【正文】 1 2021 屆畢業(yè)生 畢業(yè)設計說明書 題 目 : 基于智能用電的空調控制器設計 院系名稱： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 電氣 F1104 學生姓名： 學 號： 指導教師： 教師職稱： 2021 年 05 月 20 日 2 目 次 1 緒論 ............................................................. 3 選題的背景 ........................................................ 3 研究目的和意義 .................................................... 3 智能用電研究現(xiàn)狀 .................................................. 4 設計任務 .......................................................... 5 2 系統(tǒng)總設計原理 .................................................... 6 方案論證與比較 .................................................... 6 系統(tǒng)工作過程 ...................................................... 7 3 系統(tǒng)硬件電路設計 .................................................. 8 電壓轉換電路設計 .................................................. 8 電流處理電路 ...................................................... 9 溫度采集部分 ..................................................... 10 AD 轉換電路 ...................................................... 11 地址鎖存 ......................................................... 14 按鍵設計 ......................................................... 15 單片機部分 ....................................................... 16 晶振及復位電路 ................................................... 19 單片機電源部分 ................................................... 20 液晶屏 顯示 ...................................................... 20 空調控制部分 .................................................... 22 ................................................ 22 4 系統(tǒng)軟件設計 ..................................................... 24 交流采樣單片機計算方法 ........................................... 24 系統(tǒng)軟件結構框圖 ................................................. 25 結論 .............................................................. 28 致謝 .............................................................. 29 參考文獻 .......................................................... 30 附錄 .............................................................. 