基于单片机智能中央空调控制系统毕业设计概述
编号
河南机电高等专科学校
毕业设计（论文）
基于单片机的智能中央空调控制
系统设计
系部: 自动控制系
专业: 计算机控制技术
班级: 计控111
姓名: 贾阳阳
学号: 111413135
指导老师: 张士磊
二零一四年四月
摘要
随着时代的进步和发展，空调已经普及到我们生活、工作，极大地改善了人们的生活品质。本文主要介绍了一个基于AT89C51单片机的温度检测、调节、控制的空调系统，详细描述了利用数字温度传感器DS18B20开发测温系统的过程，重点对传感器在单片机下的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析，特别是数字温度传感器DS18B20的数据采集过程。对各部分的电路也一一进行了设计。
该系统可以方便的实现实现温度采集和显示，并可根据需要任意设定上下限在通过单片机控制温度，它使用起来相当方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合于我们日常生活和工、农业生产中的温度测量，也可以当作温度处理模块嵌入其它系统中，作为其他主系统的辅助扩展。DS18B20与AT89C51结合实现最简温度检测系统，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行现场温度测量，有广泛的应用前景。
关键词：AT89C51，LED数码管，DS18B20，数字温度计
I
Abstract
With the era of progress and development, air conditioning has become popular we live, work, greatly improved people's quality of life.This paper describes a temperature measurement based on AT89C51 microcontroller, regulate and control the air conditioning system, a detailed description of the use of digital temperature sensor DS18B20 temperature measurement system development process, focusing on the sensor under the SCM hardware connection, software programming, and the modular systemconducted a detailed analysis of the process, in particular, digital temperature sensor DS18B20 data collection process.On various parts of the circuit is also introduced one by one.
The system can easily achieve the realization of temperature acquisition and display, and can be arbitrarily set the upper and lower temperature control through microcontroller. It is very convenient to use, with high precision, wide range, high sensitivity, small size, low power consumption, suitable for our daily lives and industrial and agricultural production in the temperature measurement, as temperature can also be embedded in other systems processing modulein the main system as the other auxiliary expansion.DS18B20 combined with the realization of the simplest AT89C51 temperature detection system, the system is simple, anti-interference ability, suitable for harsh environments spot temperature measurement, a wide range of applications.
