空调温度控制单元设计

空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 江苏广播电视大学五年制(高职) 毕业论文 设计课题:空调温度控制单元设计 学校:江苏广播电视大学常熟学院 年级:2006级 专业:应用电子技术 姓名: 学号: 指导教师: 职称:高级工程师 二零一零年十二月 1 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 目 录 前 言 ................................................................................................. 4 第一章 课题简介与设计 ................................................................ 5 第二章 硬件设计 ................................................................................... 6 2.1 温度采集电路 ............................................................................... 6 2.2温度传感部分设计 ........................................................................ 6 2.2.1温度传感AD590 ................................... 7 2.3 A/D转换电路 .............................................................................. 12 2.3.1 A/D转换的常用方式 .............................. 12 2.3.2 A/D转换器的主要技术指标 ........................ 13 2.3.3ADC0809的主要特性和内部结构 ..................... 14 2.3.4ADC0809管脚功能及定义 ........................... 16 2.3.5 ADC0809与8031接口电路 ......................... 17 2.4 数字显示电路 ............................................................................. 17 2.5 加热降温驱动控制电路 ............................................................. 19 2.6 键盘电路 ..................................................................................... 21 2.7 稳压电源电路设计 .................................................................... 22 2.8电源电路 ..................................................................................... 23 第三章 软件设计 ................................................................................. 25 3.1主程序流程图 ............................................................................. 25 3.2 A/D转换子程序 .......................................................................... 26 2 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 3.3显示子程序 ................................................................................. 27 3.4键盘扫描子程序 .......................................................................... 28 3.5温度采样 ..................................................................................... 30 3.6主程序清单 ................................................................................. 31 第四章 系统调试 ................................................................................. 38 4.1静态测试 ..................................................................................... 38 4.2通电测量 ..................................................................................... 38 4.3动态测试 ..................................................................................... 38 4.4联机统调 ..................................................................................... 38 设计结论 ............................................................................................... 39 设计体会 ............................................................................................... 40 主要参考文献 ....................................................................................... 41 3 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 前 言 当今社会，温度测量系统被广泛的应用于社会生产、生活的各个领域。