智能空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 Shandong University of Science and Technology 電子技術(shù)綜合實(shí)踐報(bào)告 題目名稱： 智能空調(diào)控制系統(tǒng) 姓名： xxx 專業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 班級(jí)： 2012級(jí)2班 學(xué)號(hào)： 3 同組人： xx 指導(dǎo)教師： xxx 電 子 通 信 與 物 理 學(xué) 院 2015年7月 24日專心-專注-專業(yè)指導(dǎo)教師評(píng)語摘要本系統(tǒng)以STC89C51為核心，采用溫度采集模塊、繼電器模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、響鈴模塊、指示燈模塊、鍵盤輸入模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，實(shí)現(xiàn)了基于空調(diào)溫度控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用STC89C51單片機(jī)作為主控制芯片，控制各項(xiàng)功能。

2、采用溫度傳感器DS18B20來采集室內(nèi)溫度，當(dāng)采集溫度超出溫度閾值發(fā)出警告，并通過繼電器控制220V的大電壓，使空調(diào)工作。采用DS1302 構(gòu)成實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，設(shè)定初始時(shí)間后，可進(jìn)行計(jì)時(shí)。然后采用兩塊共陰極4位七段數(shù)碼管構(gòu)成顯示模塊，可將時(shí)間、溫度等數(shù)據(jù)顯示出來，又用了4個(gè)普通的非自鎖按鍵，可自由切換顯示的數(shù)據(jù)。采用的存儲(chǔ)器是AT24C02，用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，具有掉電保護(hù)功能。關(guān)鍵詞：STC89C51、溫度采集、數(shù)據(jù)顯示、溫度調(diào)控目錄前言.5第二章 系統(tǒng)的組成及工作原理 2.3、系統(tǒng)各模塊功能的實(shí)現(xiàn).701230014前言 隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步、以及測(cè)溫儀器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用

3、，溫度控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于人們生活的各個(gè)方面。 溫度是科學(xué)技術(shù)中最基本的物理量之一，物理、化學(xué)、生物等學(xué)科都離不開溫度。在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中，如電力、化工、石油、冶金、航空航天、機(jī)械制造、糧食存儲(chǔ)、酒類生產(chǎn)等領(lǐng)域內(nèi)，溫度常常是表征對(duì)象和過程狀態(tài)的最重要的參數(shù)之一，各行各業(yè)對(duì)溫度控制的要求都越來越高，各種適用于不同場(chǎng)合的智能溫度控制器應(yīng)運(yùn)而生，酒店、廠房及家庭生活中都會(huì)見到溫度控制的影子，溫度控制將更好的服務(wù)于社會(huì)。中國(guó)家庭的室內(nèi)環(huán)境就是冬天的溫度太冷，夏天的溫度過熱，這些給人們的正常生活帶來諸多的不便，所以人們對(duì)一個(gè)舒適的家庭環(huán)境是非常向往的。以前室內(nèi)的溫度控制主要是利用機(jī)械通風(fēng)設(shè)備來進(jìn)行室

4、內(nèi)與室外空氣的交換來達(dá)到控制室內(nèi)溫度。對(duì)于通風(fēng)設(shè)備的開啟和關(guān)停，全部都是由人來進(jìn)行手動(dòng)控制的，由人們定時(shí)查看室內(nèi)室外的溫度情況，按照要求來開關(guān)通風(fēng)設(shè)備。人們勞動(dòng)強(qiáng)度大，可靠性較差，而且極易消耗人們的體力，造成成本過高。所以，需要有一種符合溫控要求的、低成本的控制系統(tǒng)，在溫度超過用戶設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)控制系統(tǒng)，使室內(nèi)溫度控制在一定范圍內(nèi)?，F(xiàn)今，空調(diào)等家用電器隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展或生活水平的提高越來越普及，一個(gè)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的智能空調(diào)溫度控制系統(tǒng)能更好的試用市場(chǎng)。 第一章 設(shè)計(jì)要求 1、顯示出時(shí)間，實(shí)時(shí)溫度； 2、能實(shí)現(xiàn)溫度的設(shè)定，當(dāng)溫度超出限制時(shí)，發(fā)出警告，溫度調(diào)整范圍為1； 3、當(dāng)溫度超出限制，進(jìn)行溫度

