空调机温度控制系统.docx

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空调机温度控制系统

单片机课程（设计）

（设计目）题：

空调机温度控制系统

学院：

明德学院

专业：

机械设计制造及其自动化

班级：

机电12151

学号：

学生姓名：

指导教师：

2015年6月

贵州大学单片机课程（设计）

诚信责任书

本人郑重声明：

本人所呈交的课程设计，是在指导老师的指导下独立进行研究所完成。

在文本设计中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。

特此声明。

课程（设计）作者签名：

日期：

空调机温度控制系统

摘要

新世纪里，人们生活质量不断提高，同时也对高科技电子产业提出了更高的要求，为了使人们生活更人性化、智能化。

我设计了这一个基于单片机的空调温度控制系统，人们只有生活在一定的温度环境内才能长期感觉舒服，才能保证不中暑不受冻，所以对室内温度要求要高。

对于不同地区空调要求不同，有的需要升温，有的需要降温。

一般都要维持在22~26°C。

目前，虽然我国大量生产空调制冷产品，但由于我国人口众多，需求量过盛，在我国的北方地区，还有好多家庭还没有安装有效地室内温控系统。

温度不能很好的控制在一定的范围内，夏天室内温度过高，冬天温度过低，这些均对人们正常生活带来不利的影响，温度、湿度均达不到人们的要求。

以前温度控制主要利用机械通风设备进行室内、外空气的交换来达到降低室内温度，实现室内温度适宜人们生活。

以前通风设备的开启和关停，均是由人手动控制的，即由人们定时查看室内外的温度、湿度情况，按要求开关通风设备，这样人们的劳动强度大，可靠性差，而且消耗人们体力，劳累成本过高。

为此，需要有一种符合机械温控要求的低成本的控制器，在温差和湿度超过用户设定值范围时，启动制冷通风设备，否则自动关闭制冷通风设备。

鉴于目前大多数制冷设备现在状况，我设计了一款基于MCS51单片机空调温度控制系统。

关键词：

电子、单片机、空调、温度、电路

诚信责任书..............................................................................................................................Ⅱ

2.2.1温度传感部分的选择..........................................................................................6

2.2.2A/D转换方案设计................................................................................................7

2.2.3数字显示...............................................................................................................8

2.2.4降温驱动控制电路的选择...................................................................................9

1绪论

随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。

常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。

作为体重测量仪器，电子体重秤以其测量的准确性和高速性开始逐渐取代传统的仪表体重秤，成为测量体重领域的主流产品。

1.1空调

一、空调

“空调”即房间空气调节器，是一种用于给房间（或封闭空间、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、适度、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。

二、空调的工作原理

空调器的制冷系统由蒸发器、压缩机、冷凝器和毛细管四个主要部分组成。

按照制冷循环工作的顺序，依然用管道接成一个整体。

系统工作时，蒸发器内的制冷剂吸收室内空气的热量而蒸发成为压力和温度均较低的蒸汽，被压缩机吸入并压缩后，制冷剂的压力和温度均升高，然后排入冷凝器。

制冷剂蒸气在冷凝器内通过放热给室外空气而冷凝成为压力较高的液体。

制冷剂液体通过毛细空的气流，压力和温度均降低，再进入蒸发器蒸发，如此周而复始地循环，从而达到降低室内温度的目的。

三、空调的功能

1、降温 

在空调器设计与制造中，一般允许将温度控制在16~32℃之间。

若温度设定过低，一方面增加不必要的电力消耗，一方面造成室内温度偏大时，人们进入房间不能很快适应温度变化，容易患感冒。

2、除湿 

空调器在制冷过程中伴有除湿作用。

人们感觉舒适的环境相对湿度应在40~60%左右，当相对温度过大如在90%以上，即使温度在舒适范围内，人的感觉仍然不佳。

3、升温 

热泵型与电热型空调器都有升温功能。

升温能力随室外环境温度下降逐步变小，若温度在-5℃时几乎不能满足供热要求。

4、净化空气 

空气中含有一定量有害气体如NH3、SO2等，以及各种汗臭、体臭和浴厕臭等臭气。

 空调净化方法有：

换新风、过滤、利用活性炭或光触煤吸附和吸收等。

A、换新风:

利用风机系统将室内潮湿空气往室外排，使室内形成一定程度负压，新鲜空气从四周门缝、窗缝进入室内，改善室内空气质量。

1.2单片机与空调控制系统

空调控制系统要控制的是空气温度，是通过压缩机的运行、停止控制的，实际上单片机直接控制的是压缩机的工作状态。

该系统要实现以下功能。

（1）根据环境温度控制压缩机：

控制参数是温度，控制参数是压缩机电路通、断的状态。

（2）设置希望的环境温度值：

由人手动控制 

（3）显示设定的温度值

1.3空调的研究现状和发展趋势

随着中国经济的发展和人民生活水平的提高，空调作为一款重要的家用电器，在国民经济生产和人们社会生活中扮演的角色也越来越重要。

  进入21世纪以来，我国空调行业持续快速发展。

改革开放带动国内经济高速发展，空调产品也由“生活奢侈品”逐渐转变为日常生活用品，大大刺激了国内空调产业的发展。

我国空调市场趋于成熟，消费者对品牌认知度不断增强，品牌集中度持续提升，产业升级步伐加快，空调业逐步走向发展壮大。

  我国空调行业已经基本上进入平稳发展时期。

中国空调企业不但在数量和规模上长足发展，在技术上也开始从引进模仿走上了自主创新的道路。

在空调健康、节能功能以及外观设计上，国内企业也经过引进、消化、吸收，技术水平及产品质量都在不断趋于完善，中国已经发展成为世界空调产业重要的研发和生产基地。

  中国产业调研网发布的2015年版中国空调市场深度调研与行业前景预测报告认为：

绿色经济和低碳经济的发展已成为全球经济发展的大势所趋，环保节能、健康舒适成为空调行业未来发展的主要方向。

变频空调以其恒温、快速制冷热等性能上的优势，受到消费者青睐，成为各大空调厂商争相开发的热点产品。

中国空调企业正主动适应外部环境的变化，积极加大自主创新力度，加速产业结构调整。

“十二五”期间，中国家用空气调节器行业将保持平稳增长的良好发展势头，空调市场发展前景乐观。

1.4课题提出的背景和意义

温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。

自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。

在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。

自18世纪工业革命以来，工业过程离不开温度控制。

温度控制广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等。

温度控制的精度以及不同控制对象的控制方法选择都起着至关重要的作用，温度是锅炉生产质量的重要指标之一，也是保证锅炉设备安全的重要参数。

同时，温度是影响锅炉传热过程和设备效率的主要因素。

基于此，运用反馈控制理论对锅炉进行温度控制，满足了工业生产的需求，提高了生产力。

1.5国内外现状

1971年，著名的美籍华裔科学家傅京孙教授最早公开指出了一个崭新的研究领域，并提出了相应的概念，这就是智能控制系统（Intelligent Control Systems）。

1985年8月，IEEE在美国纽约召开了第一界智能控制学术讨论会，智能控制原理和智能控制系统结构这一提法成为这次会议的主要议题。

这次会议决定，在IEEE控制系统学会下设立一个IEEE智能控制专业委员会。

这标志着智能控制这一新兴学科研究领域的正式诞生。

智能控制作为一门独立的学科，已正式在国际上建立起来。

在过去的20多年里，智能控制理论发展迅猛，出现了大量新颖的控制理论。

智能控制系统是某些具有仿人智能的工程控制和信息处理系统，它与人工智能的发展紧密联系。

智能控制是一门新兴的交叉前沿学科，它具有非常广泛的应用领域。

智能可定义为:

