空调控制系统

1总体方案设计随着人们生活水平的提高，人们对空调的舒适性和空气品质的要求越来越高，分体式空调已不能满足人们的要求，户式中央空调得到了迅猛的发展。就室内居住环境而言，恒温环境并非是卫生和舒适的。因为除了温度外，还有湿度、空气流速、空气洁净度等诸多因素影响到舒适的程度。而传统的中央空调靠设置机械温控开关来实现房间的恒温控制。这种控制方法，一方面操作不方便；另一方面温度波动范围大，不但影响人的舒适感，而且会造成一定的能量损耗。采用单片机温度控制系统控制的户式中央空调系统，可以根据室内的环境因素，调节风机的转速，为人们创造一个舒适的室内环境，同时又节省电。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[3]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。而本次设计就是要通过以C51系列单片机为控制核心，实现空调机温度控制系统的设计。1.1方案一选用AT89C51单片机为中央处理器，通过温度传感器DS18B20对空气进行温度采集，将采集到的温度信号传输给单片机，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系统对空气进行处理，从而模拟实现空调温度控制单元的工作情况。在整个设计中，涉及到温度检测电路、驱动控制电路、显示电路、键盘电路以及电源的设计等电路。其中单片机的控制程序是起到各个电路之间的相互协调，控制各个电路正常工作的至关重要的作用。其方框图如下:图1-1方案一设计图框该图控制简单，思路清晰，各单元模块的相互衔接较简单，同时成本低廉，用的各种器件都是常用器件，更具有使用性。1.2方案二该方案采用的是AT89C51单片机为核心控制器件，用它来处理各个单元电路的工作以及检测其运行情况。本方案中采用的是LM35DZ温度传感器，通过温度采集电路采集相关温度数值，再由ADC0809组成的A/D转换电路进行转换，最终得到数字信号，将其直接传输给单片机，然后由单片机根据内部程序判断，执行相关控制程序，驱动各单元电路的工作。其方框图如下:图1-2方案二设计图框该方案容易控制，系统原理比较简单，电路可靠。但其中的温度测量电路、译码电路复杂，容易产生误差和由电路复杂而导致的设备使用寿命低等一系列问题。1.3总体方案选择及实现1.3.1方案选择选择方案一。控制简单，思路清晰，各单元模块的相互连接较简单，同时成本低廉，用到的各种器件都是常用器件，更具有使用性。1.3.2具体的实现方案实现方案的技术线路为：用按钮输入标准温度值，用LED实时显示环境空气温度，用驱动电路控制压缩机完成加热和制冷调节，用ISIS软件对设计进行仿真，用C语言完成软件编程。单片机AT89S51中央处理器如图所示：图1-3单片机AT89C51Vcc、Vss：用于外接单片机的工作电源，电源电压为5V。XTAL1、XTALL2：用于外接晶振构成振荡电路或直接输入时钟信号。RST：复位信号输入引脚，高电平有效。ALE：地址锁存信号输出引脚，固定输出1/6振荡频率的脉冲，可作为脉冲信号源使用。/EA：片内、片外程序存储器选择控制引脚。输入部分:AT89S51、A/D转换、驱动控制、温度控制器、加热、制冷。空气显示部分:4/PSEN：片外程序存储器读允许控制器。P0.0~P0.7：P0口I/O引脚，或数据线/低8位地址总线复用引脚。P1.0~P1.7：P1口I/O引脚。P2.0~P2.7：P2口I/O引脚，或高8位地址总线引脚。P3.0~P3.7：P3口I/O引脚，此外，每个引脚都有第二功能。2硬件设计2.1硬件各单元方案设计与选择2.1.1温度传感部分要求对温度和与温度有关的参量进行检测，应该考虑用热电阻传感器。按照热电阻的性质可以分为半导体热电阻和金属热电阻两大类，前者通常称为热敏电阻，后者称为热电阻。半导体热敏电阻是利用某些半导体材料的电阻值随温度的升高而减小（或升高）的特性制成的，大多数的半导体热敏电阻具有负温度系数。负温度系数热敏电阻器的特点是：在工作温度范围内电阻阻值随温度的升高而降低。可满足40℃～90℃测量范围，具有灵敏度高，电阻值高，体积小，结构简单，价格低廉，化学稳定性好，使用寿命长等优点；但其互换性较差，而且线性度也很差，不能直接用于A/D转换，应该用硬件或软件对其进行线性化补偿。金属热电阻中属铂电阻和铜电阻最为常用，这里以铂电阻Pt1000为例。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好，在0℃～100℃时，最大非线性偏差小于0.5℃。铂热电阻与温度的关系是，Rt=R0(1+At+Bt×t)；其中Rt是温度为t摄氏度时的电阻，R0是温度为0摄氏度时的电阻，t为任意温度值，A、B为温度系数。但其电阻与温度为非线性关系，且成本太贵，不适合做普通设计。集成温度传感器是利用晶体管的PN结的电流电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成化，并把它们封装在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。它除了与半导体热敏电阻一样有体积小、反应快的优点外，还具有线性好、性能高、价格低等特点，如DS18B20智能温度控制器。单线数字温度传感器DS18B20简介：新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济、数字化。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20“一线总线”数字化温度传感器，支持“一线总线”接口，测温范围为-55℃~+125℃，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于各种环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20使电压特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统，并且应用电路电但便于设计。