在工业、环境检测、医疗、家庭等多方面均有应用。同事单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛。 在很多电子产品中将其用到温度检测和温度控制。目前温度测量系统种类繁多，功能参差不齐。有简单的应用于家庭的如空调、电饭煲、太阳能热水器、电冰箱等家用电器的温度进行检测和控制。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是生活、工业、农业等，对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同;产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。采用AT89S51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等有点。而且可以大幅度提高被控制温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。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有点，为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在日常生活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。因此，单片机对温度的控制问题是一个日常生活中的疆场会遇到的问题。 本文以上述问题为出发点，设计实现了温度实时测量、显示、控制系统。在编写过程中笔者参考了许多图书和资料，我写出了主要的参考书目，在此谨向参考文献的作者表示忠心的感谢 由于编者水平有限，书中尚有许多错误和不足之处望各位老师、同学批评指正，也希望得到老师的意见和建议。 编者:苏梦华 2010年12月 4 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 第一章 课题简介与方案设计 本课题设计一个空调机的温度控制单元。用单片机技术及相应仿真平台、进行开发，通过数据采集系统，对温度进行采集并作A/D转换，再传输给单片机。以空调机为执行器件，通过单片机程序来完成对室内温度的控制。 本设计是一个典型的智能电子系统设计。以AD590为采集器、89S51为处理器、空调机相应电路为执行器来完成设计任务提出的温度控制要求。该设计分总体方案设计、硬件设计、软件设计、系统仿真及调试几个部分。 选用89S51单片机为中央处理器，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，从而模拟实现温度控制单元的工作情况。 总体方案结构图1所示。 图1 空调温度控制单元结构图 实现方案的技术路线为:用按钮输入温度值，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软件对设计仿真，用汇编语言完成软件编程。 5 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 第二章 硬件设计 2.1 温度采集电路 选用温度传感器AD590，AD590具有较高的精度和重复性(重复优于0.1?，其良好的非线形性可以保证优于0.1?的测量精度，利用其重复性较好的特点，通过非飞线形补偿，可以达到0.1?测量精度)。超低温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。 温度采集系统主要由AD590、OP07、ICL8069组成，如图2所示。 图2 温度采集系统电路 2.2温度传感部分设计 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。 采用集成温度传感器，如常用的AD590和LM35。AD590是电流型温度传感器。 6 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 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是1,A/K。它是二端器件，使用非常方便，作为一种高阻电流源，它不需要严格考虑传输线上的电压信号损失和噪声干扰问题，因此特别适合作为远距离测量或控制用。 另外，AD590也特别适用于多点温度测量系统，而不必考虑选择开关或CMOS多路转换开关所引起的附加电阻造成的误差。由于采用了一种独特的电路结构，并利用最新的薄膜电阻激光微调技术校准，使得AD590具有很高的精度，并且应用电路简单稳定可靠，便于设计，无需调试，与A/D连接方便。 2.2.1温度传感AD590 温度是最普通最基本的物理量，用电测法测量温度时，首先要通过温度传感器将温度转换成电量，温度传感器有热膨胀式(双金属元件和水银柱开关)，温差电势效应电压式(热电偶)，电阻效应式电阻温度计(有铂、镍、及镍铁合金和热敏电阻)，半导体感受式(测温电阻、二极管和集成电路器件如AD590)。这里采用AD590作为温度传感器。 AD590是AD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器。 这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有清除电源波动的特性。即使电源在5V~15V之间变化，其电流只是在1uA以下作微小变化。 集成温度传感器实质上是一中半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测: 式中:K为波尔兹常数;q为电子电荷绝对值。 集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。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2.982V 。电流输出型的灵敏度一般为1uA/K。 7 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分档，AD590的后缀以I、J、K、L、M表示。AD590L、AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形图3所示。 图3 AD590外封装及电路符号 AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。 (1) AD590的主要特性 , 流过器件的电流(uA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数， 即: 式中:Ir-----流过器件(AD590)的电源，单位为uA;T-----热力学温度，单 位为K。 , AD590的测温范围为-55?~+150?。 , AD590的电源电压范围为4V~30V。电源电压可在4V~6V范围变化，电流Ir 变化1uA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向 电压，因而器件反接也不会被损坏。 , 输出电阻为710MΩ。 , 精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度高，在-55?,+150? 范围内，非线性误差为?0.3?。 8 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 (2) AD590的工作原理 在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5V,30V的直流电源相连，并在输出端串接一个1KΩ的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1Mv/K的电压信号。 它是利用PN结特性集成的传感器的感温部分核心电路。其中有两只三极管T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集成极电流11和12相等;另两只三极管T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。T3和T4的发射结电压URE3和URE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为?URE。因此，电流I1为: I1=(?URE/R)(?n)/R 对于AD590，n=8，这样，电路的总电流将与热力学温度成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与热力学温度T成正比的输出电压。由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。 (3) 基本应用电路 图4 AD590基本应用电路 9 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 图4是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。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R2的电阻之和为1KΩ时，输出电压Vo随温度的变化为1Mv/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。调整的方法为:把AD590放入冰水混合物中，调整电位器R2，使Vo=273.2mV。或在室温下(25?)条件下调整电位器，使Vo=273.2+25=298.2(mV)。但这样调整只可保证在0?或25?附近有较高精度。 (4) 摄氏温度测量电路 图5 用于测量摄氏温度的电路 如图5所示,电位器R用于调整零点,R用于调整运放LF355的增益.调整方法如下:在21 0?时调整R,使输出Vo=0,然后在100?时调整R使Vo=100mV。 21 如此反复调整多次，直至0?时，Vo=0Mv，100?时Vo=100mV为止。最后在室温下进行效验。例如，若室温为25?，那么Vo应为25mV。冰水混合物是0?环境，沸水为100?环境。 要使图5中的输出为200Mv/?，可通过增大反馈电阻(图中反馈电阻由R与电位器5 oR串联而成)来实现。另外，测量华氏温度(符号为F)时，则调整反馈电阻约为180KΩ ，1 使得温度为0?时，Vo=17.8Mv;温度为100?时，Vo=197.8mV。AD581是高精度集成稳压器，是如电压最大为40V，输出10V。 10 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 (5) 温差测量电路及其应用 2 图6 测量两点温度差的电路 图6是利用两个AD590测量两点温度差的电路。在反馈电阻为100KΩ的情况下，设1#和2#AD590处的温度分别为t1(?)和t2(?)，则输出电压为100(t1-t2)Mv/?。图中电位器R2用于调零。电位器R4用于调整运放LF355的增益。 由基尔霍夫电流定律:I+I2=I1+I3+I4 由运算放大器的特性知:I3=0 Vλ?0调节调零电位器R2使:I4=0 可得:I=I1-I2 设:R1=90KΩ 则有:Vo=I(R3+R4)=(I1-I2)(R3+R4)=(t1-t2)100Mv/? 其中，t1-t2为温度差，单位为?。改变(R3+R4)的值可以改变Vo的大小。 11 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 2.3 A/D转换电路 随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像等)，要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号;而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路--模数和数模转换器。 由信号处理电路输出的信号为模拟信号，而单片机只能处理数字量，所以必须首先将模拟量经过一定电路转换为数字信号，单片机才能处理，这种电路被称为A/D转换电路，是模拟系统与计算机之间的接口部件。 /数转化器是一种将连续的模拟量转化成离散的数字量的一种电路或器件。模拟信号模 转换为是数字信号一般需要经过采样保持和量化编码两个过程。 针对不同的采样对象，有不同的A/D转换器(ADC)可供选择，其中有通用的也有专用的。有些ADC还包含有其他的功能，在选择ADC器件时需要考虑多种因素，除了关键参数、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、封装形式以及与软件有关的问题。 ADC按功能划分，可以分为直接转换和非直接转换两大类，其中非直接转换其中非直接转换又有逐次分级转换、积分式转换等类型。 A/D转换器的功能是把模拟量变换成数字量。由于实现这种转换的工作原理和采用工艺技术不同，因此生产出种类繁多的A/D转换芯片。A/D转换器按分辨率分为4位、6位、8位、10位、14位、16位和bcd码的31/2位、51/2位等。按照转换速度可分为超高速(转换时间?330ns)，次超高速(330~3.3μs)，高速(转换时间3.3~333μs)，低速(转换时间,330μs)等。 A/D转换器按照转换原理可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器。所谓直接A/D转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。 2.3.1 A/D转换的常用方式 A/D转换的常用当时有:双积分式A/D转换、逐次逼近型A/D转换、计数型A/D转换等。双积分式A/D转换的工作原理是将对输入电压的测量，转换成对基准源积分时间的测量，再测量时间(脉冲宽度信号)或频率(冒充频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。这种方式的主要优点是分辨率高、精度高、抗干扰性好;主要缺点是转换速度慢。