空调温控系统的实现.docx
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空调温控系统的实现
学校代码:
11517
学号:
200910711141
HENANINSTITUTEOFENGINEERING
毕业设计(论文)
题目空调温度控制系统的设计与实现
学生姓名黄崇
专业班级电子科学与技术
学号200910711141
系(部)电气信息工程学院
指导教师(职称)骆继明(讲师)
完成时间2013年05月20日
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论文作者签名:
年月日
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论文作者签名:
年月日
河南工程学院
毕业设计(论文)任务书
题目空调温度控制系统的设计与实现
专业电子科学与技术学号200910711141姓名黄崇
主要内容、基本要求、主要参考资料等:
采用51单片机来对温度进行控制不仅具有控制方便组态简单和灵活性大的优点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而大大提高提高产品的质量和市场占有量。
具体要求:
本课题研究的是51单片机控制温度系统的设计,主要是基于51单片机为中央处理器,通过温度传感器进行温度采集,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显示。
(1)采用单片机做主控单元,完成对温度的采集和控制的要求
(2)温度控制约在0℃~40℃
(3)用LCD1602显示当前温度
(4)有遥控器控制操作功能
毕业论文(设计)的目标:
(1)画出工作原理图
(2)元器件及参数选择
(3)完成全电路设计,能发现问题和解决问题
(4)编写设计报告,写出设计与制作全过程,附上有关资料和图纸
(5)画出主程序流程图,给出主程序清单
参考文献:
1马明建,周长城,数据采集与处理技术,西安:
西安交通大学出版社,2000
2张毅刚等,MCS-51单片机的应用设计,哈尔滨工业大学出版社,2004
3何立民,单片机应用技术选编,北京航空航天大学出版社,2005
4李小英,移动式空调变频控制系统研究,中国优秀硕士学位论文全文数据库,2009
完成期限:
2013年06月
指导教师签名:
骆继明
专业负责人签名:
年月日
目录
摘要………………………………………………………………………..……….I
ABSTRACT………………………………………………………………………………II
1引言………………………………………………………………………...……...…1
1.1课题背景…………………………………………………………………..………...….1
1.2国内外研究现状……………………………………………………………………..1
1.3本课题的研究内容…………………………………………………………………1
2系统的总体设计…………………………………………………………………..2
2.1设计要求………………………………………………………………………………..2
2.2系统方案的选择……………………………………………………………………….2
2.3系统各模块方案选择………………………………………………………………3
3系统硬件设计……………………………………………………………………...5
3.1单片机简介以及外围电路……………………………………………………….5
3.1.1单片机简介……………………………………………………………...5
3.1.2与系统相关的单片机外设介绍………………………………………………5
3.1.3单片机外围电路……………………………………………………………..….6
3.2LCD1602显示器简介及接口电路……………………………………….…...7
3.2.1LCD1602简介……………………………………………………………….……7
3.2.2系统中LCD1602接口电路………………………………………………….…8
3.3键盘电路………………………………………………………………………….……8
3.4无线遥控简介与接口电路………………………………………………….…...9
3.4.1无线遥控原理简介………………………………。
……………………….…….9
3.4.2系统中无线遥控接口电路……………………………………………………10
3.5温度传感器简介及接口电路……………........................………………………12
3.5.1温度传感器简介………...................……………………………………………..12
3.5.2系统中温度传感器接口电路……......................……………………………….12
3.6输出驱动电路…………………………………………………………………….…12
3.6.1半导体制冷片简介…………………………………………………………….12
3.6.2加热丝简介……………………………………………………………………...13
3.6.3继电器驱动电路………………………………………………………………..13
3.6.4大功率电路模块介绍……………………………………………….…………15
3.7系统整体原理图……………………………………………………………………15
4系统软件设计…………………………………………………………………….16
4.1系统程序设计构思………………………………………………………………..16
4.2主程序设计…………………………………………………………………………..16
4.2.1主程序流程图………………………………………………………..…………..16
4.2.2主程序介绍………………………………………………………….…………..16
4.3按键程序设计…………………………………………………………..……………17
4.3.1按键程序流程图………………………………………………………………..17
4.3.2按键程序简介…………………………………………………………………..18
4.4温度采集与显示程序设计………………………………….………………….19
4.4.1温度采集与显示程序流程图………………………………………………..19
4.4.2温度采集与显示程序简介….…………………………………….………….19
4.5输出控制程序设计………………………………………………………..………20
