空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計

-.z1、設(shè)計任務(wù)描述1.1設(shè)計主要內(nèi)容及要求：設(shè)計一個空調(diào)控制器。能利用單片機(jī)等原理部件模擬溫度的調(diào)控和顯示等功能，空調(diào)器是能控制風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)同時工作產(chǎn)生調(diào)節(jié)溫度的原理。硬件要求能有電路原理圖及各部件完整的實物分析等，要對空調(diào)機(jī)有完整的了解。才能到達(dá)此次設(shè)計任務(wù)的效果。要求：1〕硬件電路設(shè)計，包括原理圖和PCB板圖。2〕控制器軟件設(shè)計。3〕要求能夠設(shè)定溫度、測量溫度、顯示溫度、制冷控制以及風(fēng)機(jī)控制。2、設(shè)計思路2.1系統(tǒng)總體構(gòu)造的設(shè)計可以說空調(diào)控制器是圍繞著一個核心部件來架設(shè)外圍部件的設(shè)備，在這里核心部件是大多數(shù)廠家都會選用的單片機(jī)，因為現(xiàn)在的單片機(jī)擁有很高的集成設(shè)備，包含了大量的存儲器和虛擬存儲等，而且鍵盤輸入及顯示都是在內(nèi)部集成的省卻了擴(kuò)展外圍設(shè)備的麻煩，這樣更能有利于我們著手于功能設(shè)置。系統(tǒng)的設(shè)計出空調(diào)器的原理和本卷須知，能方便的使用空調(diào)器來完成我們所想到達(dá)的目的，對于一般的空調(diào)器來說能自動的調(diào)節(jié)溫度的變化*圍，可以說這是一種恒溫的效果，但是畢竟我們模擬的設(shè)備部能像真實的一樣細(xì)致。所以我采用燈和電機(jī)等代替采集和設(shè)定的比較結(jié)果，能很好的顯示和明顯的完成任務(wù)。2.2環(huán)節(jié)設(shè)計、部件選擇及參數(shù)計算無疑對于空調(diào)器的設(shè)計來說，要能人工智能的操作其能控制溫度的調(diào)節(jié)和設(shè)定溫度的比較是一個較大的難題，因為往往我們所用的都是十進(jìn)制數(shù)即所說的阿拉伯?dāng)?shù)字，但是像單片機(jī)這種高級的工具設(shè)備是不能識別的，它只能識別機(jī)器碼也就是術(shù)語說的機(jī)器語言，這就為我們采集溫度帶來了一個很大的難題。對于我所采集的溫度值來講，把每個溫度值分為16等份，在每一等份之間我人為的規(guī)定每跳變一個數(shù)字度即比較一次，當(dāng)然采集的都是模擬信號這樣的話單片機(jī)是不能用于比較的，所以接入單片機(jī)之前用A/D轉(zhuǎn)換器把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這樣通過單片機(jī)本身的比較器就能計算出設(shè)定值和采集值的判定工作模式和是否應(yīng)該工作電機(jī)和風(fēng)機(jī)及壓縮機(jī)等外部設(shè)備。主要的步驟包括轉(zhuǎn)換十進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)，這其中有一種方法叫按位加權(quán)累加和法，即當(dāng)你把十進(jìn)制數(shù)分別存儲在兩個存儲單元中，即按十位和個位的排法，把個位的數(shù)值乘以16的零次方，并且存儲在原位，這時可以用另一個單元的數(shù)乘以16的一次方這樣循環(huán)使用把兩者的數(shù)值相加，即能完成一個數(shù)的十進(jìn)制和十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)化。這樣當(dāng)你的鍵盤有輸入值的時候，每一個鍵值會自動轉(zhuǎn)化為每個存儲單元供顯示作用。2.3各局部部件選擇溫度采集電路中所選用的傳感器是熱電偶，因為它測量精度高，而且輸出的是電壓信號，與攝氏溫度成正比，同時又能夠直接與單片機(jī)的A/D直接相連，使用方便，便于處理。溫度的采集是通過熱電偶的溫度采集電路，將溫度轉(zhuǎn)化成模擬電壓進(jìn)展輸出，作為輸入信號送給單片機(jī)，單片機(jī)的A/D最高輸入電壓為，對應(yīng)于十二位A/D轉(zhuǎn)換器的最大值FFFH,根據(jù)其對應(yīng)關(guān)系得到A/D轉(zhuǎn)換后的值，存入固定的存儲單元中準(zhǔn)備與溫度設(shè)定值進(jìn)展比較。