逐次逼近型A/D由一个比较器和A/D转换器通过逐次比较逻辑构成，顺序地增加内部D/A的输入值，并将其 12 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 输出点烟与A/D测量输入电压比较，当二者相等时，内部D/A的输入值就是A/D转换的结果。这种方式的主要优点是速度快、功耗低;主要缺点是抗干扰性差。 采用的是逐次逼近型A/D转换器，采样速度快，配合温度传感器应用方便。 2.3.2 A/D转换器的主要技术指标 A/D转换期的主要技术指标有:分辨率、精度、量程、转换时间等。分辨率反映转换器所能分辨的被测量的最小值。通常用输出二进制代码的位数来表示。8位A/D转换器的分辨率为8位。精度指的是转换的结果相对于实际的偏差，经独有两种表示方法:绝对精度和相对精度。绝对精度用最低位(LSB)的倍数来表示，如:1LSB;相对精度用绝对精度除以满量程值的百分数来表示，如:?0.05%。同样分辨率的转换器其精度可能不同。量程是指输入模拟电压的变化范围。如:某转换器具有10V的奠基性范围或,5,+5V的双极性范围，它们的量程都为10V。实际的A/D，D/A转换器的最大输入/输出值总是比满刻度值小。 A/D转换器的转换时间是指:从启动转换开始，直至取得稳定的数字量或模拟量所需的时间称为转换时间。转换时间与转换器原理及其位数有关。同种工作原理的转换器，通常位数越多，缓缓时间越长。 A/D转换器在实际应用时，除了要设计适当的采样/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。 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7所示。 图7 单片机与A/D转换连接电路 13 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 用单片机控制ADC时，多数采用查询和中断控制两种方法。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的状态进行查询，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，单片机响应此中断请求，进入中断服务程序，读入转换数据，并进行必要的数据处理，然后回到原程序。这种方法单片机无需进行转换时间管理，CPU效率高，所以特别适用于变换时间较长的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500MHz，与AD0809时钟频率的典型值吻合。 由于AD0809具有三态输出锁存妻，故其数据输出引脚可直接与单片机的数据总线相连。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动ADC0809转换。 启动信号由单片机的写信号和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的组合指定模拟通道的地址;执行一条输出指令，启动A/D转换;然后根据所选用的是查询、中断、等待延时三中方法之一的条件去执行一条输入指令，读取A/D转换结果。 ADC0809是一个8路8位逐次逼近的A/D转换器。AD0809的转换时间为100us。在CPU发出启动A/D命令后，便执行一个固定的延时时间应略大于A/D的转换时间;延时程序一结束，便执行数据读入指令，读取转换结果。我们只用了其一路AD转换，参考电压2.56V，即一位数字量对应10mV即1?。所以用起来很方便。 2.3.3ADC0809的主要特性和内部结构 本系统采用ADC0809大规模集成电路芯片，它是逐次逼近式A/D转换器，输出的数字信号有三态缓冲器，可以和单片机直接接口。ADC0809的主要技术指标为: 分辨率:8位; 单电源供电:+5V; 最大不可调误差小于?1LSB; 转换时间为l00μs(时钟频率为640KHz); 模拟输入范围:单极性0,5V; 不必进行零点和满刻度调整; 14 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 功耗为15Mw; ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个8位A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。其内部结构框图如图8所示。 图8 ADC0809转换器的内部结构框图 15 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 2.3.4ADC0809管脚功能及定义 ADC0809模数转换器的管脚定义图9所示。 图9 ADC0809管脚结构图 ?IN0,IN7:8通道模拟量输入。 ?ADDA、ADDS、ADDC: A、B、C为地址输入线，用于选通工IN0,IN7上的一路模拟量输入。通道选择表下所示。 ?ALE:地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A、B、C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中通道的模拟量进转换器进行转换。 ?D0-D7: 8位输出数据线(三态)，A/D转换结果由这8根线传送给单片机。 ?OE:允许输出信号。当OE=1时，输出转换得到的数据;当OE=0时，输出数据线呈高阻状态。 ?START:转换启动信号。START为正脉冲，其上跳沿所有内部寄存器清零;下跳沿时，开始进行A/D转换;在转换期间，START应保持低电平。 ?EOC:转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束;否则，表明正在进行A/D转换。 ?CLK:时钟输入信号。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，频率范围为10KHz,1.2MHz，典型值为640KHz。 16 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 通道的选择表 C B A 选择的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 2.3.5 ADC0809与8031接口电路 DAC0809有8个通道的模拟量输入，在程序控制下，可令任何通道进行A/D转换并可得到相应的8位二进制数字量。 2.4 数字显示电路 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，共阴极LED显示器的工作原理也一样。 4LS164与单片机连接，如图10所示。 采用7 17 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 图10 显示电路 进行I/O口扩充，并通过74LS164与LED连接达到显示的目的。74LS164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(TXD)送出。 在移位时钟作用下，串行口发送缓冲器的数据一位一位地移入74LS164中。