟量经过A/D转换器转换输出为电压输出量，再将输出量数据送入单片机中。
（3）单片机：将外界空气温度与设定温度参数作比较，从而驱动空调机压缩机的工作来发热或制冷。
（4）键盘：用来设定输入设置的温度值。
（5）LED显示：用于显示设定的温度值和空气温度值

2.2 方案论证
2.2.1 控制器
8051芯片是一种8位元微控制器，是属于MCS-51系列的一种，具体功耗低、性能高等特点，广泛利用于各PCB电路板上。8051单片机内部结构十分完整，相当于一个微型计算机，集成了CPU、I/O接口、RAM、ROM和中断系统的元器件。相比较与其他微型处理器，8051的优点就相当于明显，8051增加了一个全双工UART的串行I/O口、两个定时器/计数器、片内数据存储器RAM（128B/256B）、片内程序存储器ROM/EPROM（4KB/8KB）、五个中断源的中断控制系统、四个8位并行I/O接口P0~P3、片内振荡器和时钟产生电路等，可以看出单片机比微处理器拥有更强大的控制功能。

8051芯片的内部引脚图如图2.2所示：
图2.2 8051芯片内部引脚图
2.2.2 A/D转换－ADC0809
A/D转换器的作用就是将模拟信号转换成数字信号，叫做模数转换器、A/D转换器或ADC。选择A/D转换器件主要是从速度、精度和价格等方面来考虑。采用了同是8路模拟输入通道的逐次逼近型的八位A/D转换器ADC0809，可以直接和8位的电路板相连接，可以大大简化连接电路，也很大程度上简化了系统软件的编写。当然ADC0809的特性也比较鲜明：低功耗，大约只有15mW、具有转换起停控制端、工作温度范围为－40～+85摄氏度、单个+5V电源供电、模拟输入电压范围0～+5V、不需零点和满刻度校准、转换时间为100μs和130μs。
ADC0809管脚图如图2.3所示：

图2.3 ADC0809管脚图
2.2.3 LED数码管
LED数码管，是将许多发光二极管封装在一起形成8字形的装置，所有导线都已在里面串联完成，只需引出其笔划和公共电极引出。数码管段是由七个发光管构成八字形所组成的，再加上小数点就是八个。而这些段分别以字母a，b，c，d，e，f，g，dp来代表，再由其组合构成显示数字。
采用LED数码管来用于显示数据，是由于显示特性明显，易于控制，价格也比较低廉。
LED数码管内部结构原理图如图2.4所示：
图2.4 LED数码管内部原理图

3 硬件电路设计

3.1 可模拟量输入电路
因为温度是个非电量物理量，因此不能直接拿来使用，为了能够进行下一步的工作，必须将它转化为电信号。由于电位器可能发生可变的仿真量，所以在设计时，将其转换成电压信号，来进行下一步的工作。
电位器结构图如图3.1所示：

图3.1 电位器结构图
3.2 显示及键盘接口电路
在键盘控制系统可以实现直接输入数据和传送指令的功能，是人工控制处理的方式。键盘的设计可分为全编码键盘和非编码键盘，全编码键盘通过硬件完成键盘识别功能，它通过识别按键是否被按下以及按键的位置来生成相应的编码信息（如ASCII码）。非编码键盘通过软件完成键盘识别功能。它使用简单的硬件和一套专用的键盘编码程序来识别按键的位置，然后CPU通过查找表程序将位置码转换成相应的编码信息。非编码键盘速度低，但结构简单，软件可以为某些按键的重新定义提供极大的方便。
如何才能让键盘选择最优的运行方式，只要满足以下2点要求即可。既保证及时准确地响应到按键板上的所有指令与操作，又要保证不占用掉了整个CPU处理内存。为了简单起见，我把键盘电路和LED的显示电路结合起来。显示控制位代码由74HC374输出。在反向驱动后，它被用作LED的位选通信号。位选通信号也可用作键盘列扫描代码。键盘扫描的行数据从74HC245读取回来。74HC374输出的列扫描码在74HC245中读取后，用于判断是否按下了一个键以及按下了什么键。如果未按下任何键，则由于上拉电阻的作用，通过74HC245读取的值为高电平。如果按下一个键，74HC374的低电平输出通过该键连接到74HC245的端口，这样从74HC245读回的数据将具有低电平。根据74HC374输出的列信号和74HC245读取的行信号，我们可以判断按下了哪个键。
键盘及LED显示电路如图3.2所示：

图3.2键盘及LED显示电路
3.3 单片机控制电路
本设计中还采用8255芯片，并由它来驱动两个LED，分别来显示空调制冷或者制热的工作状态。8255芯片电路示意图如图3.3所示：

图3.3 8255芯片控制电路

4 系统软件设计

4.1 主程序设计
主程序主要是执行对整个系统、扫描显示、扫描键盘等的各项初始化工作，所以他是整个系统中最重要的一部分，也是系统通电或复位后执行首要的程序。程序开始执行后，根据用户所选择的工作模式和设定的温度来控制压缩机的运行。

4.2 子程序设计
子程序的基本A/D转换子程序，分别如图4.2所示：
图4.2A/D转换子程序

总结与体会

刚接触到设计题目时，完全迷茫，不知从何下手，之后通过和别人交流和网上的资料，到实验室看过之后又与实际设计的内容相结合，对设计进行模块化分析，思路慢慢清晰。这次课程设计是一次综合性质的实验，是对以前学的A/D转换，键盘输出等等的一综合运用，所以这次实验不但是巩固了我们以前所学的知识，也给我带来的新的感悟，同时也让我发现自己在实践中的不足，在作图等各方面的不足，也让我对各部分硬件和软件的结合有更深刻的认识，也学到了在课本中学不到的东西，同时也对单片机的应用有了更深层次的了解。

作者：qq_2083558048