在比較之前需要按照一定的比例值進(jìn)展轉(zhuǎn)換，這個比例值近似的取為16倍，得到一個新的十六進(jìn)制數(shù)，由于選用的傳感器每攝氏度對應(yīng)0.01V，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到每攝氏度對應(yīng)08H,再通過判斷查表即可得到溫度的十六進(jìn)制數(shù)，再存到相應(yīng)的單元中與設(shè)定值進(jìn)展比較。當(dāng)溫度高于設(shè)定值時進(jìn)展制冷，溫度低于設(shè)定值時加熱，只有溫度處于人體適宜溫度提示燈才不會亮。溫度設(shè)定是通過鍵盤輸入來完成的，再通過查表得到可以進(jìn)展比較的數(shù)，存入相應(yīng)的存儲單元，進(jìn)展顯示。2.4總體功能解析它主要完成的功能就是可以設(shè)定溫度，實時采集溫度并在LED上顯示設(shè)定溫度和當(dāng)前溫度。我設(shè)計的空調(diào)控制器硬件局部主要有溫度采集傳感器應(yīng)用電路、制冷電路、加熱電路、指示燈電路、C8051F020單片機(jī)，以及單片機(jī)的復(fù)位和晶振電路。3、設(shè)計方框圖圖3-1空調(diào)控制器框圖圖3-2空調(diào)控制器程序流程圖4、各局部硬件電路設(shè)計及參數(shù)計算4.1電源電路設(shè)計圖4-1電源電路單片機(jī)所采用的電源是3.3V，還有復(fù)位電路和其他電路也需要直流電源，而家用電是交流220V，所以需要進(jìn)展整流、濾波。需要將輸入為5V～9V的電壓值穩(wěn)壓到3.3V需要使用兩塊LM7805和1117穩(wěn)壓芯片。其中LM7805的作用是將輸入為5V～9V的電壓穩(wěn)壓為5V，滿足1117穩(wěn)壓芯片的工作電壓(5V),經(jīng)過1117穩(wěn)壓芯片后其輸出的電壓為所需的3.3V電壓。LM7805系列為3端正穩(wěn)壓電路,TO-220封裝，能提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用*圍廣。內(nèi)含過流、過熱和過載保護(hù)電路。帶散熱片時，輸出電流可達(dá)1A。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。主要特點：〔1〕輸出電流可達(dá)1A〔2〕輸出電壓有：5V〔3〕過熱保護(hù)〔4〕短路保護(hù)〔5〕輸出晶體管SOA保護(hù)4.2單片機(jī)電路單片機(jī)正常工作時，除了要加恒壓電源外，還需要設(shè)計復(fù)位電路和晶振電路，我所設(shè)計的復(fù)位電路既可以上電復(fù)位，又可以在單片機(jī)非正常工作時進(jìn)展手動復(fù)位，晶振采用的是12MHZ外部晶振。通電時，電容進(jìn)展充電，電路導(dǎo)通，充電完畢后，復(fù)位完畢，充電時間決定復(fù)位時間。工作過程中，當(dāng)按下復(fù)位鍵后，電路導(dǎo)通，按鍵時間決定了復(fù)位時間。電路中電容的作用是抑制干擾從復(fù)位端進(jìn)入。器件內(nèi)還集成了外部振蕩器驅(qū)動電路，允許使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC或外部時鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。復(fù)位電路和晶振電路圖如下所示：圖4-2單片機(jī)復(fù)位及晶振電路4.3鍵盤和顯示電路PB和PC口是8255兩個八位帶鎖存的輸入口，可實現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)鎖存。PB口的端口地址為8001H，PC口的端口地址為8002H。PA口未用。用PB口作六個數(shù)碼管的位選。用8708作顯示器的位選驅(qū)動。PC口作字型碼鎖存。8255控制字的端口地址是8003H。8078作數(shù)碼管字型顯示驅(qū)動。六位數(shù)碼管采用共陰極方式。鍵盤及顯示電路如以下圖所示：圖4-3鍵盤輸入電路圖4-4輸出顯示電路8255擴(kuò)展接口是由高八位地址(A8～A15)通過74LS138譯碼產(chǎn)生的。PA,PB,PC口和8255控制口的地址分別是8000H,8001H,8002H和8003H,它們由低位地址A0和A1區(qū)別。低位地址A0和A1從低位地址鎖存器74LS138的輸出端引出。4.4溫度傳感器的選擇本系統(tǒng)采用鎳鉻-鎳硅熱電偶作為溫度傳感器，由熱電偶的特性可知，進(jìn)入放大器的電壓信號實為熱電偶冷熱端溫差引起的熱電勢信號，冷端處于設(shè)定溫度，熱端處于外界室溫，單片機(jī)的A/D通道可以直接采集熱電偶信號，經(jīng)冷端溫度補償后，在查K分度表則可以得到熱端溫度值，室溫的測量可以經(jīng)過熱電阻式傳感器變化為電壓信號，經(jīng)放大后直接送給單片機(jī)的A/D通道，單片機(jī)程序自動完成熱電偶信號的采集和冷端信號采集，計算出實際的溫度，從而控制控制空調(diào)的外部設(shè)備工作。