能有效的获取、传递、处理、再生和利用信息，从而在任意给定的环境下成功的达到目的的能力。

人工智能是应用除了数学式子以外的方法把人们的思维过程模型化，并利用计算机来模仿人的智能的学科。

它的应用范围远比控制理论广泛，如包括判断、理解、推理、预测、识别、规划、决策、学习和问题求解等，是高度脑力行为和体力行为的综合。

智能控制就是应用人工智能的理论与技术和运筹学的优化方法，并将其同控制理论方法与技术相结将智能控制与PID控制相结合，实现温度的智能控制。

智能控温法采用神经元网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。

其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。

尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。

目前已出现一种高精度模糊控制器，可以更好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。

所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应PID算法的温度控制仪表。

目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别.主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度低，自适应性较差。

这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的温控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定等。

2结构设计与方案选择

2.1基于51单片机的空调温度控制系统结

选用单片机89S51为中央处理器，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，再有单片机控制显示器，并比较采集温度与设定温度是否一致，然后驱动空调温度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。

 空调温度控制系统结构如图1所示。

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，用汇编语言完成软件编程。

通过分析控制器和执行器的关系，选用位置式PID控制作为控制系统的控制策略。

2.2方案选择

2.2.1温度传感部分的选择

要求温度和与温度有关的参数量进行检测，应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，目前通常成为热敏电阻，后者称为热电阻。

方案1：

采用热敏电阻，这种电阻是利用对温度敏感度半导体材料制成，其阻值随温度变化有明显的改变。

负温度系统热敏电阻器通常是由锰、钴的氧化物烧制而成，其特点是，在工作温度范围内电阻值随温度的升高而降低。

可满足40℃~90℃测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，不适于检测小于1℃的信号：

而且线性度很差，不能直接用于A/D转换，应用硬件或软件对其线性化补偿。

方案2：

采用温度传感器铂电阻Pt1000.铂电阻的物理化学性能在温度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℃时的电阻；t为任意温度，A、B为温度系数。

但成本不贵，不适用做普通设计。

方案3：

采用集成温度传感器，如常用的AD590和LM35。

AD590这种器件以电流作为输出量指示温度，其典型的电流温度灵敏度为1uA/K.它是二端器件，是用非常方便，作为一种高阻电流源，它不需要严格考虑传输线的电压信号损失和噪声干扰问题，因为特别适用作为远距离测试或控制。

另外，AD590也特别适用于多温度测量系统，而不必考虑开关或CMOS多路转换开关引起的附加电阻造成的误差。

由于采用一种独特的电路简单，便于设计。

方案选择：

选择方案3.理由：

电路简单稳定可靠、无须调试，与A/D连接方便。

2.2.2  A/D转换方案设计 

A/D转换器是一种将连续的模拟量转换为离散的数字量的一种电路或器件。

模拟信号转换为数字信号一般需要经过采样保持和量化编码两过程。

针对不同的采样对象，有不同的A/D转换（ADC）可供选择，其中有通用的也有专用的。

有些ADC还包含有其他功能，在选择ADC器件时需要考虑多种因素，除了关系参数、分辨率和转换速度以外，还应考虑其他因素，如静态与动态精度、数据接口类型、控制接口与定时、采样保持性能、基本要求、校准能力、通道数量、功耗、使用环境要求、封装形式以及软件有关的问题。