需要指出的是，由于74LS164无并行输出控制端，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74LS164的输出端应加接输出三态控制。 其传输方式采用串行口方式0的数据传送，可采用中断方式，也可采用查询方式，无论哪种方式，都要借助于TI或RI标志。串行发送时，可以靠TI置位(发完一帧数据后)引起中断申请，在中断服务程序中发送下一帧数据。或者通过查询TI的状态，只要TI为0就继续查询，TI为1就结束查询，发送下一帧数据。 在串行接受时，则由RI引起中断或对RI查询来确定何时接收下一帧数据。无论采用什么方式，在开始通讯之前，都要先对控制寄存器SCON进行初始化。在方式0中，将00H送SCON就可以了。 18 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 显示采用3位共阳LED静态显示方式，显示内容有温度值的十位、个位及负位，这样可以只用P3.0(RXD)口来输出显示数据，从而节省了单片机端口资源，在P3.2(TXD)的控制下通过74LS164来实现3位静态显示。就是每一个显示器都占有单独的具有锁存功能的I/O借口用于笔划段字行代码。只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不管它了，直到要显示心的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销较小。 2.5 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(其实就是把双向可控硅和驱动电路做在一起的)价格十分昂贵。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，以及开关脉冲对整个电路的影响等。 光耦合双向可控硅驱动器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，输入部分为砷化镓发光二极管，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。连接电路如图11所示。 图11 加热降温驱动控制电路 输出部分为硅光敏双向可控硅，在红外光作用下可双向导通。该器件为六引脚双列直插式封装。 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种“电-光-电”转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发 19 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等。光电耦合器的种类较多，常用有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。 从发光二极管特性看出:发光强度与流过发光二极管中的电流大小有关，即可将输入回路中变化的电流信号转化为变化的信号，而发光三极管中集电极电流大小与注入的光强度有关，从而实现电—光—电的转换。 图 12 光耦结构及等效电路 光耦合器件具有如下特点: 输入回路与输出回路之间通过光完成耦合，彼此之间的绝缘电阻很大，并能承受200V以上高压。 由于刚耦合中的发光二极管以电流方式驱动，动态电阻很小，输入回路中的干扰均不会耦合到输出回路。 作为开关使用时，光耦器件具有寿命长，反应速率快的特点。 20 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电源，由受光器输出端引出，这样就实现了“电-光-电”的转换。在光电耦合器内部，由于发光管和受光管之间的耦合电容很小(2pF以内)，所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。 在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。 光电耦合器也可工作于开关状态，除数脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。 空调器通电后，制冷系统内制冷剂的低压蒸汽被压缩机吸入并压缩为高压蒸汽后排至冷凝器。同时轴流风扇吸入的室外空气流经冷凝器，带走制冷剂放出的热量，使高压制冷剂蒸汽凝结为高压液体。高压液体经过过滤器、节流机构后喷入蒸发器，并在相应的低压下蒸发，吸取周围的热量。同时贯流风扇使空气不断进入蒸发器的肋片间进行热交换，并将放热后变冷的空气送向室内。如此室内空气不断循环流动，达到降低温度的目的。 2.6 键盘电路 常用的键盘接口分为独立式按键接口和矩阵式键盘接口。 采用独立式按键设计每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。软件设计采用查询方式和外部中断相结合的方法来设计，低电平有效。按键直接与89S51的I/O口线相连接，通过读I/O口，判断各I/O口的电平状态，即可识别出按下的按键。 4个按键分别连接到P1.0、P1.1、P1.2和RST。对于这种键各程序可以采用中断查询的方法，功能就是:检测是否有键逼和，如有键逼和，则去除逼和，则去除键抖动，判断键号并转入相应的键处理。 其功能很简单，4个键定义如下。 P1.0:S1功能转换键，按此键则开始键盘控制。 P1.1:S2加，按此键则温度设定加1度。 P1.2:S3减，按此键则温度设定件1度。 RST:S4复位键，使系统复位。 21 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 图13 键盘电路 2.7 稳压电源电路设计 集成稳压电源设计的主要内容是根据性能指标，选择合适的电源变压器、集成稳压器、整流二极管及滤波电容。 在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率直流电源一般由交流电源、变压器、整流、滤波和稳压电路几部分组成。 在电路中，变压器将常规的交流电压(220V、380V)变换成所需要的交流电压;整流电路将交流电压变换成单方向脉动的直流电;滤波电路再将单方向脉动的直流电中所含的大部分交流成分滤掉，得到一个较平滑的直流电;稳压电路用来消除由于电网电压波动、负载改变对其产生的影响，从而使输出电压稳定。 常见集成稳压器有固定式三端稳压器与可调试三端稳压器。根据本设计对电压的要求，采用固定式三端稳压集成块。 22 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 用固定式三端集成稳压电路7805设计制作连续可调直流稳压的实际电路如图所示，图中R1取220Ω，R2取680Ω主要用来调整输出电压。输出电压Uo?Uxx(1+R2/R1)，该电路可在5,12V稳压范围内实现输出电压连续可调。 图14 由该电路实践证明:(1)R1为固定电阻值，改变电阻R2的阻值就可获得连续可调的输出电压，输出电压Uo近似值等于Uxx(1+R2/R1)。(2)最高输出电压受稳压器最大输入电压及最小输入输出压差的限制，该固定式三端集成稳压集成电路7805最大输入电压为35V，输入输出差要保持2V以上，因此该电路中由于稳压器的直流输入电压为+14V，所以该电路的输出最大值为+12V。