圖4-5傳感器采集電路4.5外圍部件的選擇在單片機(jī)的程序中需要設(shè)定適宜溫度的*圍，當(dāng)從傳感器承受的溫度電壓信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，室內(nèi)溫度高于或者低于設(shè)定的*圍，則指示燈亮，通過編寫單片機(jī)的I/O輸出來控制指示信號的發(fā)出。當(dāng)采集溫度高于設(shè)定溫度時，需進(jìn)展制冷，通過程序的設(shè)計啟動風(fēng)機(jī)；當(dāng)采集溫度低于設(shè)定溫度需利用電機(jī)進(jìn)展加熱。圖4-6外部工作燈電路由于二極管所能承受的最大電流為,而電源電壓為5V，所以應(yīng)串接一個電阻，其阻值最小為：5、主要元器件介紹5.1熱電偶傳感器鎳鉻溫度傳感器是一種電壓輸出型精細(xì)溫度傳感器。它工作類似于齊納二極管，其反向擊穿電壓隨絕緣溫度以的比例變化。該器件在工作電流為*圍內(nèi)的動態(tài)電阻小于，當(dāng)對它在校準(zhǔn)后，它在*圍內(nèi)具有小于的典型誤差。熱電偶可應(yīng)用于*圍在內(nèi)的任何形式的溫度檢測，它的低阻抗和線性輸出使得其讀出和控制接口電路非常簡單。熱電偶測溫*圍分別為。其短時間使用測溫上限可擴(kuò)寬至。主要特點：(1)在絕對溫度下直接校準(zhǔn)。(2)1℃的初始精度。(3)工作于400uA~5mA電流*圍。(4)低于1Ω的動態(tài)阻抗。(5)容易校準(zhǔn)。(6)-40℃~+100℃寬工作溫度*圍。5.28255擴(kuò)展芯片8255是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，有3個8位并行I/O口。具有3個通道3種工作方式的可編程并行接口芯片〔40引腳〕。其各口功能可由軟件選擇，使用靈活，通用性強(qiáng)。8255可作為單片機(jī)與多種外設(shè)連接時的中間接口電路。8255作為主機(jī)與外設(shè)的連接芯片，必須提供與主機(jī)相連的3個總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時必須具有與外設(shè)連接的接口A、B、C口。由于8255可編程,所以必須具有邏輯控制局部，因而8255內(nèi)部構(gòu)造分為3個局部：與CPU連接局部、與外設(shè)連接局部、控制局部。主要特點：8255管腳特性如下：(1)一個并行輸入/輸出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作為CPU總線與外圍的接口。(2)具有24個可編程設(shè)置的I/O口,即3組8位的I/O口為PA口,PB口和PC口.它們又可分為兩組12位的I/O口,A組包括A口及C口(高4位,PC4~PC7),B組包括B口及C口(低4位,PC0~PC3).A組可設(shè)置為根本的I/O口,閃控(STROBE)的I/O閃控式,雙向I/O3種模式;B組只能設(shè)置為根本I/O或閃控式I/O兩種模式,而這些操作模式完全由控制存放器的控制字決定。引腳功能：(1)RESET:復(fù)位輸入線，當(dāng)該輸入端處于高電平時，所有內(nèi)部存放器〔包括控制存放器〕均被去除，所有I/O口均被置成輸入方式。(2)CS:芯片選擇信號線，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時,即/CS=0時,表示芯片被選中，允許8255與CPU進(jìn)展通訊;/CS=1時,8255無法與CPU做數(shù)據(jù)傳輸.(3)RD:讀信號線，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時,即/RD=0且/CS=0時,允許8255通過數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)。(4)WR:寫入信號，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時,即/WR=0且/CS=0時,允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫入8255。