在本设计中我采用的是集成温度传感器DS18B20，其电路简单可靠，不需要A/D转换，直接可以与单片机相连。2.1.2数字显示部分通常的LED显示器有7段或8段和“米”字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的工作原理也一样。LED显示器有两种显示方式：静态显示方式：在这种方式下，各位LED显示器的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或电源正），每位的段选线分别与一个8位的锁存器输出相连，各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止，正因为如此，静态显示器的亮度都较高。若用I/O口接口，这需要占用N×8位I/O口（LED显示器的个数为N）。这样的话，如果显示器的个数较多，那使用的I/O接口就更多，因此在显示位数较多的情况下，一般都不用静态显示。动态显示方式：当多位LED显示时，通常将所有位的段选线相应的并联在一起，由一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O口控制，实现各位的分时选通。其中段选线占用一个8位I/O口，而位选线占用N个I/O口（N为LED显示器的个数）。由于各位的段选线并联，段码的输出对各位来说都是相同的，因此，同一时刻，如果各位选线都处于选通状态的话，那LED显示器将显示相同的字符。若要各位LED能显示出与本位相应的字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字符的段码。这种显示方式占用的I/O口个数为8+N（N为LED显示器的个数），相对静态显示少了很多，但需要占用大量的CPU资源，当CPU处理别的事情时，显示可能出现闪烁或者不显示的情况。为了节约硬件资源，降低电路板的成本，本人采用的是节约硬件资源的动态扫描显示方式。2.1.3加热降温驱动控制电路采用开关量控制，如继电器、双向可控硅、光耦等，控温快速，但是双向可控硅驱动电路比较麻烦，调试也麻烦，若用现成的固态继电器价格十分昂贵。用继电器时要注意其电感的反向电动势，和开关触点对电源的影响，以及开关脉冲对整个电路的影响等，应该加入必要的防止干扰的措施。1、采用单向晶闸管，这是一种大功率半导体器件，它既有单向导电的整流作用，又有可以控制的开关作用。利用它可以用较小的功率控制较大功率，在交、直流电动机调速系统、调功系统、随动系统和无触点开关等方面均获得了广泛的应用。这种晶闸管与二极管不同的是，当其两端加上正向电压而控制极不加电压时，晶闸管并不导通，其正向电流很小，处于正向阻断状态；当其两端加上正向电压、且控制极上（与阴极间）也加上一正向电压时，晶闸管便进入导通状态，这时管压降很小（1V左右）。这时即使控制电压消失，仍然保持导通状态，所以控制电压没有必要一直存在，通常采用脉冲形式，以降低触发功耗。它不具有自关断能力，要切断负载电流，只有使阳极电流减小到维持电流以下，或加上反向电压实现关断。若在交流回路中应用，当电流过零和进入负半周时，自动关断，为了使其再次导通，必须重加控制信号。2、采用光耦合双向可控硅驱动电路，这种器件是一种单片机输出与双向可控硅之间较理想的接口器件，它由输入和输出两部分组成，输入部分是一个砷化镓发光二极管，该二极管在5mA～15mA正向电流作用下发出足够强度的红外光，触发输出部分。输出部分是一个硅光敏双向可控硅，在红外线的作用下可双向道通。光电耦合器也常用于较远距离的信号隔离传送。一方面光耦合器可以起到隔离两个系统地线的作用，使两个系统的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影响；另一方面，光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，可以形成电流环路的传送形式。由于电流环电路是低阻抗电路，对噪音的敏感度低，因此提高通讯系统的抗干扰能力，常用于有噪音干扰的环境里传输信号。达到同样的加热效果，开关量控制容易，驱动简单，驱动电路的抗干扰能力强。所以我采用的是光耦合双向可控硅驱动电路。2.2单元电路设计2.2.1温度采集电路本设计的温度采集系统主要是数字温度传感器DS18B20，如图2-1所示。本设计以DS18B20为传感器，AT89C51单片机为控制核心组成的温度巡回检测系统，在图2-1中，DS18B20的供电方式为外部电源，其I/O数据线与P3.4相连。在DS18B20接入系统之前，应分别从激光ROM中读出其序号，然后分别赋予在系统中的编号1～n。该系统需要用键盘来设置温度报警的门限值，并用七段LED显示器显示DS18B20的编号和测量的温度值。图2-1温度采集电路温度检测系统原理图如图2-1所示，采用外接电源供电方式。为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，我们用一个电阻R30和89C51的一个I/O口（P3.4）来完成对DS18B20总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10μs。采用外接电源供电方式时Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连。在本设计中，我采用的是单个DS18B20测室内温度，并把它直接与单片机的I/O口相连，将测得的温度值送入CPU与键盘输入的设定值进行比较，然后通过CPU来控制负载电路的工作。一般来说CPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器和数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议,如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通信协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令,最后发送RAM