(3)实验表明，在稳压器的稳压范围内，其稳压精度可达?0.03。 下图为?5V稳压电源电路，CW78××系列稳压器输出固定的正电压，如7805输出为+5V;CW79××系列稳压器输出固定的负电压，如7905输出-5V。输入端接电容C1可以进一步滤除波纹，输出端接电容C2能改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。 2.8电源电路 电源电路的功能和组成每个电子设备都有一个供给能量的电源电路。电源电路有整流电源、逆变电源和变频器三种。常见的家用电器中多数要用到直流电源。 直流电源的最简单的供电方法是用电池。但电池有成本高、体积大、需要不时更换(蓄电池则要经常充电)的缺点，因此最经济可靠而又方便的是使用整流电源。 电子电路中的电源一般是低压直流电，所以要想从220伏市电变换成直流电，应该先把220伏交流变成低压交流电，再用整流电路变成脉动的直流电，最后用滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分后才能得到直流电。 有的电子设备对电源的质量要求很高，所以有时还需要再增加一个稳压电路。因此整流 BRG1 电源的组成一般有四大部分。其中变压电路其实就是一个铁芯变压器，需要介绍的只是后面三种单元电路。 23 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 电源也不能小视，每一个系统的电源都不容马虎，电源虽然简单，但需要功能可靠，且每一个板子上都有CBB电容和高品质的ELNA电容做退耦，如图15所示。 图15 通过对电路的观察，发现设计所用电源都是直流电源+5V，所以采用三端集成稳压器LM7805，可以方便地实现此功能。如上图就是电路的设计图，先将220V/50Hz的交流电源电压通过变压器将其电压转换为12V，然后接入电桥进行整流，接着通过电容和LM7805组成的电路进行滤波，得到所要求的+5V电压。A/D转换的Vref电压，由LM317供给，为2.56V。 24 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 第三章 软件设计 3.1主程序流程图 本设计主程序流程如图16所示。 图16 主程序流程图 程序启动后，首先清理系统内存，然后对温度进行采集，并通过A/D转换后，传输到 单片机，再由单片机控制显示设备，显示现在的温度，然后系统进入待机扎，等待键盘输入 25 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 设定温度，然后系统将设定温度与现在温度进行比较，得出结果后，启动制冷系统或是加热系统。 3.2 A/D转换子程序 图17是A/D转换子程序流程图。89S51给出一个脉冲信号启动A/D转换后，ADC0809 对接受到的模拟信号进行转换，这个转换过程大约需要100us，系统采用的是固定延时程序，所以在预先设定的延时后，89S51直接从ADC0809中读取数据。 A/D转换子程序 A/D入口 启动A/D转换 查询EOC 读取转换数据 压缩BCD码 作未压缩处理 调整好的十位和个位 分别存入某地址单元 子程序结束 图17 26 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 3.3显示子程序 显示子程序入口 送设定值(70H)到A 到A 送采集值(71H) 带C标志移位 带C标志移位 送C到I/O口 送C到I/O口 否 否 (8次)字节送完, (8次)字节送完, 是 是 子程序结束 图18 27 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 当系统传送一个字节数给74LS164时，利用UART模式0。把DISPLAY_DATA中的初始数显示到LED1和LED2,十位数值显示到LED1,个位数值显示到LED2;当十位数值为0时LED1不显示。每个数值的显示时间又DISPLAY_TIME确定。程序流程图18所示。 3.4键盘扫描子程序 1.本设计采用独立式按键设计。单片机对它的控制采用程序扫描即中断查询方式，A口为地通口，B为显示口，C为查询输入口。 键盘扫描子程序功能如下。 (1)判断键盘上有无按键按下，方法为:每个按键各接一根输入线。一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入上的工作状态。软件设计采用查询方式和外部各中断结合的方法来设计，低电平有效。按键直接与AT89S51的I/O口线相连接。通过I/O口的电平状态，即可识别出按下的按键。4个按键分别接到P1.0、P1.1、P1.2和RET。 (2)去键的机械抖动影响:在判断有键按下后，软件延时一段时间<5ms送-10ms>后再判断键盘状态。如果仍为有键按下状态。则认为却是有键被按下T;否则，按照键抖动处理。 (3)判断闭合键的建号:对键盘的列线进行扫描，扫描口为PAO—PA7,一次输出扫描字为FEH,FDH,FBH,P8H,EFH,DFH,BFH,7FH。读出PC口的状态，若全为1则列线输出为0的这一列上没有键闭合，否则这一列有贱闭合。闭合键的键号等于处于低电平的列号加上低电的行的首建号。例如:PA口的输出为11111101，读出PC1—PC0为01. (4)CPU对键的一次闭合仅作一次处理，采用的方法是等待键释放后再将键号送入累加器A中键盘扫描子程序图19所示。 28 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 图19 29 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 3.5温度采样 采样子程序:流程图图20。 采样子程序流程图 图20 30 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 3.6主程序清单 空调温度控制单元设计程序清单 „„„„„„„„„„„„„„„主程序„„„„„„„„„„„„„„„„ ORG 0000H MOV P0,#0FFH ;初始化 MOV P1,#00H MOV P2,#01011000B MOV P3,#0FFH CLR P3.4 LCALL DATA0809 ;调用AD MOV 70H,#0FFH LCALL XS ;调用显示 LCALL YS700MS ;调用延时 MOV A,6CH MOV P1,6CH LCALL FY MOV P1,#09H LCALL FY MAIN00: SETB P3.1 ;停止预置数 DELAY43: MOV R6,#50 DELAY53: MOV R7,#100 DELAY63: JB P2.4,QIDONG DJNZ R7,DELAY63 DJNZ R6,DELAY53 DJNZ R5,DELAY43 LCALL DATA0809 LCALL XS AJMP MAIN ;等待键盘输入 LCALL YS10S ;调用延时 LJMP STOP MAIN: MOV R5,#50 LCALL KEYPROC TEMC: MOV P1,#00000001B ;温度控制请按1 LCALL