(5)D0～D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255與CPU數(shù)據(jù)傳送的通道，當(dāng)CPU執(zhí)行輸入輸出指令時，通過它實現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送。(6)PA0～PA7:端口A輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，一個8位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器。(7)PB0～PB7:端口B輸入輸出線，一個8位的I/O鎖存器，一個8位的輸入輸出緩沖器。(8)PC0～PC7:端口C輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，一個8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。端口C可以通過工作方式設(shè)定而分成2個4位的端口，每個4位的端口包含一個4位的鎖存器，分別與端口A和端口B配合使用，可作為控制信號輸出或狀態(tài)信號輸入端口。(9)A0,A1:地址選擇線,用來選擇8255的PA口,PB口,PC口和控制存放器。當(dāng)A0=0,A1=0時,PA口被選擇;當(dāng)A0=0,A1=1時,PB口被選擇;當(dāng)A0=1,A1=0時,PC口被選擇;當(dāng)A0=1.A1=1時,控制存放器被選擇。5.3C8051F020系列單片機(jī)本系統(tǒng)的核心控制部件采用SiliconLaboratories公司生產(chǎn)的C8051F020單片機(jī)作為控制器。C8051F系列單片機(jī)是集成的混合信號片上系統(tǒng)(SOC)，具有與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。C8051F系列單片機(jī)的功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART、SPI、可編程計數(shù)器/定時器陣列(PCA)、定時器、數(shù)字I/O端口、電源監(jiān)視器、看門狗定時器WDT和時鐘振蕩器等。C8051F020單片機(jī)是C8051F系列中一個比較有代表性的型號，該器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級SCM芯片，具有64個數(shù)字I/O引腳。主要性能：(1)高速、流水線構(gòu)造的8051兼容的MCS-51內(nèi)核(可達(dá)25MIPS)。(2)全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))。(3)真正12位、100ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)。(4)真正8位、500ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)。(5)兩個12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式。(6)64KB可在系統(tǒng)編程的Flash存儲器。(7)4352(4096+256)B的片內(nèi)RAM。(8)可尋址64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口。(9)硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和兩個UART串行接口。(10)5個通用的16位定時器。(11)具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)/定時器陣列。C8051F系列單片機(jī)都可工作在工業(yè)溫度*圍(-45~+85)內(nèi)用2.7~3.6V的電壓工作。端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號電壓。C8051F020為100引腳TQFP封裝。6、軟件介紹6.1主程序MAIN:MOV WDT,*0DEH ;制止看門狗定時器MOV WDT,*0ADHMOV*BR2,*40H;使能穿插開關(guān)LCALL SYSCLK_Init ;初始化系統(tǒng)時鐘LCALL PORT_Init ;穿插開關(guān)和通用I/O口初始化LCALLData_init;數(shù)據(jù)初始化LCALLINT8255 ;8255初始化MOVEIE2,*10H;使能A/D中斷 MOVP3IF,*00HMOVAM*0CF,*00H;A/D初始化MOVAM*0SL,*00H MOVREF0,*03H MOVADC0CF,*58H MOVADC0,*0C0HSETBEA ORLADC0,*10H ;啟動A/D轉(zhuǎn)換主程序中首先要進(jìn)展的是將看門狗定時器關(guān)掉，否則會影響程序的正常執(zhí)行。