4.5.1输出控制程序流程图………………………………….………………………20
4.5.2输出控制程序简介…………………………………………….………………20
4.6系统设计程序………………………………………………………………..………21
5系统制作与调试…........…………………………………………………………...22
5.1系统的焊接与制作…………………………………………………………………..22
5.2系统调试…………...............…………….....…………………………..……………….22
5.2.1单片机最小系统及液晶显示模块调试…………..…………………..…22
5.2.2按键模块及无线遥控模块调试…………………………………….……...23
5.2.3温度采集模块调试…………………………………………………….……24
5.2.4继电器驱动模块调试…………………………………….……………………24
5.2.5大功率模块调试………………………………………………..………………25
5.2.6系统功能调试………….........……………………………………..………………26
5.3系统整体实物图………..........…….....…………………………..……………….29
结束语...…………………...……….................................................................................30
致谢………………………………………………………...…………………...………......…………31
参考文献………………......……………………………………......…………...………...…………32附录………………………………………….……....……...…………………..………………..……33
附录1…………………………………………….......................................……………………..33
附录2…………………….......................................……………………………………………..34
空调温度控制系统的设计与实现
摘要
计算机技术的诞生彻底改变了人们的生活,曾经需要大量人力、物力资源的工作都已经被智能计算机技术解决。
单片机技术是计算机技术的一个应用,它的出现使现代测控领域产生了一场新的革命。
典型的MCS-51系列单片机拥有完整的指令集和丰富的外设,可以很轻松的实现很多领域的控制。
温度检测与控制应用广泛,作用巨大,精度更高的、操作更简单的集成温度传感器应运而生。
空调、冰箱等等与温度控制有关的家用电器越来越普及,一个简单智能的温度控制系统能更好的适应人们的需求。
本文论述的空调温度控制系统是以8051单片机为核心,以键盘、红外遥控以及LCD1602作为人机交互接口,以DS18B20作为温度传感器,通过继电器来控制加热丝与半导体制冷片模拟空调的工作。
这个系统实时检测室内温度并显示出来,人可以设定温度值,单片机比较检测值与设定值做出加热或制冷的命令,加热丝或者半导体制冷片执行相应的命令。
关键词:
8051单片机DS18B20温度传感器温度控制
AIR-CONDITIONINGTEMPERATURECON-
TROLSYSTEMDESIGNAND
IMPLEMENTATION
ABSTRACT
Thebirthofcomputertechnologyhasrevolutionizedthewaypeoplelive,workswhichneedalotofmanpower,materialresourceshavebeensolvedbysmartcomputertechnology.Thesingle-chipmicrocomputertechnologyisanapplicationofcomputertechnology.Itsemergencehasarousedanewrevolutioninthefieldofmodernmeasurementandcontrol.ThetypicalMCS-51seriessingle-chipmicrocomputerhasacompleteinstructionsetandrichperipherals,caneasilyachievethecontrolofmanyareas.
Temperaturemeasurementandcontrolhasawiderangeofapplications,higherprecisionandsimpleoperationofintegratedtemperaturesensorarisesatthehistoricmoment.Householdappliancesrelatedtothetemperaturecontrol,suchasairconditioners,refrigeratorsandsoon,ismoreandmorepopular,asimpleintelligenttemperaturecontrolsystemcanbetteradapttotheneedsofpeople.
Thispaperdiscussestheairconditioningtemperaturecontrolsystembasedon8051single-chipmicrocomputerasthecore,withthekeyboard,andinfraredremoteLCD1602ashuman-computerinteractioninterface,usingDS18B20astemperaturesensor,throughtherelaytocontroltheheatingwireandsemiconductorchillingplatetosimulatetheworkofairconditioning.Thesystemcandetectindoortemperatureanddisplayinreal-time,andonecansettemperature,thensingle-chipmicrocomputercomparesthedetectedvalueandsettingvaluetomakethecommandofheatingorcooling,withheatingwireorsemiconductorchillingplateexecutingthecorrespondingcommand.
