基于单片机的空调温度控制系统设计毕业设计
基于单片机的空调温度控制系统设计毕业设计
目录
1. 绪论 (1)
1.1 空调温度控制系统研究背景和意义 (1)
1.2 空调温度控制系统的现状和不足 (2)
1.3 本文设计任务及目的 (3)
1.4 本文主要内容 (3)
2 方案设计 (4)
2.1 总体方案设计与选择 (4)
2.1.1 总体方案设计 (4)
2.1.2 总体方案论证 (5)
2.1.3 总体方案选择 (6)
2.2 模块方案论证与选择 (6)
2.2.1 显示模块 (6)
2.2.2 按键输入模块 (8)
2.2.3 开关控制模块 (9)
2.2.4 温度采集模块 (10)
2.3 软件总体框图 (10)
2.4 本章小结 (11)
3 系统硬件电路设计 (12)
3.1 总电路设计 (12)
3.2 单片机最小系统介绍 (12)
3.2.1 AT89C52单片机介绍 (12)
3.2.2 单片机的复位电路设计 (15)
3.2.3单片机的时钟电路设计 (16)
3.3 输入电源电路设 (17)
3.4 矩阵键盘电路设计 (17)
3.5 温度测量电路设计 (19)
3.5.1 温度传感器DS18B20概述 (20)
3.5.2 温度采样电路 (21)
3.6 驱动控制电路设计 (22)
3.7 显示电路设计 (23)
3.8 模拟执行电路设计 (24)
3.9 蜂铃器电路模块 (25)
3.10 PWM控制技术 (25)
3.10.1 PWM简介 (25)
3.10.2 AT89C52单片机生成PWM方法 (26)
4 系统软件设计 (27)
4.1 主程序设计 (27)
4.2 初始化程序设计 (28)
4.3 DS18B20温度采样程序设计 (28)
4.4 LCD显示程序设计 (30)
4.5 按键程序设计 (32)
4.6 本章小结 (33)
5系统调试与仿真 (34)
5.1 系统调试 (34)
5.1.1 编程与画原理图 (34)
5.1.2 进行调试与仿真 (36)
5.2 硬件调试 (38)
5.3 实物图 (40)
5.4 本章小结 (40)
结束语 (41)
参考文献 (42)
致谢 (44)
附录1 系统总电路图1 (45)
附录2 系统总电路图2 (46)
附录3 元件清单列表 (47)
附录4 程序源代码 (48)
Main.c文件 (48)
Global.c文件 (52)
DS18B20.c文件 (53)
DS18B20.h文件 (58)
LCD.c文件 (58)
LCD.h文件 (61)
KEY.c文件 (62)
KEY.h文件 (76)
基于单片机的空调温度控制系统设计
1. 绪论
随着科学技术和市场经济的快速发展以及人们生活质量的提高。空调等家电广泛的应用在人们的工作生活中。现代科技的飞速发展和普及也促进了空调技术的不断前进。空调的功能就是通过采取特定的方法调节和控制人们生活、工作和科研所需的空气环境。通过对室内空气的温度、洁净度、湿度以及空气交换速度的调控，使室内空气能够达到人们日益提高的温度需求范围，以满足生产过程对温度的严格需求和人体舒适生活的要求。
1.1 空调温度控制系统研究背景和意义
在空调出现之前。人们主要是通过手工操作加热、通风和降温设备来控制温度的变化，比如烧煤木、发电和日光等提高环境温度，使用大型风轮送风，或者利用水蒸发散热等。这些人力操作方法不但控制效果比较差，温度的精确度比较低，也提高了操作人员的劳动强度，这会影响某些工业生产的可靠性。随着科技的不断进步以及工业生产的严格环境要求，在生产生活中温度已成为一种重要的调控参数，温度的检测和控制广泛应用于工业、农业及日常生活的诸多领域。生产生活的强烈需求让制热或者制冷电器系统的产生成为科研的方向。空调也就出现了。空调从诞生发展到现在，已经从简单的空调扇到传统的功能单一的空调，再到今天高智能化的、低功耗的变频空调时代，已经过去了一个世纪。空调也从最初的为机器降温逐渐发展到为人类提供舒适的生活工作环境。
科学技术的日新月异为高精度、高稳定速度的温度需求的实现提供了可靠的技术支持。单片机的功能不断增强，为先进的控制方法提供了更好的处理器。单片机作为空调温度控制系统的核心，它的作用是不可替代的。采用单片机等微控制器作为空调智能控制的核心已成为当今智能控制系统的主流。
空调是采用嵌入式技术的温控装置，广泛应用于家庭、商城、影院、办公及生产车间等公共场所，已经成为人们生产生活中不可或缺的必需品。本文设计了一款模拟空调工作的控制系统。使用单片机作为空调的微处理器，通过温度传感器采样温度，MCU进行数据分析并处理。实现对模拟部件的控制。通过此次设计了解空调温度控制的原理和
微处理器在现代工业生产中的应用。
1.2 空调温度控制系统的现状和不足