因為本程序中要用到A/D，所以要進(jìn)展中斷就必須在主程序中將A/D中斷使能，程序中要用到I/O口，所以需對穿插開關(guān)和I/O口進(jìn)展初始化，I/O口輸出方式設(shè)置為推挽。又調(diào)用了數(shù)據(jù)初始化，子程序中對各個存儲單元和循環(huán)變量也進(jìn)展了初始化。單片機(jī)的工作需要一個準(zhǔn)確的時鐘基準(zhǔn)，通過調(diào)用系統(tǒng)時鐘的子程序來對系統(tǒng)時鐘進(jìn)展初始化，初始化為使用11.0592MHZ晶體作為時鐘源，也同樣是調(diào)用子程序來實現(xiàn)，然后開啟A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)展工作。6.2鍵盤及顯示程序wait:movDPTR,*8001H//PB端口地址，位碼// mova,*00H mov*DPTR,a movDPTR,*8000H//PA端口地址，輸入// mov*a,DPTR movR2,a cjneR2,*0ffH,lop4ajmplop5lop4:lcallKeypad lop5:nop ret//鍵盤輸入程序//Keypad:cpla anla,*0fH mov70H,ascan:movDPTR,*8001H//掃描位碼// mova,67H mov*DPTR,a movDPTR,*8000H mov*a,DPTR anla,*0fH cjnea,*0fH,pp mova,67H rla mov67H,a ajmpscanpp:mova,67H//確認(rèn)是否有鍵按下// mov67H,*0feH anla,*0fH cpla anla,*0fH mov69H,a lcalltranslate mova,68H movR0,a incR0cjneR0,*73H,lop6 movR0,*71Hlop6:nop ret//數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序//translate:lcallDelay2lcallDelay2movDPTR,*TABAmova,69Hmovca,a+DPTR mov69H,a movDPTR,*TABB mova,70H movca,a+DPTR clrc adda,69H clrc mov68H,a mov6AH,a leave:movDPTR,*TABC mova,68H movca,a+DPTR mov68H,a movDPTR,*TABD mova,6AH movca,a+DPTR mov6AH,a incR6 mova,R6 cjnea,*02H,lll movR6,*00H anl6BH,*0F0Hmova,6BH orla,6AHmov6BH,a ajmpmmm lll:mova,6AH swapa anl6BH,*0fH orla,6BH mov6BH,a mmm:nop ret//顯示程序//Show:lcallwait movDPTR,*8001H mova,R3//掃描鍵盤行首地址// mov*DPTR,a movDPTR,*8002H mova,R1 mov*DPTR,a lcallDelay1 mova,R3 rla movR3,acjneR3,*40H,lop1 movR3,*01Hlop1:incR1cjneR1,*77H,Show movR1,*71HMOVEIE2,*12H retSC:mova,31Hmovr4,*1CHmovr5,*01Hne*t:clrc mov7FH,r4cjnea,7FH,yyyajmpNyyy:jcNmov31H,amova,r4adda,*10Hmovr4,amova,31Hincr5cjner5,*0FH,goonajmpNgoon:ajmpne*tN:movdptr,*TABE//查表顯示//mova,r5movca,a+DPTRmov6CH,aswapamov6DH,aanla,*0FHmovDPTR,*TABCmovca,a+dptrmov75H,amova,6CHanla,*0FHmovdptr,*TABCmovca,a+dptrmov76H,aret此局部程序雖然看起來挺復(fù)雜，其實原理很簡單。要想使溫度顯示在LED上，將LED初始化后，首先需要將溫度分別存入不同的單元里。我在這局部的設(shè)計思路是在LED顯示當(dāng)前的溫度和設(shè)定溫度，通過設(shè)一個循環(huán)變量使第一次只顯示6個字符，而LED能利用的是ASCII值，所以需要將