KEYWORDS:
8051single-chipmicrocomputerDS18B20temperaturesensortemperaturecontrol
1引言
1.1课题背景
近年来电子产业迅速发展,单片机应用正在不断深入更多的领域,同时也带动了控制检测技术的提升。
在自动检测和控制系统中,单片机通常作为一个核心,结合具体的硬件结构,与软件相结合,就能实现具体应用的功能。
单片机拥有基本的外设,这些外设让单片机功能更加强大,应用更加广泛。
随着人们生活水平的提高,人们需要更高质量更智能的与温度控制相关的产品,一个更优秀的温度控制器亟待开发。
1.2国内外研究现状
温度采集与控制历来都是检测控制领域的重点之一。
近年来全球工业电子温度控制器市场增长缓慢,我国电子温度控制器市场迅猛发展,与之相关的核心生产技术与研发必将成为业内企业关注的焦点。
温度控制器被广泛用于工农业生产,科学研究和生活领域,了解国内外电子温度控制器生产核心技术研发动向,工艺设备,技术应用及趋势对于企业提升产品规格,提高市场竞争力非常关键。
就目前情况来说,电子式温度控制器必将全面代替机械式温度控制器。
电子式温度控制器的精度、功能、可靠性以及安全性等方面迅速发展,以后全面智能化的温度控制器将更加方便,功能将更加强大,更加可靠,更加安全。
当前各界研究的温度控制器技术各具一格,所以新型温度控制器的研发所要解决的问题就是如何做到取长补短,从而来设计出更加优越的温度控制器。
1.3本课题的研究内容
设计中用户可以利用遥控或者键盘设置温控器的工作,例如工作状态、模式、室内温度。
单片机能将这些设定信息存储在数据存储器。
单片机有可能工作在掉电状态,但是通过外部中断唤醒可以保存数据存储器的数据,从而实现关机重启后,仍能保存用户的设定信息。
设计中用LCD1602作为显示器,单片机可以把实时温度和用户的设定信息都显示在液晶屏上。
工作原理大概是这样的:
通过温度传感器DS18B20实时采集一个封闭空间的温度,然后传送给单片机处理;单片机根据人的设定信息结合采集的实际温度自动加热或制冷以实现空调功能。
2系统的总体设计
2.1设计要求
系统的设计本课题研究的是利用51单片机结合适当的硬件结构,实现一个空调温度控制器,主要包括温度采集与显示、人机接口、控制输出等部分。
系统设计的基本要求如下:
*采用单片机做主控单元,完成对温度的采集和控制的要求
*温度控制约在0℃~40℃
*用LCD1602显示当前温度
*有遥控器控制操作功能
2.2系统方案的选择
系统可以用硬件的方式实现,也可以用软件的方式实现,具体方案有二:
方案一:
可以使用FPGA实现整个系统。
FPGA在测量领域的确有优越之处,可以很方便实现系统的时序控制,并且得到更准确的采集数据。
但是对于控制系统来说,需要有多个状态以及相应的操作,FPGA对于微控制器来说并不擅长。
方案二:
可以使用微控制器作为核心,配合着测量电路、人机交互电路、以及控制电路实现这个系统。
这种方案实现空调温度控制比较简单,而且也能达到设计要求。
综合比较,方案二更加适合空调温度控制系统的设计与实现,本文采用该方案。
笔者对题目再进行深入的分析和思考,可将整个系统分区为以下几部分:
主控器电路、测温电路、输入电路、显示电路,控制执行电路。
本人做出系统的基本框图如图2-1所示。
图2-1系统整体设计框图
温度传感器采集一个封闭空间的温度,单片机获取这个数值,然后综合人通过键盘或者遥控器设定的信息,给出控制命令。
命令通过继电器控制模块控制加热丝和制冷片以得到执行。
加热丝和制冷片会改变空间的温度,单片机会周期的通过温度传感器采集温度值,然后再综合设定信息,再给出控制命令。
最终的目标是智能控制这个空间的温度在人设定的合理范围内。
2.3系统各模块方案选择
主控制器可以选用AVR系列单片机、51系列单片机或者ARM。
系统所需微控制器的速度并不太高,控制并不复杂,51系列单片机完全可以胜任。
考虑到成本和编程复杂性,本设计选用51系列单片机AT89S52。
键盘模块可以采用查询法或中断法来实现。
查询法占用大量的CPU资源,但是电路连接简单;中断法虽然可以克服这个弊端,不过中断法程序设计复杂。
考虑到系统设计中有开关机键,关机时单片机处于掉电模式,开机可以用外部中断唤醒。