KEYPROC ;调用键盘子程序 31 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 CLR P3.6 LCALL YS2MS CLR P3.7 LCALL YS20MS CLR P3.6 LCALL YS2MS CLR P3.7 LCALL YS20MS LCALL YY0 MOV R5,#50 SRWD: MOV R4,#03H SRWD1: MOV P1,#00000011B ;请输入温度值 LCALL KEYPROC ;调用键盘子程序 CLR P3.6 LCALL YS2MS CLR P3.7 MOV R5,#53 DELAY18: MOV R6,#50 DELAY28: MOV R7,#200 DELAY38: JB P2.3,HERE22 DJNZ R7,DELAY38 DJNZ R6,DELAY28 DJNZ R5,DELAY18 SETB P3.7 SETB P3.6 LCALL YS20MS LCALL DATA8870 DELAY40: MOV R6,#50 DELAY50: MOV R7,#200 DELAY60: JB P2.3,HERE25 DJNZ R7,DELAY60 DJNZ R6,DELAY50 DJNZ R5,DELAY40 DJNZ R4,TEML1 LJMP STOP 32 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 HERE17: JNB P2.3,HERE17 HERE25: LCALL YS2MS MOV A,P3 ANL A,#0FH HERE26: JB P2.3, HERE26 CJNE A,#01H,BJ1 LCALL TEM AJMP TEMC BJ1: CJNE A,#02H,STOP AJMP SRWD STOP: MOV P1,#00000010B ;按2键确定 LCALL KEYPROC ;调用键盘子程序 CLR P2.7 LCALL YS20MS SETB P2.7 AJMP QUDONG QUDONG: LCALL DATA0809 ;调用AD LCALL XS ;调用显示 MOV A,70H CJNE A,#0FFH,AAA1 LJMP MAIN AAA1: CJNE A,71H,HERE7 ;比较两数大小不相等则跳 CLR P1.6 ;清零两口 CLR P1.7 AJMP DD1 ;实时检测 HERE7: JNC JIARE JC JIANGWEN JIARE: SETB P1.7 CLR P1.6 AJMP DD1 JIANGWEN: SETB P1.6 CLR P1.7 AJMP DD1 LCALL DATA0809 ;调用AD MOV 70H,#0FFH 33 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 LCALL XS ;调用显示 LCALL YS700MS ;调用延时 DD1: MOV R5,#50 DL11: MOV R6,#50 DL21: MOV R7,#100 DL31: JB P2.4,HERE8 DJNZ R7,DL31 DJNZ R6,DL21 DJNZ R5,DL11 AJMP QUDONG HERE8: JB P2.4,AA1 AJMP DL3 AA1: LCALL YS700MS JB P2.4,AA2 AJMP DL3 AA2: LJMP MAIN HERE9: LCALL YS10S ;调用延时 DATA8870: MOV R5,#100 DELAY19: MOV R6,#50 DELAY29: MOV R7,#200 DELAY39: JB P2.3,WAIT1 DJNZ R7,DELAY39 DJNZ R6,DELAY29 DJNZ R5,DELAY19 DJNZ R4,SRWD3 LJMP STAET ;重新复位起动 „„„„„„„„„„„„„„显示子程序„„„„„„„„„„„„„„ XS: MOV R0,#08H START: CLR P2.0 CLR P2.1 CLR P2.2 MOV A,70H LCALL YW MOV A,71H LCALL YW 34 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 SETB P2.2 LCALL YS1MS RET YW: RLC A ;移位送数 MOV P2.1, C CLR P2.0 SETB P2.0 DJNZ R0,YW MOV R0,#08H RET YY0: MOV R5,#74 DELAY15: MOV R6,#50 DELAY25: MOV R7,#200 DELAY35: JB P2.3,HERE10 DJNZ R7,DELAY35 DJNZ R6,DELAY25 DJNZ R5,DELAY15 SETB P3.7 SETB P3.6 LCALL YS20MS RET „„„„„„„„„„„„„延时子程序„„„„„„„„„„„„„„„ YS2MS: MOV R6,#20H L11: MOV R7,#20H L22: DJNZ R7,L22 DJNZ R6,L11 RET YS700MS: MOV R5,#8 DL1: MOV R6,#210 DL2: MOV R7,#200 DL3: DJNZ R7,DL3 DJNZ R6,DL2 DJNZ R5,DL1 RET YS20MS: MOV R6,#50 35 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 YDL1: MOV R7,#200 YDL2: DJNZ R7,YDL2 DJNZ R6,YDL1 RET YS10S: MOV R5,#100 DELAY12: MOV R6,#140 DELAY22: MOV R7,#200 DELAY32: DJNZ R7,DELAY32 DJNZ R6,DELAY22 DJNZ R5,DELAY12 RET „„„„„„„„„„„„„„„A/D转换„„„„„„„„„„„„„„ DATA0809: SETB P2.6 NOP NOP SETB P2.5 ;启动AD NOP NOP CLR P2.5 HERE1: JB P2.6,HERE1 ;低电平检测 HERE2: JNB P2.6,HERE2 LCALL YS1MS ;数据调整 MOV A,P0 ANL A,#01111111B MOV B,#100 DIV AB MOV A,B MOV B,#10 DIV AB MOV 6CH,A SWAP A MOV 6BH,B ORL A,6BH MOV 71H,A RET 36 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 „„„„„„„„„„„„„„„键盘子程序„„„„„„„„„„„„„„ KEYPROC: MOV A,B ; 从B寄存器中获取键值 JB ACC.2,KeyStart ;分析键的代码，某位被按下，则该位为1(因为在键盘 程序中已取反) JB ACC.3,KeyOver JB ACC.4,KeyUp JB ACC.5,KeyDown AJMP KEY_RET KeyStart: SETB StartEnd ;第一个键按下后的处理 AJMP KEY_RET KeyOver: CLR StartEnd ;第二个键按下后的处理 AJMP KEY_RET KeyUp: SETB UpDown ;第三个键按下后的处理 AJMP KEY_RET KeyDown: CLR UpDown ;第四个键按下后的处理 KEY_RET: RET KEY: CLR F0 ;清F0，表示无键按下。 