5、調(diào)控；第二章 系統(tǒng)的組成及工作原理2.1、系統(tǒng)的組成 本系統(tǒng)以STC89C51為核心，采用溫度采集模塊、繼電器模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、響鈴模塊、指示燈模塊、鍵盤輸入模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，實(shí)現(xiàn)了基于空調(diào)溫度控制系統(tǒng)。2.2、系統(tǒng)的工作原理 本設(shè)計(jì)中的智能空調(diào)系統(tǒng)可以通過按鍵設(shè)置空調(diào)自動(dòng)升溫或降溫的閾值，當(dāng)設(shè)置下閾值時(shí)藍(lán)色指示燈亮，當(dāng)設(shè)置上閾值時(shí)，黃色指示燈亮，并通過數(shù)碼管顯示出設(shè)定的閾值。傳感器DS18B20采集室內(nèi)溫度與設(shè)定閾值溫度進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)溫度在閾值之內(nèi)時(shí)，綠色指示燈亮，且蜂鳴器不工作；當(dāng)溫度超過或低于所設(shè)定閾值時(shí)，紅色指示燈亮，且蜂鳴器工作，通過單片機(jī)控制繼電器啟動(dòng)空調(diào)對(duì)室內(nèi)進(jìn)行升溫或降

6、溫。同時(shí)系統(tǒng)可以將設(shè)置的閾值保存到EEPROM中，斷電后不會(huì)消失，直至通過按鍵去改變，實(shí)現(xiàn)了智能空調(diào)的掉電存儲(chǔ)功能。此外，該系統(tǒng)還能顯示當(dāng)前的年月日、時(shí)分秒以及星期。 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，得出如圖2-1所示的系統(tǒng)框圖。 顯示模塊 單 片 機(jī) 最 小 系 統(tǒng) 鍵盤輸入模塊 溫度采集模塊 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊 掉電存儲(chǔ)模塊 響鈴模塊 繼電器模塊 指示燈模塊圖2-1 智能空調(diào)系統(tǒng)框圖2.3、系統(tǒng)各功能模塊的實(shí)現(xiàn)2.3.1、按鍵切換功能及顯示功能 剛開始上電時(shí)，數(shù)碼管顯示器上顯示實(shí)時(shí)時(shí)間和當(dāng)前溫度值。此系統(tǒng)運(yùn)用實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302產(chǎn)生時(shí)間，采用的是二十四小時(shí)制，采用溫度傳感器DS18B20采集室內(nèi)溫度，在一通

7、電的情況下，會(huì)顯示08-00 25。當(dāng)?shù)谝淮伟聪掳存IS1的時(shí)候會(huì)顯示年月日15-7-18，當(dāng)?shù)诙伟聪掳存IS1的時(shí)候會(huì)顯示時(shí)間周和時(shí)間秒-6- 00，第三次按下按鍵S1的時(shí)候會(huì)顯示溫度下限閾值和上限閾值-18-32-，第四次按下按鍵S1時(shí)就回到初始顯示界面即顯示時(shí)間和溫度。2.3.2、按鍵調(diào)節(jié)功能 當(dāng)按鍵S1第三次按下且數(shù)碼管顯示溫度閾值的時(shí)候，此時(shí)就可以通過按鍵S3和按鍵S4調(diào)節(jié)溫度下限閾值，當(dāng)按下按鍵S2時(shí)，然后通過按鍵S3和按鍵S4可以調(diào)節(jié)溫度上限閾值。2.3.3、指示燈指示及響鈴功能 當(dāng)室內(nèi)溫度在所設(shè)定的閾值內(nèi)時(shí)，綠色指示燈亮；當(dāng)溫度超過上閾值時(shí)，紅色指示燈亮，并且蜂鳴器工作；當(dāng)調(diào)節(jié)溫

8、度下閾值時(shí)，藍(lán)色指示燈亮；當(dāng)調(diào)節(jié)溫度上閾值時(shí)，黃色指示燈亮。 2.3.4、存儲(chǔ)功能 單片機(jī)可以把用戶設(shè)置的溫度閾值保存在存儲(chǔ)模塊中，當(dāng)?shù)綦娭貑⒅?，系統(tǒng)會(huì)按照用戶之前設(shè)置的閾值工作。2.3.5、空調(diào)自動(dòng)啟動(dòng)和關(guān)閉功能 當(dāng)室內(nèi)溫度超過所設(shè)溫度上閾值或低于溫度下閾值時(shí)，單片機(jī)通過控制繼電器開啟空調(diào)進(jìn)行升溫或制冷工作；當(dāng)室內(nèi)溫度在所設(shè)定的閾值時(shí)，單片機(jī)通過繼電器關(guān)閉空調(diào)。第三章 電路設(shè)計(jì)3.1、單片機(jī)最小系統(tǒng) 根據(jù)所學(xué)知識(shí)，單片機(jī)最小系統(tǒng)由主控制芯片，復(fù)位電路，振蕩電路組成。本設(shè)計(jì)采用STC89C51單片機(jī)作為主控制芯片，STC89C51是一種帶4KB閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlas

9、h Programmable and Erasable Read Only Memory），低電壓、高性能的CMOS8位微處理器，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit）,單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中ATMEL的STC89C51是一種高效微控制器。本設(shè)計(jì)中按鍵S1為復(fù)位按鍵，采用高電平復(fù)位。按鍵S1、電容C3與電阻R1組成上電復(fù)位電路。采用12MHz的晶振和電容C1、電容C2組成振蕩電路。由此設(shè)計(jì)出單片

10、機(jī)最小系統(tǒng)，如圖3-1所示：圖3-1單片機(jī)最小系統(tǒng) 在PCB設(shè)計(jì)中經(jīng)常在印制板的各關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙?，以減少對(duì)信號(hào)的干擾以及信號(hào)之間的相互干擾，因此設(shè)計(jì)如圖2-2所示去耦電容電路。 圖3-2 去耦電容電路3.2、顯示模塊設(shè)計(jì)本課程設(shè)計(jì)采用兩塊共陰極4位七段數(shù)碼管構(gòu)成顯示模塊，一次可以顯示8個(gè)數(shù)字。數(shù)碼管（LED Segment Displays）由多個(gè)發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個(gè)筆劃，公共電極。數(shù)碼管實(shí)際上是由七個(gè)發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點(diǎn)就是8個(gè)。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。由于數(shù)碼管內(nèi)部的發(fā)光

11、二極管在達(dá)到一定的電流才能發(fā)光，而51單片機(jī)的IO口沒有驅(qū)動(dòng)能力，所以在設(shè)計(jì)顯示模塊的時(shí)候必須給數(shù)碼管加上驅(qū)動(dòng)電路，本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路由兩塊74HC573芯片和8個(gè)限流電路組成，74HC573不僅有驅(qū)動(dòng)的能力，還有鎖存的功能，這樣就可以節(jié)省單片機(jī)IO口的資源。74HC573芯片引腳圖如圖3-3所示以及其功能如表1所示。 圖3-3 74HC573芯片引腳圖 表1 74HC573芯片功能表根據(jù)要求設(shè)計(jì)出如圖3-4所示顯示模塊原理圖。 圖3-4 顯示模塊原理圖3.3、溫度采集模塊設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用溫度傳感器DS18B20來采集室內(nèi)溫度。由半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20型單線智能溫度傳感器,屬于新一代適配

12、微處理器的智能溫度傳感器，可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測(cè)量及控制儀器、測(cè)控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。DS18B20具有體積小，接口方便，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。 采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，可以分別在93.75ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線( 單線接口) 讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單,可靠性更高，成本

13、更低。其測(cè)量溫度范圍為-55 +125。在-10 +85，精度為±0.5。DS18B20的精度較差為±2?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。 本設(shè)計(jì)中溫度采集模塊原理圖如圖3-5所示，溫度傳感器DS18B20將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)P1.3給單片機(jī)，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，送至數(shù)碼管顯示。 圖3-5 溫度采集模塊原理圖3.4、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用DS1302 構(gòu)成實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。DS1302是由美國(guó)DALLAS公司推出的具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。它可以對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。 本設(shè)計(jì)中，實(shí)

14、時(shí)時(shí)鐘模塊由DS1302、32.768KHZ的晶振、3V的電池組成，SCLK引腳、RST引腳、IO引腳接到單片機(jī)相應(yīng)引腳上。其中外接的晶振和內(nèi)部電路組成振蕩電路提供時(shí)鐘基準(zhǔn)，3V電池是為DS1302在掉電的情況下提供電源以便讓其持續(xù)工作。實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊原理圖如圖3-6所示。 圖3-6 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊原理圖3.5、繼電器模塊設(shè)計(jì) 繼電器（英文名稱：relay）是一種電控制器件，是當(dāng)輸入量（激勵(lì)量）的變化達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動(dòng)關(guān)系。通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大

15、電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。由于51單片機(jī)控制電路的電壓為5V，而空調(diào)工作的電壓為220V，因此單片機(jī)可以通過繼電器控制220V的大電壓，繼而使空調(diào)正常工作。由此設(shè)計(jì)出如圖3-7所示繼電器模塊原理圖。 圖3-7 繼電器模塊原理圖3.6、響鈴模塊設(shè)計(jì)通過響鈴模塊的作用，可以提醒人們現(xiàn)在室內(nèi)溫度已超過或低于溫度閾值，空調(diào)已在單片機(jī)控制下啟動(dòng)工作。本課程設(shè)計(jì)的響鈴模塊是由蜂鳴器、三極管和限流電阻組成，其中三極管起到驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作的作用，由此設(shè)計(jì)出如圖3-8所示響鈴模塊原理圖。 圖3-8 響鈴模塊原理圖3.7、鍵盤輸入輸出模塊設(shè)計(jì) 本課程設(shè)計(jì)采用了4個(gè)