所以本设计采用中断法实现键盘模块。
遥控接收模块可以选用1838红外接收头,接收头将接收到的红外信息传送给单片机,单片机利用定时器和外部中断实现解码。
这种方式比较经济,可是浪费了单片机的外设资源而且其解码稳定性不敢保证可靠。
无线遥控模块也可以使用现成的无线接收模块,这种方式可靠性好,并且较少占用CPU资源,但是价格高。
考虑到系统的稳定性,本设计选用了无线遥控模块。
温度传感器可以采用热敏电阻或者AD590等输出模拟信号量的作为传感器,但是通常需要配合放大电路、滤波电路以及AD转换器等电路才能输送给单片机处理。
可以说这种方法实现复杂,成本较高。
事实上,采用集成温度传感器DS18B20,它输出的是数字信号,可以直接与单片机通信。
选用这种传感器,硬件电路很方便,但是需要大量的软件编程。
考虑到系统硬件电路连接的复杂性,本设计采用DS18B20。
本设计利用LCD1602作为显示器,可以显示更多的字符。
此外,由于LCD1602能够锁存输入的显示字符,不像数码管显示那样需要不断扫描,这种特点使得LCD1602更加节省CPU资源。
继电器驱动电路选用专用驱动芯片,例如UNL2003,但是成本较高。
采用三极管驱动,这样同样可以满足设计要求,也节省了成本。
设计中共用到了三个继电器,一个主继电器作为大功率模块的主要电子开关,另外两个分别作为加热丝和制冷片的控制开关。
加热丝选用材料为镍铬,长度大约0.4米,阻值大约为5欧,12伏电源供电时功率约28瓦的电热丝。
这种的电阻丝,安装方便,它的功率也能满足设计要求。
制冷片选用TEC1-12706来模拟压缩机实现空调制冷作用。
这个模块还需要配套的散热装置才能实现较好的制冷效果。
值得注意的是本设计输出执行模块为较大功率用电器,制冷片的额定功率为56W,再加上散热的风扇对电源要求的功率会更大。
我选用的是输出电压12V,最大电流6A的开关电源才能基本满足设计要求。
智能控制模块只需要5V供电就可以了,本设计采用的是USB供电。
3系统硬件设计
3.1单片机简介以及外围电路
3.1.1单片机简介
MCS-51系列单片机以其典型的结构、完善的总线、特殊功能寄存器的集中管理方式、位操作系统和面向控制的指令系统,为单片机的发展奠定了良好的基础。
80C51是MCS-51系列单片机的典型品种。
80C51单片机的基本结构如图3-1所示。
图3-1单片机基本结构
由图可见,80C51系列单片机主要有CPU系统、存储器系统、I/O口和其他功能单元构成。
CPU系统是8位的,含有布尔处理器,还包含时钟电路以及总线控制逻辑。
存储器系统包括4KB的程序存储器,128B的数据村存储器,还有特殊功能寄存器SFR。
80C51单片机系统通常还包括4个并行I/O口,2个16位定时/计数器,1个全双工异步串行口,以及中断系统[1]。
3.1.2与系统相关的单片机外设介绍
单片机有5个中断源,2个中断优先级,本设计中用到了三个中断,分别是外部中断0、外部中断1以及定时/计数器0中断。
单片机的中断控制主要用两个寄存器实现,中断允许控制寄存器IE和中断优先级控制器TP。
中断允许控制器可以对所有中断以及某个中断源设置成开放或者屏蔽。
中断优先级控制寄存器可以设置某一中断为高优先级中断,高优先级的中断相对于普通中断来说拥有特权[1]。
单片机的外部中断可以由TCON寄存器进行配置。
单片机的外部中断有两种触发方式,一种是电平触发,另外一种是边沿触发,这种配置可由IEX位进行设置。
本设计中用的是边沿触发,所以将IEX设置成1。
单片机的定时/计数器的实质是加一计数器,而且是16位的,由低8位和高8位组成。
定时/计数器的计数脉冲有两个来源,当系统的时钟振荡器输出脉冲12分频后作为定时/计数器的输入时,它就配置成定时状态;当外部脉冲源从T0或T1引脚输入的话,它就被配置成计数状态。
TMOD是定时/计数器的工作方式寄存器,这个寄存器可以配置定时/计数器的工作方式和功能;TCON是定时/计数器的控制寄存器,用于控制定时/计数器的停止以及设置溢出标志[2]。
3.1.3单片机外围电路
一个单片机最小系统主要由时钟电路和复位电路组成。
80C51单片机的时钟信号通常有两种
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