Key words: AT89C51,LED digital tube,DS18B20，TemperatureSensor
II
目录
摘要................................................................................ I Abstract ............................................................................ I I 前言. (1)
1绪论 (2)
1.1空调的概述 (2)
1.2空调的发展历史 (2)
1.3空调的发展趋势 (4)
1.4系统总体方案及硬件设计 (4)
1.4.1中央空调制冷循环工作原理 (4)
1.4.2中央空调系统的设计 (6)
2系统硬件的选择及其功能特性 (12)
2.1 AT89C51单片机的结构及其功能 (12)
2.1.1 AT89C51单片机的结构 (12)
2.1.2AT89C51单片机的引脚及其功能 (13)
2.1.3时钟震荡器 (16)
2.1.4闲散节电模式 (16)
2.1.5掉电模式 (18)
2.1.6程序存储器的加密 (18)
2.2 DS18B20温度传感器 (18)
2.2.1常用的测温方法 (19)
2.2.2温度传感器的选择 (20)
2.2.3DS18B20概述 (22)
2.2.4 DS18B20测温操作 (23)
2.2.5报警操作信号 (24)
2.3 LED数码管 (24)
2.4 总体方案的确定 (26)
3硬件电路的设计 (27)
3.1时钟电路 (27)
3.2显示电路的设计 (28)
3.3按键电路设计 (29)
3.4温度传感器电路 (29)
3.5复位电路的设计 (30)
3.6系统总电路 (31)
III
4软件系统设计 (33)
4.1概述 (33)
4.2主程序流程图 (33)
4.3程序源代码 (33)
总结 (43)
致谢 (44)
参考文献 (45)
IV
基于单片机的智能中央空调控制系统设计
前言
随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。
如在工业生产中如：锅炉、蒸汽机等大型设备中，PLC(大型)作为主控器件有着不可替代的的优势，但是PLC设备一般价格比较昂贵，体积也比较大的，所用电源电压也相对较高。所以在小型系统中多采用单片机，随着单片机技术的发展，单片机的不断更新换代，其性能有了显著的提高，稳定性及控制功能也满足了智能空调控制系统的要求，达到自动控制的目的。因此我们采用基于单片机的控制系统而设计。
此次毕业实习、毕业设计第一阶段的主要工作是，学习有关单片机控制系统的基本知识，了解单片机对智能空调控制系统的相关技术，并在此基础上选择了使用AT89C51单片机作为核心设计，同时也研究了另一重要器件DS18B20温度传感器。这是课题研究的基础性内容。
第二阶段是在指导教师的指导下，设计出具体的电路，并确定满足具体技术指标的软件，掌握电路中重要器件的使用方法，以及绘制该课题电路。
通过教师的悉心指导，同学的帮助和自己的努力，完成了毕业设计的各项任务，成功完成基于单片机智能空调控制系统的设计。
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河南机电高等专科学校毕业论文
1绪论
1.1空调的概述
空调即空气调节器(Room Air Conditioner)，一般用于给封闭空间区域提供处理空气的机组。它的功能是对该房间（或封闭空间、区域）内空气的温度、湿度、洁净度和空气流速等参数进行调节，以满足人体舒适或工艺过程的要求。
随着人们生活水平的不断提高，人们也越来越追求人性化的事物，传统的空调已不能满足人们的需求。现代的智能空调不仅利用了数字电路技术与模拟电路技术，而且采用了单片机技术，实现了软硬件的结合。既完善了空调的功能，又简化了空调的控制与操作；不仅满足了不同用户对环境温度的不同要求，而且能全智能调节室内的温度及湿度等，使得空调具有节能、操作更简单、无机械装置、安全性能更强等特点。随着电子产品的飞速发展，价格低廉而又实用的控制系统深受广大消费者的喜爱。所以本次毕业设计就选择基于单片机的智能空调控制系统设计。
1.2空调的发展历史
在二十世纪六，七十年代，美国地区发生罕见的干旱天气，为解决干旱缺水地区的空调冷热源问题，美国率先研制出风冷式冷水机，用空气散热代替冷却塔，其英文名称是:Air cool Chiller，简称为Chiller。
