空调温度自动控制系统设计

1、 基于51系列单片机和电压比较器的空调温度自动控制系统设计 张卓电子0903 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方案(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工作流程；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。关键词：C51单片机；电压比较器；温度传感器； A/D转换电路51 MCU-based air-conditioning temperature co

2、ntrol systemZhangZhuoAbstract: 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 (therm

3、ocouple 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 k

4、nowledge 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.Key words: C51 microcontroller; voltage comparator; temperature sensor; A / D converter circuit目录1概述32整体思路33

5、温度采集部分4 3.1温度传感器4 3.2 AD590的分析研究64电压比较器75单片机和A/D转换电路设计96 Multisim仿真107总结10参考文献111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

6、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

7、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：传感器单片机系统A / D 转换 温度调节执行 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

8、电路，进而进行温度调节。系统原理图见图2所示：电压比较电路温度调节传感器图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

9、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

10、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

11、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50150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

12、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4V30V； 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

13、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lOk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9.6k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10k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

14、.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

15、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

16、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

17、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DB0DB7与8051的P0.0-P0.7相连，INTR与P2.0

18、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96 Multisim仿真在此只对基于电压比较器的空调温度自动控制系统进行仿真。仿真电路如图10： 图10 通过仿真结果发现，电路仍存在一些不足，需要进一步改进。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80