国外对空调温度控制技术的研究比较早，1970年初日本开始运用变频空调技术，变频空调可以根据室温情况自动进行无极变速，为室内环境提供所需冷热量，从而保证室温的稳定。变频空调具有低功耗，低噪音，温度控制精度高等优点。我国在学习了发达国家温度控制技术理论知识后，在此基础上通过创新和吸收才掌握以单片机为控制器的室内温度控制技术，而此时国外已经在完全自动化，智能化方向有了长足发展。与发达国家比我们在技术上还有一定差距。
市场上有电气式空调控制器和电子式空调控制器。电气式空调的温度控制系统采用双金属片作为温度传感器，可以通过调节预先设置的功能按钮控制预紧力来设定温度。这类空调温度控制器一般都存在几个问题，比如温度设定时的精确度不高、时间常数比较大、容易损坏机械开关等。电子式空调温度控制系统采用热敏电阻或热电阻作为温度传感器，通过触摸键设置温度和控制风速开关，采用液晶显示屏能实现人机友好的交互界面，自动完成冷热的切换。电子式空调温度控制系统解决了电气式空调温控器中出现的一些问题，但仍存在调节精度不高、用户操作复杂等问题。应用新型控制模型和数控芯片的智能型室温空调温控器正在研究开发中，部分已经应用于实际工程。
21世纪，物联网技术的兴起和发展使用户可以通过传感设备，再根据物联协议要求，可以直接对空调进行通信和控制。智能化的识别技术和管理技术和监控技术已开始面向市场。2010年4月，家电巨头海尔集团研发的无氟变频物联网空调面世。它能根据外界温度和室内环境温度的差异将室内温度调节到最合适状态。物联网空调还可以将空调的功耗和室内温度的变化等信息报告给用户。物联网技术支持下空调将实现真正互联化和高度智能化。但是空调的控制原理没有变化，只是其微型控制器更先进，并能实现网络通信。单片机方面，8位机仍将是主流，但18位和32位单片机也将发挥越来越大的作用，专用型空调单片机的应用也会更广泛。满足各类不同需求的单片机种类会越来越多。
本设计结合当前迅速发展的单片机技术，设计了一个单片机温度控单元，对空调的温度控制原理进行一定的研究。
1.3 本文设计任务及目的
设计一个以AT89C52单片机为核心的空调温度控制系统。主要功能为：
1.具有检测温度功能；
2.具有显示温度的功能
3.通过设定的温度，由固态继电器采用模拟PWM控制方法，改变电子开关的闭合
时间；完成对空调温度的控制；
4.具有加热（红灯）、制冷（蓝灯）、送风（绿灯）功能；
5.具有采集环境温度功能；
6.具有警报功能。
1.4 本文主要内容
根据设计题目的需求分析，对论文结构做了如下安排：
第一章介绍了空调温度控制系统的背景和意义，针对现状与不足提出本设计的任务和目的。
第二章介绍了空调温度控制系统的几种常见的设计方案。也分别介绍了各种不同方案实现的主要模块。根据不同的设计方法，对系统方案和各功能模块方案分别进行分析论证，分别选择了适合该系统的实际设计方案。
第三章以硬件电路介绍为主，简单据介绍了本系统采用的芯片的性能参数和在系统中的连接与使用方法。给出了完成各部分功能的电路设计图。列出本次设计所需的元器件。
第四章是软件模块设计。根据系统的功能要求。在Keil软件中建立工程并分模块编写程序。主要介绍了各功能模块的程序流程图。本设计用单片机C语言编写程序。程序按模块分为主程序、温度采集程序、显示程序、键盘扫描程序和执行程序等几个独立模块。按照软件开发的模块化编程思想。独立完成各模块的程序编写。最后将各模块整合在工程里面运行，生成的.hex文件就是单片机能够执行的程序命令集合。
第五章主要介绍了系统调试和仿真。在Proteus和Keil软件平台进行编程和画图。然后通过两个软件联合调试仿真。模拟实现空调温控系统所要求的功能。
2 方案设计
空调温度控制系统要具有足够的稳定性、实时调节性以及高精确控制的特点。所以
设计思想和设计方案是前提，也是关键环节。要遵循控制系统经济、可靠性、高效性等
原则来设计空调温度控制系统。
2.1 总体方案设计与选择
2.1.1 总体方案设计
方案一：模糊控制
模糊控制就是根据人工控制的经验，把收集到的外部信息形成一个概念，如人们对
温度的感受：过高、合适、过低，然后根据判断决定控制方法。根据偏差及偏差的变化
率计算出要输出的模糊控制量，再进行模糊运算，得出模糊输出信号，实现对执行器的
控制，达到调节受控变量的目的。该方案的结构框图如图2.1所示。
图2.1模糊控制方框图 方案二：单片机加A/D 转换
该方案采用AT89C51单片机作为空调控制系统的核心控制器件。首先通过温度传感
器AD590对室温进行采样，将采样的温度信号通过模数转换电路把模拟信号转换成数字
信号，然后输入单片机进行处理。单片机输出信号控制LED 显示当前温度。由键盘输入
设定温度并显示。单片机处理器根据程序算法比较当前温度和设置温度的大小，输出相