在空调历史中，美国已经发展和改进了有风管的中央单元式系统，并得到了正在现场安装和修理有风管的单元式空调系统的空调设备分销商和经销商的强力支持。WRAC是最简单和最便宜的系统，能够很容易的在零售商店中购得，并在持续高温来的时候自己安装。同时，无风管的SRAC 和SPAC自70年代起在有别于美国市场的动力下在日本得到发展和改进。之后，设备设计和制造技术在90年代被转让到中国，这是通过与当地公司(包括主要元件如压缩机、热交换器、电机、精细阀和电子控制器的本地制造商)组成的合资公司进行的。在90年代中国也从其它先进国家吸收了较大型空调设备的先进高新技术，并与多数是美国的大公司组成合资企业。现今，中国当地主要工厂和合资企业制造了大量SRAC和SPAC以满足增长的国内市场和出口需要。中国现今已是最大的空调出口国，在2010年有4189万台机组出口。下面介绍我国家用空调产品外观历史演变
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基于单片机的智能中央空调控制系统设计
1. 第一代格栅式面板家用空调器
1988年，第一台国产分体壁挂机KF-19G1A在华宝空调器厂诞生，当时华宝还给它取了个很有诗意的名字——雪莲。雪莲的诞生开启了我国家用空调器行业的一个新时代，此后，春兰也拥有了自己的挂机生产线。华宝和春兰生产的空调器统治了从上个世纪80年代末到90年代中期近10年的时间，他们生产的空调器在外观上极其相似：扁平的大长方体结构。与此同时，大量的进口产品外观在90年代中期以前与此也大体相仿，所以，当时的空调器特别是挂机，如果不看商标很难辨别出是哪个品牌。1988年华宝空调器厂研制出第一台分体壁挂机KF—19GA是格栅式面板产品的一个典型代表，直到1995年，春兰的KFR—22G依然是挂机市场的主导产品，这也说明了当时国产空调品仍旧以格栅式面板为主流。
2. 第二代格栅式面板家用空调器
当家用空调器渐渐普及，其外观也在悄悄地发生着变化。20世纪80年代甚至到1995年，中国空调市场是进口机一统天下，进口机为中国家用空调行业的发展起到了启蒙作用，许多国产品牌的生产就是引进配件加以组装，这种启蒙作用也包括对我国家用空调器产品室内机外观的改变。
20世纪90年代中期，以三菱电机、日立、松下等为代表的进口空调器出现了一种小型室内机，这种室内机一改以往那种庞大敦重的形象，外观精巧整洁，与家居环境融为一体，深受消费者的青睐。随着国内众多空调工厂对此类产品的普及生产，第二代格栅式面板空调器主导了空调市场并流行至今。
3. 第三代光面板时代
2005年度国内各个工厂的新产品，与往年格栅式面板占主流相比，绝大多数品牌在2005年度推出了光面板系列的空调产品，如格力的天丽系列、海尔的高效氧吧系列、美的的Q2系列和V系列等等。空调行业各厂家的这种集体行为将我国家用空调产品推至光面板时代。
与格栅面板相比，不仅是外观上的一种进步，更是产品技术上的一种转变。光面板挂机的上进风下出风取代了原来的正面进风下出风的循环风路，而光面板柜机的侧进风或进风口开合式设计也渐渐与原来传统的下进风上出风的循环风路共同主导柜机产品的设计趋势。
4. 第四代彩色面板
在国内空调市场，将彩色引入空调面板设计并形成一种传统风格是韩国品牌三星和LG的创举。与此同时，其他工厂开始逐一效仿。至2005年
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度，绝大多数工厂都有彩色面板的产品面市；而且，面板的颜色种类也开始变得异彩粉纷呈，其中又多款彩色面板产品堪称经典，如海尔的彩屏双新风、格力的天丽、志高的花好月圆、TCL的君兰系列和海蒂娜系列等等。
1.3空调的发展趋势
由于近几年国家的大力倡导节能减排，促进环保，实施可持续发展的战略。2004年8月，国家发改委、国家质检总局联合制定并发布《能源效率标识管理办法》，这标志着我国将实施能源效率标识制度.我国的能效标识制度自2005年3月1日起正式实施.能效标准是由能效比得来的，首先介绍一下空调能效比的计算方法:能效比=制冷量/制冷功率。本着响应国家政策发展节能技术，内的空调生产商也开始逐步走向变频空调的市场。在2009年新空调年，美的变频空调整体销售目标为250万套，其中国内市场销售预计达150万套，占据国内变频空调60%以上市场份额。“明年对所有做变频空调的品牌来说都是一个机会，变频空调的销售量很可能翻番，所占市场份额可能达到10%以上。”海信科龙总裁王士磊对明年的变频空调市场抱乐观态度，而作为未来的发展趋势，国内几大空调厂家闻风而动，开始对变频空调“投怀送抱”。
除了发展变频空调外，还有新冷媒(R410A)的推广，静电除尘技术的普遍利用，负离子技术的广泛使用也都预示我国的空调行业向着高效、节能、环保的趋势前进。
1.4系统总体方案及硬件设计
1.4.1中央空调制冷循环工作原理
人工制冷就是借助一种专门装置，消耗一定的外界能量，迫使热量从温度较低的被冷却物体，转移到温度较高的周围介质，得到人们所需要的各种低温，这种专门装置称为制冷装置。人工制冷的方法有蒸发相变制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷和热电制冷。其中液体蒸发相变制冷的应用最为广泛，它是利用液体汽化时的吸热效应而实现制冷的。蒸发相变制冷有三种类型：蒸气压缩式、吸收式和蒸气喷射式。中、小型空调装置都采用蒸气压缩式制冷，而吸收式制冷主要用于—些大型空调系统中。家用中央空调是小型空调装置主要用蒸气压缩式制冷循环。
