空调温度自动控制系统设计

1、（此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！）基于单片机的温度控制电路设计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。本文在阐述多点测温系统设计

2、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DS18B2C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 模块化编程方法，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 DX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

3、路LCD显示AbstractThis article describes the automatic con trol system of air-con diti oningtemperature which bases C51 microc on troller, and focus ing on the temperatureacquisiti on module and the voltage comparator module. Through temperatureacquisiti on module on differe nt opti ons (thermocouple se

4、n sors, resista nee temperature detectors and semic on ductor temperature sen sor) in comparis on and an alysis to obta in best results. And I make a detailed an alysis of work flow temperature sen sor AD590. By analyzing the working principle of air conditioning controller, combined with textbook k

5、no wledge to desig n a voltage comparator circuit module. In additi on, the paper also describes the temperature con trol system used in the microc on troller and the A / D conv erter circuit desig n. This article an alyses more temperature measureme nt system desig n backgro und and sin gle chip mi

6、crocomputer, the basic prin ciple of the system is discussed in detail the hardware and software desig n process. Among them, the hardware desig n is AT89S52 SCM and digital temperature sen sor DS18B20 for the core device, and the main road 4 temperature gatheri ng and sin gle- chip microcomputer da

7、ta process ing, keyboard in put, LCD temperature display four comp onen ts. The software desig n using modular program ming method, and makes the program is easy to debug and maintenan ce, and by using C Ian guage impleme ntati on data process ing, LCD display, keyboard sca n each fun cti on and the

8、 writi ng of the procedure, and through the system software PROTEL DXP each fun ctio n of the simulati on. Experime nts show that the desig n of the sin gle chip microcomputer temperature measuring system is able to air conditioning better realize the function of air con diti oning. The system struc

9、ture is simple and robust of, practical strong, has some of the engin eeri ng applicati on value.Key words: C51 microco ntroller; voltage comparator; temperature sen sor; A / D converter circuit; LCD目录摘要J IIJJ J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J第一章.绪论1.1 课题来源,1.2温度米集系统的意义,1.3研究的目的及意义,1

10、.4温度传感器的国内外研究动态,第二章：整体思路,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 ,43.1 温度传感器 ,43.1 1,3.1.2 ,3.1.3 ,3.2 AD590 的分析研究 , 63.2.1 ,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 ,95.1A/D 转换程序流程图5.2 显示程序流程图总、纟口，,，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

11、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 20 1 0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

12、，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 89 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

13、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

14、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，一年的计

15、划恐怕就的泡汤。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

16、 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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、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、

26、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的参数及比较电阻式温度探测器（RTD）r热电偶1金度范围200C 8501-328T1562T-I90t 1821C-310T -3308T精度:0.001T-0. IT+ 1T-10T响应时间:中等1快速长期稳定0 .诧误差年稳定性较差1下误差/年 1r线性度f最好；中等n灵敏度髙低|表3由上表可知，若灵敏度、稳定性和应用灵活性是最

27、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：热敏电阻由钻、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 C +350C。图4为热敏热敏电阻信号调理电路。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

28、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。其一般测温范围为一50E150C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

29、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

30、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 C+150C；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0C时输出为0,温度25C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10k Q时，输出电压 V0的变化为I

31、OmV/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 Q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10kQ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A

32、D590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：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：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

33、机理：假设空调使室内温度温差变化范围为设定 值+C，即若制冷设定24C时，当温度降到23C压缩机停机，当温度回升到 25 C压缩机工作；若制热设定24 C时，当温度升到25 C压缩机停机，当温度回 落到23C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Ut匚 Ut=Ut.-Ut2 | Uo |门限宽度（回差）：R2 Rf传输特性曲线Uo A-+Uz1Ut-0g JI-Uz4|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

34、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 E时的为，温度降为23C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25C时，超过，压缩机开始工作；当温度小于 23C,降到以下，压缩机停止工作。当选择 B模式时，温度小于23E时，降到 以下，压缩机开始工作；当温度超过 25C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转换程序流程图开始数模转换由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