ORL P3,#00111100B ;将P3口的接有键的四位置1 MOV A,P3 ;取P3的值 ORL A,#11000011B ;将其余4位置1 CPL A ;取反 JZ K_RET ;如果为0则一定无键按下 ACALL DELAY ;否则延时去键抖 ORL P3,#00111100B MOV A,P3 ORL A,#11000011B CPL A JZ K_RET MOV B,A ;确实有键按下将键值存入B中 SETB F0 ;设置有键按下的标志 K_RET: ORL P3,#00111100B ;此处循环等待键的释放 MOV A,P3 ORL A,#11000011B CPL A JZ K_RET1 37 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 AJMP K_RET K_RET1: RET 第四章 系统调试 本设计仿真采用ISIS软件，调试时分静态测试、通电测量、动态测试和联机统调。 4.1静态测试 不通电源，不插器件，用万能表×100Ω档按图纸的接线点，看两点间的连线是否接通不好，如果有电阻存在或者不通，要纠其原因，需将测试笔分别与两器件的插脚孔相接触，万能表指针应回零。其中一测试笔不动，另一测试笔分别与最近的两插脚孔接触一下，其阻值应无穷大，证明此线安装不误。再依次测量其他各连线。最后再测量电源正、负极入口处电阻，应有一定阻值，说明电路安装有短路现象出现，决不能在此情况下通电。 4.2通电测量 仍不插器件，用万能表×10V档，黑表笔字公共地端保持不动，红表笔分别测各器件插座的插脚孔端，只有与电源端相连或有关分压端的引脚才有电压，其他引脚都不应该有电压。此检查至关重要。电位器上的分压电源看是否可调，初步调整到所的电压数值。 4.3动态测试 把所有器件插好通电，观察几秒，看电阻是否有发黑或冒烟的现象，用手触摸一下集成器件，看是否有过热发烫，如果没有异常现象，立刻断电，重新再查原因。用标准温度计进行实测，观察其误差。 4.4联机统调 将程序写如89S51的ROM，通电调试。由于空调机连接不方便，调试时用键盘输入目标温度值，仅仅检验驱动电路输出信号是否正确。 38 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 设计结论 此次毕业设计是我们从大学生涯中走出的重要一步。从最初的选题，开始画图、制作知道完成设计。齐肩，查阅资料，老师指导，与同学交流，反复修改，反复调试、实验，最终调试成功，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。比如学会了查阅相关资料，相关标准，分析数据，同事也提高了自己的画图能力。 通过这次实践我了解了空调温度控制的用途及工作原理，熟悉了温度控制的设计步骤。重新认识了单片机的汇编语言编程方式，同事锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力，更加坚固了自己学习的信心，基于软件编程的系统化，完整化，实际化设计有了进一步接触。完善了自己前期理论学习的同事加强了自己的动手实践能力。 但通过此次毕业设计也暴露了自己专业基础知识的很多不足之处，比如缺乏综合应用知识的能力，对的不了解等。这次事件是对我五年大学学习的一次大检阅，使自己明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业，但自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中不断的学习，提升自己。 39 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 设计体会 经过这段时间对空调温度控制单元的设计，让我了解了设计电路的程序，了解到了空调温度控制单元设计设计的原理和理念。比起前次的一知半解，这次我们去找了相关的书籍，从而找出重点，应用到我们的设计之中，使之更完善。 但是，我们还是发现了一些欠缺的地方，自己相关知识的欠缺和拿到资料时的无从着手，内容的重复，有用无用，让人头疼。不过经过老师的细心提示后，我发现了一些内容是可以加以设计的，取其精华，让自己的设计更丰富、完善。 正因为这次的设计，让我看到了自身知识的缺乏，以后要多看看有关的专业书，了解更多的相关专业知识。实际生活中的相关操作是有必要的，能否创造些机会也是必不可少的。 总而言之，这次的设计还是比较顺利的，让我发现自己的短处，改善自己的不足，让我在以后的设计中不会盲目乱转，为以后的设计打下结实的基础，作一个良好的开端。 总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了(感觉真好)，有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论:知识必须通过应用才能实现其价值～有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。 在此要感谢老师给我这样的机会锻炼。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。 40 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 主要参考文献 [1]刘志刚.电力电子技术[M].清华大学出版社,2005 [2]刘大茂.单片机应用系统监控主程序的设计方法[J].上海人民出版社,2000 [3]樊贵卿.串行实时时钟芯片DS1302程序设计中的问题与对策[M].中国水利出版社， 2001 [4]张友德.单片机原理应用及实验[M].复旦大学出版社,2002 [5]阎石主.数字电子基础[M].机械工业出版社,2003 [6]李正军.计算机测控系统的设计与应用[J].中国电力出版社,2007 [7]田效伍.电气控制与PLC应用技术[M].机械工业出版社,2003 曹宁主.电工电子基础[M].中国水力出版社,2005 [8] 41 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 42 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 单片机与A/D转换连接电路 加热降温驱动控制电路 43 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 键盘电路 44 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 显示电路 45 空 调 温 度 控 制 单 元 设 计 温度采样系统电路 46