空调器中的制冷装置是由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀等部件构成的。它们通过管道连接形成一个封闭的系统，系统中充注着制冷剂，由
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基于单片机的智能中央空调控制系统设计
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压缩机和节流阀的节流而完成整个系统的循环工作。
制冷剂在循环中经过四个热力变化过程，其工作过程如图1.1所示： A B A
B
冷凝器放热
吸热
蒸发器
制冷剂液
制冷剂蒸
气压缩机
节流阀
流动方向
A-A 高压区
B-B 低压区
图1.1空调器制冷工作过程
（1）蒸发过程 低压制冷剂进入蒸发器中即进行汽化，变成低压蒸气，吸收被冷却物的热量使被冷却物温度降低进行制冷。
（2）压缩过程 蒸发器中的制冷剂低压蒸气被压缩机吸入到气缸中进行压缩，压力和温度都升高后被排入到冷凝器中。
（3）冷凝过程 此过程由冷凝器来完成，蒸气状态的制冷剂在冷凝器中把所吸收的热量排出系统，同时制冷剂蒸气冷凝为液体，以便再循环使用。冷凝器是一个散热器。
（4）节流过程 节流过程也可认为是降压过程。它是用节流元件来减小其流量，降低其压力。在小型空调器中，一般采用毛细管来实现节流过程，也有用热力膨胀阀或电子膨胀阀进行节流。
在压缩机不停的运行中，上述四个热力过程连续不断地进行循环完成空调器的制冷过程。
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1.4.2中央空调系统的设计
1．中央空调系统的比较和选择
各种中央空调系统有不同的优缺点和适用范围，根据其优缺点，本设计选择以空气源热泵冷热水机组为设计的研究对象。主要研究空气源热泵冷热水机组系统的末端系统的智能控制系统。
2．空气源热泵冷热水系统设计
空气源热泵冷热水系统主要由冷热水机组，水循环系统、风机盘管系统和膨胀水箱组成，膨胀水箱用于调节系统水量。
（1） 空气源热泵冷热水机组的介绍
“热泵”是指风可以在低温环境下吸收热量，并将其位能提高后，向高温环境输出热量的装置机械。这样的系统可以不用水冷，省却了冷却塔。
空气源热泵冷热水机组就属空气一水热泵，其机组室外侧是通过空气进行热交换，室内侧产生空调冷热水，由管路系统输送到空调房间的末端装置，在末端装置处冷热水与房间空气进行热量交换，产生冷热风，从而实现空调房间的夏季供冷和冬季供暖效果。该机组属于一种集中生产冷热水，但分散处理各房问负荷的空调系统形式。图1.2是空气源热泵冷热水机组示意图。
风冷换热器
风扇压缩机节流装置水
冷
换
热
器空调水泵集水器
分水器供水回水
图1.2空气源热泵冷热水机组示意图
空气源热泵冷热水机组的家用中央空调的制冷剂循过程是：制冷时机组的风冷换热器为冷凝器，机组的水冷换热器为蒸发器；制冷剂经压缩机压缩成为高温高压过热气体，在风冷换热器中冷凝放热，成为高压过冷液，再经节流装置阻力降压后成为低压低温两相流体进入水冷换热器蒸发吸热
基于单片机的智能中央空调控制系统设计
(此时载冷剂被冷却)，最后再回到压缩机进入下一循环。制热时热源是室外空气，机组的风冷换热器为蒸发器，机组的水冷换热器为冷凝器；制冷剂经压缩机压缩成为高温高压过热气体，在水冷换热器中冷凝放热(此时载冷剂被加热)，成为过冷液，成为过冷液，再经节流装置阻力降压后成为低压低温两相流体进入风冷换热器蒸发吸热，最后再回到压缩机进入下一循环。冷热水机组的制冷剂循环中并没有直接将制冷剂作为输送介质送到用户的换热器中，而是通过水冷换热器将制冷剂的冷热量传给专门的输送介质—载冷剂送到用户端。这种载冷剂通常为水。
特别要指出的是，在设计风冷热泵型机组时，其制热过程在室外温度低于0℃时，风冷换热器的扇片表面温度因低于空气露点温度，水蒸气会在扇片上凝结，故需要进行合理除霜处理。同时利用高温高压的制冷剂气体的过热焓，给空调提供热量，但是，这会要求主机的制热功率加大，而且，当气温越低，所需的热负荷越大，而主机的制热能力却越低，造成了矛盾。当气温低于风冷热泵的平衡温度以下时，一般也只能加辅助热源的办法，来增加其制热功率。辅助热源一般可以用电加热器，燃油锅炉等，有的可以直接停用冷热泵，全部有电加热器或燃油锅炉提供热量。
（1）水循环系统的设计
在中央空调的空气调节中，通常用水作为载冷剂来实现热量的传递，因此水系统是中央空调系统的一个重要组成部分。空气源热泵冷热水机组家用中央空调的水系统包括冷（热）水系统、冷凝水排放系统。