ADC按功能划分，可以分为直接转换和非直接转换两大类，其中非直接转换又有主次分级转换、积分式转换等类型 

A/D转换器在实际运用时，除了要设计适当的采集/保持电路、基准电路和多路模拟开关等电路外，还应根据实际选择的具体芯片进行输入模拟信号极性转换等设计。

方案1：

采用分级式转换器，这种转换采用两步或者多步进行分辨率的闪烁式转换，进而快速地完成“模拟-数字”信号的转换，同时可以实现较高的分辨率。

例如，在利用两步分级完成n位转换的过程中，首先完成m位的粗转换，然后使用精度至少为m位的A/D转换器（DAC）将此结转换达到1/2的精度并且与输入信号比较。

对此信号用一个k位转换器（K+M≥N）转换，最后将两个输出结果合并。

方案2：

采用积分分型A/D转换器，如ICL7135等。

双积分型A/D转换器转换精度高，但是转换速度不快，若用于温度测量，不能及时反映当前的温度值，而且多数双积分型A/D转换器其输出都不要二进制码，而是直接驱动数码管。

所以，若直接将其输出端接I/O接口会直接给软件设计带来极大的不方便。

方案3：

采用主次逼近式转换器，对于这种转换方式，通常是用一个比较器输入信号与作为基准的n位DAC输出进行比较，并执行n次1位转换。

这种方法类似于天平上用二进制砝码称量物质。

采用逐次逼近寄存器，输入信号仅与高位（MSB）比较，确定DAC的最高位（DAC满量程的一半）。

确定后结果（0或1）被锁存，同时加到DAC上，以决定DAC的输出（0或1/2）。

逐次逼近型A/D转换器，如ADC0809、AD574等，其特点是转换速度快，精度比较高，输出为二进制码，直接接I/O口，软件设计方便。

ADC0809芯片内包含8位A/D模拟转换器、8通道多路转换器与微控制器兼容的控制逻辑。

8通道多路转换器能直接接通8个单端输入信号中的任何一个。

由于ADC0809设计时考虑到若干A/D转换技术的优点，所以该芯片非常适合于过程控制、微控制器输入通道的结合口电路、智能仪器和机床控制等应用场合，并且价格低廉，降低设计成本。

方案选择：

选择方案3。

理由：

用ADC0809采样速度快，配合温度传感应用方便，价格低廉，降低成本。

2.2.3 数字显示 

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，通常在此共阴极接地。

当某个发光二级管的阳极为高电平时，放光二极管点亮，相应的段被显示。

同样，共阳极LED显示器的工作原理一样。

方案1：

采用静态显示方式。

在这种方式下，各位LED显示器的共阳极（或共阴极）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，静态显示器的亮度确定都较高。

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，因此在显示位较多的情况下，一般都不用静态显示。

方案2：

采用动态显示方式。

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有相应的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相同的，因此，同一时刻，如果各位选线都处于选通的状态的话，那LED显示器将显示相同的字符，若要各位LED都能显示出与本位相应的字符，那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过的状态，而其他各位的选通线处于关闭状态，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状况。

方案3：

采用移位寄存器扩展I/O口，只需要占用3个I/O口i，即数据（DATA）、时钟（CLOCK）、输出使能（OUTPUT ENABLE），从理论上讲就可以无限制地扩展I/O口，而且显示数据为静态显示，几乎不占用CPU资源。

采用扩展口后，又能采用静态显示，这样，既解决了静态显示占用I/O口多的问题，又解决了动态显示不稳定、容易闪烁、占用CPU资源过多的问题。

方案选择：

选择方案3。

理由：

非常节约I/O口，又有静态显示的特点，亮度高，节约CPU的使用率。

2.2.4 降温驱动控制电路的选择 

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（其实就是把双向可控硅和驱动电路做在一起的）价格昂贵。

若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，以及开关脉冲整个电路的影响等。

应该加入必要的防止干扰的措施。

方案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能力，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的功率。

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运用。

这种晶闸管与二极管不同的是，当其两端加入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，这是管压降很小（1V左右）。

这是即使控制电压消失，仍然保持导通状态，所以控制电压没必要一直存在，通常采用脉冲形式，以降低触发功耗。

它不具有自动关断能力，要切断负载电流，只有使阳极电流减小到维持电流一下，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。

方案2：

采用光耦合双向控制硅驱动电路，这种部件是一种单片机输出与双向可控硅之间较理想的借口器件，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级管，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导通。