32 3 1 緒論 選題的背景 智能家居 (Smart Home)的 概念最早是由美國人提出的 ， 智能家居是指將家庭中的用電器通過一些現(xiàn)代的控制手段，通訊技術進行網絡化連接，實現(xiàn)家電的智能化管理，同時還可以進行遠程監(jiān)控，在線監(jiān)測等內容，方便人們的日常生活。 智能家電是指將 現(xiàn)代的控制檢測系統(tǒng) 、 通訊 技術應用于 普通 家電， 以實現(xiàn) 家電 的智能化和信息化功 能。與傳統(tǒng)家電相比，智能家電不僅具有使人類生活更為舒適、安全、有效、方便的傳統(tǒng)功能，還由原來被動靜止的物體轉變?yōu)榫哂兄鲃又腔鄣墓ぞ撸峁┤轿坏男畔⒔换スδ?，?yōu)化人們的生活方式，增強家居生活的安全性。無論是新型家電還是傳統(tǒng)家電，其整體技術都在不斷提高。家 用電器 的進步， 其 關鍵 在于 采用了先進控制 檢測 技術，從而使家電從一種機械式的 家用工 具 提升為 一種具有智能 化的設備，智能家電 進步 體現(xiàn)了家電最新技術的 較高水平 。毋庸置疑，現(xiàn)在整個社會正在向數(shù)字化、信息化、網絡化的方向發(fā)展，智能家電是家電產品發(fā)展的必然趨勢。無論是在國際 上，還是在國內這股潮流都已經得到了充分的驗證。目前市場上的少部分高端智能家電都已經具有藍牙信號接收、傳輸接口，能夠主動將自身狀態(tài)信息送入控制器，同時在控制器發(fā)出命令后能夠自動執(zhí)行動作。這就為智能家電控制器的開發(fā)提供了良好的基礎。智能家電系列產品包括：空調、熱水器、洗衣機、洗碗機、燈光、背景音樂、電動窗簾等。 隨著社會的發(fā)展和國家現(xiàn)代化程度的不斷提高 ,人們對智能家居及智能用電的要求也越來越高，以 往的家用電器一般采用人為的去對其進行開關和功率調整。這樣的模式擁有著很大的缺陷：其一，必須有人 去對其進行控制，給人們生活帶來不便；二是不能及時根據(jù)人們的需要對功率進行調整，會造成用電浪費。在能源緊缺的今天這是其重要缺陷。 近年來，隨著計算機應用技術、電子信息技術、以及集成電路的飛速發(fā)展，關于電能質量的測量技術也帶來了巨大的影響。提高電能測量精度改進機械式功率表以減少誤差，并且能準確的測量多個物理量以及實現(xiàn)用戶用電信息上傳，是現(xiàn)代電子測量技術的發(fā)展方向。所以數(shù)字化電能測量儀器成為了必然的選擇。在軟件與硬件設計時，設計制作智能化電能質量測量的關鍵就在于系統(tǒng)簡單實用、在測量的過程中能夠抗干擾以及測量的準確度 。在電工與電子技術應用中 ,經常要測量元器件的功率 4 以及元器件的各種參數(shù)。原始的機械測量由于機械運動，不僅在測量的準確度方面大打折扣，而且操作復雜，容易受到干擾；原始的測量一般都是多量程的，在測量過程中還需要分檔調節(jié)有時候還需要數(shù)字換算，其具有很大的局限性，因此智能用電系統(tǒng)的發(fā)展擁有著極大的應用價值。 近代以來，網絡技術取得了極大的發(fā)展，智能用電控制技術也隨之提升，這一想法首先是由美國的網景公司提出，在這一想法的前提下，日本研發(fā)出了網絡冰箱，該網絡冰箱是由普通冰箱與計算機連接而成， 該系統(tǒng)可以利用條形碼讀入器來讀取冰箱的參數(shù)及所儲存食物的現(xiàn)狀； Microsoft 公司在 1999 年時設計出了機頂盒，該機頂盒可以使電視屏幕與計算機相連接，可以利用電視屏幕顯示計算機屏幕。至此，Electrolux， samsung， LG 公司相繼設計出了智能化冰箱，在 21 世紀初期，該技術廣泛吸引了人們的注意，同時該技術也取得了很大的進步。 目前，基于智能用電的家電是以智能用電為基礎，通過各種集成測量電路來對家電的各個用電參數(shù)進行實時測量，上傳網絡，可以實現(xiàn)遠程控制及遠程監(jiān)測，它的顯著特點是精確度高，智能化水平高。 智能化家用電器的發(fā)展顯示著家電的先進成果，智能化家電可分為電子信息技術成果產品與模糊調控產品。 日本的東芝公司首先發(fā)明了利用藍牙技術來控制智能家電，該技術可以實現(xiàn)短距離控制，但其在遠程控制時不能使用；松下公司也研究出了利用手機來遠程控制家電的技術，該系統(tǒng)要求，用戶的手機與本公司的服務器相連接，但是在目前來說生產價值較高。另外，家用電器的監(jiān)測與遠程控制還可以利用家電與 GSM 技術結合來實現(xiàn)。 