应控制信号驱动执行单元工作。该方案主要特点是把模拟信号转换成数字信号。再由单
片机处理。该方案的结构框图如图2.2所示。
室内温差
单 片 机 室内热交换
器管壁温度
制热 室外热交换
器管壁温度
d/dt d/dt d/dt
送风
制冷
图2.2 单片机控制和A/D 结合控制方框图
方案三：用AT89C52作为系统的控制核心。
该方案以AT89C52单片机为空调温控系统的核心。通过高精度的DS18B20温度传感
器采样室内温度并将温度信号直接传递给控制器。同时也可以通过矩阵键盘设置温度并
传递给控制器。单片机根据软件设定的定时中断功能从指定引脚读入信号，经过信号处
理，定时/计数函数输出PWM 控制信号到驱动电路，驱动电路采用继电器控制执行器的
通断电，这样的开关设置具有隔离和和放大的功能。单片机通过软件控制各模块协调工
作。完成对温度的自动化控制。该方案的结构框图如图2.3所示。
图2.3 AT89C52和DS18B20传感器为核心的结构框图
2.1.2 总体方案论证
方案一：该方案采用模糊控制技术输入，空调的温度控制系统做模糊技术处理后就
可实现对温度变量的控制。通过获取室内外温差及其变化率，数据经过单片机处理后输
出对加热、制冷、送风等功能实现智能化控制。
优点：设计时不需要建立温度的相对准确数学模型，只需要熟悉掌握人类的控制经
验。适用于非线性的、滞后性系统的控制。
缺点：设计时缺乏系统控制的方法。主要靠经验和实验操作系统运行。模糊控制规
AD590
A/D 转换 AT89C52 单片机 LED 显示 继电器 继电器 键盘 执行器 执行器
按键输入
部分
DS18B20 温度传感器 A T89C52 单片机 LED 显示 驱动部分 驱动部分 驱动部分 制热 制冷 送风
蜂铃器
则的总结很困难。
方案二：该方案通过AD590进行温度采样，然后通过ADC0809进行A/D转换，将转换后的信号传输给AT89C51，由AT89C51控制液晶显示器显示温度，通过比较当前温度与设置温度大小，单片机根据比较结果驱动空调机工作，从而模拟实现空调各种功能要求。
优点：该方案系统原理简单，信号采样比较精确。电路可靠。比较容易实现对空调的控制。
缺点：该方案的温度采样电路中。用到A/D转换，使得芯片的译码过程复杂些，容易产生误差。
方案三：该方案采用DS18B20作为温度采样器件，由于DS18B20能独立完成温度采样并输出单片机能处理的数字信号。且DS18B20无需外部元件，采样精度高，在温度采集系统中的应用广泛。该方案控制原理和方案二是一样的，但其电路更简单，采样数据更可靠，且电路无需外接其它器件，节省了一定的成本。
优点：该方案控制原理简单可靠。各模块单元直接连接单片机，处理速度快，使用的元器件比较常见，更具有易用性和可维护性。
2.1.3 总体方案选择
比较上述三种设计方案，方案一的模糊控制理论比较复杂，采样数据有一定的误差。模糊控制属于事后控制，有一定的延时性，而且模糊控制的额外计算量大，不利于控制系统的实时快速反应。方案二和方案三控制原理相同，但方案二采用A/D转换技术，采样数据经过译码器译码后会出现误差，采样电路也相对复杂。综上所述，本次设计选择方案三来实现对空调温度的自动化控制。
2.2 模块方案论证与选择
2.2.1 显示模块
对于人机交互式控制系统来说，不仅需要响应输入信息，同时也要将一些测量控制信息输出并显示在屏幕上，以便提供实时的数据供用户观察和处理。
方案一：采用LED数码管作为显示界面。LED是由多个发光二级管组成的显示器件，
通过控制指定字段的导通与断开使数码管显示相应的字符。单片机系统中LED数码管是最常用的显示器件。其成本低廉，使用简单。本设计需显示99.9℃~ -99.9℃的当前温度和设置温度，所以需要8个LED数码管并列使用。4位数码管如图2.4所示。
A B C D E F G DP 1 2 3 4
图2.4 数码管
方案二：用LCM1602液晶显示器做显示界面，LCD液晶显示依靠液晶显示器来显示数据和图形的。LCD液晶显示效果良好，可以显示数字，也能显示一些简单的图形和汉字等，在电路设计中应用广泛。该显示屏幕能显示一行或者二行。液晶显示器如图2.5所示。
图2.5 液晶显示器
本次设计需要显示当前温度和设置温度，需要8个数码管才能显示温度。数码管过多不仅占用电路板空间，也占用单片机的I/O接口，而且没有提示功能。使用LCD显示不仅可以设置提示栏，如“Now,Set”等标注栏，能双行显示当前温度和设置温度。使用LCM1602液晶显示器让交流界面美观友好，而且LCD占用占用电路板的空间也比数码管小得多。显示质量比数码管高，它的数字式接口电路也易于操作。所以显示模块选用LCD液晶显示器。