光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，消除地点位不同所产生的影响。

另一方面，光耦合器的发光二极管是电源驱动器件，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。

方案选择：

选择方案2。

理由：

达到同样的加热效果，开关量控制容易，驱动简单，通讯系统抗干扰能力强。

3 硬件设计 

3.1温度采集电路 

温度采集系统主要由AD590、OP07、ICL8069组成，如图3所示。

选用温度传感器AD590，AD590具有较高精度和重复性（重复性优于0.1℃，其良好的非线性可以保证优于0.1℃的测量精度，利用重复性较高的特点，通过非线性补偿，可以达到0.1℃测量精度）。

超低温度漂移高精度运算放大器OP-07将“温度-电压”信号进行放大，便于A/D进行转换，以提高温度采集电路的可靠性。

集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。

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℃时输出为2.982V。

电流输出型的灵敏度一般为1uA/K。

这样便于A/D转换器采集数据。

A/D590L的主特性参数如下：

工作电压：

4~30V 工作温度：

-55~+150摄氏度 正向电压：

+44V 反向电压：

-20V 灵敏度：

1uA/K

3.2 A/D转换电路 

选用89S51作为中央处理器，A/D转换器选用ADC0809，其连接电路如图4所示。

用单片机控制ADC时，多数采用查询和中断控制两种方式。

查询法是在单片机把启动命令送到ADC之后，执行别的程序，同时对ADC状态进行查询，以检查ADC变换是否已经完成，如查询到变换已结束，则读入转换完毕的数据。

中断控制是在启动信号送到ADC之后，单片机执行别的程序。

当ADC转换结束并向单片机发出中断请求信号时，单片机响应中断请求，进入中断服务程序，读入转换数据，并进行必要的数据处理，然后返回到源程序。

这种方法单片机无需进行转换时间管理，CPU效率高，所以特别适合于变换时间较长的ADC。

本设计采用查询方式进行数据收集。

由于ADC0809片内无时钟，故利用8051提供的地址锁存使能信号ALE经D触发器二分频后获得时钟。

因为ALE信号的频率是单片机时钟频率的1/6，如果时钟频率为6MHz,则ALE信号的频率为1MHz,经二分频后为500kHz，ADC0809时钟频率的典型值吻合。

由于ADC0809具有三态输出锁存器，故其数据输出引脚可直接与单片机的数据总线直接相连。

地址码引脚ADDA~C分别与地址总线的低3位A0、A1、A2相连，以选通IN0~IN7中的一个通道。

采用单片机的P2.7（地址总线最高位A15）作为A/D的片选信号。

并将A/D的ALE和START脚连在一起，以实现在锁存通道地址的同时启用ADC0809转换。

启动信号由单片机的写信号WR和P2.7经或非门而产生。

在读取转换结果时，用单片机的读信号RD和P2.7经或非门加工得到的正脉冲作为OE信号去打开三态输出锁存器。

编写的软件按下列顺序动作，令P2.7=A15=0，并用A0，A1，A2的组合制定模拟通道的地址；执行一条输出指令，启动A/D转换；然后根据选用的查询、中断、等待延时三种方式之一的条件去执行一条输入指令，读取A/D转换结果。

转换结果。

3.3显示电路 

利用74LS47与单片机相连，如图5所示。

进行I/O口扩充，并通过74LS47与LED连接达到显示的目的。

74LS47是8位串入并出移位寄存器，当单片机串行口工作在方式0的发送状态时，串行数据由P3.0（RXD）送出，移位时钟由P3.1（PXD）送出。

在移位时钟的作用下，串行口发送缓冲器的数据一位一位地移入74LS47中，需要指出的是，由于74LS47无并行输出控制器，因而在串行输入过程中，其输出端的状态会不断的变化，故在某些应用场合，在74LS47的输出端应加接输出三态控制。

其传输方式采用