16、普通的非自鎖按鍵，分別為S1、S2、S3、S4。當(dāng)按鍵不按下時(shí)，按鍵與單片機(jī)連接的引腳為高電平，當(dāng)按鍵按下時(shí)，相應(yīng)單片機(jī)引腳為低電平，當(dāng)把手松開時(shí)按鍵會(huì)自動(dòng)彈上來。鍵盤輸入模塊的原理圖如圖3-9所示。 圖3-9 鍵盤輸入模塊原理圖3.8、存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器（Memory）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)中全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)程序、中間運(yùn)行結(jié)果和最終運(yùn)行結(jié)果都保存在存儲(chǔ)器中。內(nèi)存指主板上的存儲(chǔ)部件，用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，但僅用于暫時(shí)存放程序和數(shù)據(jù)，關(guān)閉電源或斷電，數(shù)據(jù)會(huì)丟失。本次課程設(shè)計(jì)中采用的存儲(chǔ)器是AT24C02，它的存儲(chǔ)大小為2Kb，具有掉電

17、存儲(chǔ)的功能。存儲(chǔ)模塊原理圖如圖3-10所示。 圖3-10 存儲(chǔ)模塊原理圖3.9、指示燈模塊設(shè)計(jì)指示燈，顧名思義它具有指示的作用，本設(shè)計(jì)中采用4個(gè)不同顏色的發(fā)光二極管來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同狀態(tài)的指示。該模塊的原理圖如圖3-11所示。 圖3-11 指示燈模塊設(shè)計(jì)3.10、系統(tǒng)原理圖將各個(gè)模塊綜合起來，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)原理圖，如圖3-12所示。 圖3-12 系統(tǒng)原理圖第四章 系統(tǒng)仿真與調(diào)試 在設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，仿真測(cè)試可以檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)得是否合理，這樣可以很大程度上減少制造系統(tǒng)的成本。本次課程設(shè)計(jì)采用Proteus對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真。 Proteus軟件是英國(guó)Lab Center Electronics公司出版的ED

18、A工具軟件，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前比較好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器。4.1、

19、系統(tǒng)仿真模型本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理圖仿真模型如圖4-1所示： 圖4-1 系統(tǒng)原理圖仿真模型4.2、仿真結(jié)果4.2.1、室內(nèi)溫度在閾值范圍之內(nèi)及之外仿真結(jié)果室內(nèi)溫度在所設(shè)定的閾值內(nèi)，指示燈綠燈亮，繼電器不工作，蜂鳴器不工作，兩端電壓為0V。仿真結(jié)果如圖4-2所示。室內(nèi)溫度不在所設(shè)定閾值內(nèi)，指示燈紅燈亮，繼電器工作，蜂鳴器工作，兩端電壓為2.47V，仿真結(jié)果如圖4-3所示。 圖4-2 溫度在閾值內(nèi)仿真結(jié)果圖4-3溫度在閾值外仿真結(jié)果4.2.2、按鍵S1切換顯示內(nèi)容仿真結(jié)果 系統(tǒng)上電后，顯示界面顯示時(shí)分及當(dāng)前溫度“08-00 28”，仿真結(jié)果如圖4-4所示，按一下按鍵S1，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)切換，顯示模塊將顯示年

20、月日“15-01-18”，仿真結(jié)果如圖4-5所示。再按一下開關(guān)S1,顯示模塊將顯示星期和秒“-7- 42”，仿真結(jié)果如圖4-6所示。再按一下開關(guān)S1，顯示模塊將顯示所設(shè)定的閾值溫度“-18- -32-”，仿真結(jié)果如圖3-7所示。 圖4-4 上電顯示時(shí)分及溫度仿真結(jié)果圖4-5 第一次按下S1，顯示年月日仿真結(jié)果圖4-6 第二次按下S1，顯示星期和秒仿真結(jié)果圖4-7 第三次按下S1，顯示溫度閾值仿真結(jié)果4.2.3、按鍵S2、S3、S4切換調(diào)節(jié)閾值仿真結(jié)果當(dāng)顯示模塊顯示溫度閾值時(shí)，按鍵S2用于切換要調(diào)節(jié)的溫度閾值，當(dāng)要調(diào)節(jié)下閾值時(shí)，指示燈藍(lán)燈亮,按鍵S3實(shí)現(xiàn)“+”,按鍵S4實(shí)現(xiàn)“”，仿真結(jié)果如圖4-8所示。當(dāng)要調(diào)節(jié)上閾值時(shí)，指示燈黃燈亮，溫度調(diào)節(jié)仍和下閾值一樣，仿真結(jié)果如圖4-9所示。 圖4-8 下閾值調(diào)節(jié)仿真結(jié)果圖4-9上閾值調(diào)節(jié)仿真