冷冻水循环系统：来自空调设备的冷冻水回水经集水器、除污器、循环水泵，进入冷水机组蒸发器内，吸收了制冷剂蒸发的冷量，使其温度降低成为冷冻水，进入分水器后再送入空调设备的末端风机盘管内，与被处理的空气进行热交换后，再回到冷水机组内进行循环再冷却。
热水循环系统：主要是完成冬季空调设备所需的热量，使其加热空气用。从各用户换热器返回的低温回水在集水器中混合，经循环水泵加压送入水冷换热器中换热成为高温载冷剂进入分水器，再由分水器分流进入各空间的空调设备的表冷器或风机盘管内与被处理的空气进行热交换后，水由回水管路回到集水器中，进入下一循环。
冷凝水排放系统：排放空调表冷器表面因结露而形成的冷凝水的水管。
（2）风机盘管系统
风机盘管系统工作原理
该系统的室内末端装置通常为风机盘管。风机盘管是由风机、换热盘
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管(小型表面式换热器)和机壳组成，直接安装在房间内，风机将室内一部分空气进行循环处理(经空气过滤器过滤和盘管进行冷却或加热)后直接送入房间，以达到对室内空气进行温、湿度调节的目的。房间所需要的新鲜空气可以通过门窗的渗透或直接通过房间所设新风口进入房间，或将室外空气经过新风处理机组集中处理后由管道直接送入被调房间，或者由风机盘管的空气入口处与室内空气进行混合后经风机盘管进行温度、湿度处理后送入室内，以满足室内环境的卫生要求。
风机盘管系统是属于半集中式空调系统。风机盘管机组由风机、电动机、盘管、空气过滤器、室温调节装置及箱体等组成。按风机盘管机外静压可分为标准型和高静压型、按风机盘管排数可分为两排和三排，换热盘管一般是采用铜管铝翅片，风机一般采用双进风前弯形叶片离心风机。风机盘管机组一般容量范围为：风量0.007~0.236m/s、制冷量 2.3~7kw、风机电动机功率30~100w、水量约0.14~0.22l/s、盘管水压损失10~35kpa等。风机盘管空调系统具有以下特点：
（a）风机盘管空调系统在运行中噪声比较小。
（b）风机盘管空调系统具有各自独立调节的优越性。由于风机盘管的分级转速可以分为多档，而且水路系统又采用冷、热水自动控制以及房间温度调节器的控制等，因而可以灵活的调节各个房间内的温度，室内无人时又可以停止机组的运转，做到既节约能源，又经济运行。
（c）系统可以比较容易的实现分区调节控制。
（d）由于风机盘管空调器体积较小，布置和安装都比较方便。
（e）由于风机盘管空调系统省去了回风道，同时缩小了送风管道的断面尺寸，因而减少了或不占用建筑面积和空间及一次投资费用。
风机盘管控制工作原理
风机盘管控制多采用就地控制的方案，分简单控制和温度控制两种：风机盘管简单控制：使用三速开关直接手动控制风机的三速转换与启停。风机盘管温度控制：使用温度控制器根据设定温度与实际检测温度的比较、运算，自动控制电动两/三通阀的开闭；风机的三速转换，或直接控制风机的三速转换与启停，从而通过控制系统水流或风量来控制送入室内的冷热量，以达到对每个空调房间进行单独控制和调节，满足各个房间不向的个性化空调需求，同时其节能性也较好。由于控制阀门的开度，来控制水的流量的一般受外界的因素影响较大，控制不稳定，这个控制器以控制风机的转速为方向。当空调房间内冷热负荷发生变化时，改变风机盘管机组中
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第 9 页 的风机转速，从而改变通过风机盘管机组的处理空气量，实现房间内的温湿度调节。控制风机的转速是调压控制方式，输出的矢量是电压。
风机盘管空调系统，没有大风道，只有水管和较小的新风管，具有布置和安装方便、占用建筑空间小、单独调节好等优点，广泛用于温、湿度精度要求不高、房间数多、房间较小、需要单独控制的舒适性空调中。
设计的中央空调空气源热泵冷热水机组安装方便，省去了冷却塔，可安装于屋顶、阳台或室外，只需连通冷热水管路、水泵即可进行系统冷热水循环。该机组运转噪声低，对环境影响小，与同等能力的其他类型空调机相比，运转更加平稳，从而拓宽了其适用范围。小型冷热水空调系统，可满足用户多居室需求，可适应用户的个性化需求，不受其他用户影响；采用主机与末端分离安装方式，保证了宁静的居室环境；主机由微电脑控制，在室内可完成全部操作；室内末端安装可采用暗藏方式，极适宜配合室内装修；系统可根据实际负荷自动化运行，节约能源及运行费用；将供冷、供暖费直接转化为电费，开机计费，停机则不计费，收费直观、合理。图1.3空气源热泵冷热水家用中央空调系统图。
水冷换热器风
冷
换
热
器
压缩机节流阀
膨胀水箱
水泵
调节阀风机盘管风机冷热水机组
图1.3 空气源热泵冷热水家用中央空调系统图
为了达到空调的目的，发挥空调的作用，空调系统就是对空气进行处理和调节，除了对空气的降温和加热，其系统的结构组成还应包括以下几部分：
（1）新风部分