國外目前的智能化家電還有 NEYWELL 與 Vantage 公司生產的產品， NEYWELL 公司的產品是以電腦與家用電器相互聯(lián)， 可以實現(xiàn)遠程控制與用電信息管理；而 Vantage公司生產的產品可實現(xiàn)對電視與車輛進行控制監(jiān)測等。 目前對國內來說，智能化家電產品也在急速發(fā)展，但該行業(yè)也存在不少問題，例如：對該產業(yè)的標準不夠明確，生產的產品應用效果與理論相比較差等。我國生產該類產品的公司一般有聯(lián)想，海信，海爾等公司。 聯(lián)想公司與 21 世紀初期生產出了該公司的第一個智能化家電，該家電與網絡相連，其具有普通電腦的全部功能，并且操作更加簡單；在同一年里海信公司也生產出了一款智能化家電， 該家電產品是將電腦作為該系統(tǒng)的服務器與普通家電結合即可實現(xiàn)對家 電的智能化監(jiān)測與控制；與此同時，海爾公司也生產了自己的智能化空調，冰 5 箱等，其生產的智能化空調可以使用戶通過終端來控制家用電器，檢測等。 隨著現(xiàn)代化技術的快速發(fā)展，人們對智能化家電要求也逐漸提高，相關的研發(fā)機構對該技術的研究力度也隨之增加。 2021 年，長虹生產出了智能 3D 電視，目前智能化電視已成為了主要研究對象。 2021 年， Honeywell 和海爾公司聯(lián)合開設了研究中心，美的集團也對家電智能化產品的研發(fā)加大了力度，在現(xiàn)階段的環(huán)境下，智能化家電的研究具有很大的研究與發(fā)展空間，因此對家電的智能化研究具有很強的利用 價值。 設計任務 通過 查閱相關資料 ， 充分 了解空調的基本原理及工作過程。并在此基礎上設計出一個空調智能用電的控制器 。該控制器應 具備以下功能： （ a） 能準確的測量出普通家用空調運行中實時用電參數(shù)（電流，電壓，功率，用電量，功率因數(shù)等） ； （ b） 并且該用電參數(shù)可以通過 LCD 液晶顯示； （ c） 同時能夠檢測室內溫度， 根據(jù)溫度的變化，調整空調的運行狀態(tài)； 可以 將 空調的實時用電參數(shù)，運行狀態(tài) 信息上傳， 并能 實現(xiàn)對空調的遠程控制。 6 2 統(tǒng)總體設計原理 電壓 電流變換電路 由于 空調的用電電壓為 有效值 220V交流電以及 0~5A 工頻電流， 因此該系統(tǒng)首先需 要 將 交流 220V 大電壓、 0~5A 大電流 轉化 為 AD 可以接受的小電壓、電流信號后才能進行 采集 測量。電壓 電流 變換電路有以下兩種方案： 方案一：降壓利用串聯(lián)電阻分壓，此方法精度不高，輸入輸出沒有電氣隔離，電阻的損耗功率較大。 方案二：采用電流 /電壓互感器降壓，互感器利用的是電磁感應的原理，輸入與輸出之間有電氣隔離，其轉換精度高，控制比容易獲得。 通過上述兩種方案 比較 可以發(fā)現(xiàn) ，方案二 較 方案一 具有明顯的優(yōu)勢 ，因此本 設計采用方案二，即利用電壓 /電流互感器作為電壓 /電流變換電 路。 有效值測量部分 測量有效值有三種方案： 方案一：采用二極管整流電路，再通過峰值檢波電路測得峰值，然后根據(jù)波形因數(shù)求得相應的有效值。 方案二：利用單片機控制 A/D 對一個周期內的信號進行連續(xù)多點采樣，然后在軟件中根據(jù)有效值計算公式。 上述兩種方法中 方案一硬件電路 復雜 ，且能測得的波形 范圍小 。 而 方案二電路簡單， 誤差小 能測得的結果準確，故 本 設計選用方案二。 電壓電流采樣電路 方案一：采用直流采樣，直流采樣就是 將待測 交流電壓、電流信號 首先 進行變壓整流轉化為 0～ 5V 的直流電壓信號 ，然后對其進 行采樣。 方案二：采用交流采樣，交流采樣就是 將待測的 交流 電壓 信號經過變壓使其轉化為 177。 5V （或 0～ 5V）的交流電壓 后直接進行采樣 。 上述兩種方法中 直流采樣方法的主要優(yōu)點是算法簡單，便于濾波。但無法對信號進行實時采集。交流采樣實時性好、相位失真小、并且相應速度快，因此設計選用交流采樣。 7 系統(tǒng)整體框圖如圖 所示。 電 壓 互 感 器 電 壓 采 樣 A / D 轉 換電 流 互 感 器轉 換 為 電 壓信 號電 壓 采 樣單片機A / D 轉 換L C D 顯 示繼 電 器溫 度 傳 感 器壓 縮 機空 氣用 電 信 息 上 傳鍵 盤 接 口圖 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)交流采樣參數(shù)的過程如下： （ a） 通過電壓互感器和電流互感器獲得空調的電壓、電流交流 信號； （ b） 溫度傳感器采集溫度信號； （