【正文】 1 1 總體方案設(shè)計 隨著人們生活水平的提高，人們對空調(diào)的舒適性和空氣品質(zhì)的要求越來越高，分體式空調(diào)已不能滿足人們的要求，戶式中央空調(diào)得到了迅猛的發(fā)展。就室內(nèi)居住環(huán)境而言，恒溫環(huán)境并非是衛(wèi)生和舒適的。因為除了溫度外，還有濕度、空氣流速、空氣潔凈度等諸多因素影響到舒適的程度。而傳統(tǒng)的中央空調(diào)靠設(shè)置機械溫控開關(guān)來實現(xiàn)房間的恒溫控制。這種控制方法，一方面操作不方便；另一方面溫度波動范圍大，不但影響人的舒適感，而且會造成一定的能量損耗。采用單片機溫度控制系統(tǒng)控制的戶式中央空調(diào)系統(tǒng)，可以根據(jù)室內(nèi)的環(huán)境因素，調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速， 為人們創(chuàng)造一個舒適的室內(nèi)環(huán)境，同時又節(jié)省電 。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生活帶來了根本性的變化，如果說微型計算機的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學研究得到了質(zhì)的飛躍，那么單片機技術(shù)的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)控制測控領(lǐng)域帶來了一次新的革命。目前，單片機在工業(yè)控制系統(tǒng)諸多領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。特別是其中的 C51系列的單片機 [3]的出現(xiàn)，具有更好的穩(wěn)定性，更快和更準確的運算精度，推動了工業(yè)生產(chǎn)，影響著人們的工作和學習。而本次設(shè)計就是要通過以 C51系列單片機為控制核心，實現(xiàn)空調(diào)機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計。 方案一 選用 AT89C51單片機為中央處理器，通過溫度傳感器 DS18B20對空氣進行溫度采集，將采集到的溫度信號傳輸給單片機，由單片機控制顯示器，并比較采集溫度與設(shè)定溫度是否一致，然后驅(qū)動空調(diào)機的加熱或降溫系統(tǒng)對空氣進行處理，從而模擬實現(xiàn)空調(diào)溫度控制單元的工作情況。在整個設(shè)計中，涉及到溫度檢測電路、驅(qū)動控制電路、顯示電路、鍵盤電路以及電源的設(shè)計等電路。其中單片機的控制程序是起到各個電路之間的相互協(xié)調(diào)，控制各個電路正常工作的至關(guān)重要的作用。其方框圖如下 : 圖 11 方案一設(shè)計圖框 該圖控制簡單，思路清晰，各單元模塊的相互銜接較簡單，同時成本低廉，用的各種器件都是常用器件，更具有使用性。 2 方案二 該方案采用的是 AT89C51單片機為核心控制器件，用它來處理各個單元電路的工作 以及檢測其運行情況。本方案中采用的是 LM35DZ溫度傳感器，通過溫度采集電路采集相關(guān)溫度數(shù)值，再由 ADC0809組成的 A/D轉(zhuǎn)換電路進行轉(zhuǎn)換，最終得到數(shù)字信號，將其直接傳輸給單片機，然后由單片機根據(jù)內(nèi)部程序判斷，執(zhí)行相關(guān)控制程序，驅(qū)動各單元電路的工作。其方框圖如下 : 圖 12 方案二設(shè)計圖框 該方案容易控制，系統(tǒng)原理比較簡單，電路可靠。但其中的溫度測量電路、譯碼電路復雜，容易產(chǎn)生誤差和由電路復雜而導致的設(shè)備使用壽命低等一系列問題。 總體方案選擇及實現(xiàn) 方案選擇 選擇方案一。控 制簡單，思路清晰，各單元模塊的相互連接較簡單，同時成本低廉，用到的各種器件都是常用器件，更具有使用性 。 具體的實現(xiàn)方案 實現(xiàn)方案的技術(shù)線路為：用按鈕輸入標準溫度值，用 LED實時顯示環(huán)境空氣溫度，用驅(qū)動電路控制壓縮機完成加熱和制冷調(diào)節(jié)，用 ISIS軟件對設(shè)計進行仿真，用 C語言完成軟件編程。單片機 AT89S51中央處理器如圖所示： 3 圖 13 單片機 AT89C51 Vcc、 Vss：用于外接單片機的工作電源，電源電壓為 5V。 XTAL XTALL2：用于外接晶振構(gòu)成振蕩電路或直接輸入時 鐘信號。 RST：復位信號輸入引腳，高電平有效。 ALE：地址鎖存信號輸出引腳，固定輸出 1/6振蕩頻率的脈沖，可作為脈沖信號源使用。 /EA：片內(nèi)、片外程序存儲器選擇控制引腳。 輸入部分 :AT89S5 A/D轉(zhuǎn)換 、驅(qū)動控制、溫度控制器、加熱、制冷?？諝怙@示部分 :4/PSEN：片外程序存儲器讀允許控制器。 ~： P0口 I/O引腳，或數(shù)據(jù)線 /低 8位地址總線復用引腳。~： P1 口 I/O 引腳。 ~： P2 口 I/O 引腳，或高 8 位地址總線引腳。 ~： P3口 I/O引腳 ，此外，每個引腳都有第二功能。 4 2 硬件設(shè)計 硬件各單元方案設(shè)計與選擇 溫度傳感部分 要求對溫度和與溫度有關(guān)的參量進行檢測，應(yīng)該考慮用熱電阻傳感器。按照熱電阻的性質(zhì)可以分為半導體熱電阻和金屬熱電阻兩大類，前者通常稱為熱敏電阻，后者稱為熱電阻。 半導體熱敏電阻是利用某些半導體材料的電阻值隨溫度的升高而減?。ɑ蛏撸┑奶匦灾瞥傻?，大多數(shù)的半導體熱敏電阻具有負溫度系數(shù)。負溫度系數(shù)熱敏電阻器的特點是：在工作溫度范圍內(nèi)電阻阻值隨溫度的升高而降低?？蓾M足 40℃～ 90℃測量 范圍，具有靈敏度高，電阻值高，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，化學穩(wěn)定性好，使用壽命長等優(yōu)點；但其互換性較差，而且線性度也很差，不能直接用于 A/D轉(zhuǎn)換，應(yīng)該用硬件或軟件對其進行線性化補償。 金屬熱電阻中屬鉑電阻和銅電阻最為常用，這里以鉑電阻 Pt1000為例。鉑熱電阻的物理化學性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，它能用作工業(yè)測溫元件，且此元件線性較好，在 0℃～ 100℃時，最大非線性偏差小于 ℃。鉑熱電阻與溫度的關(guān)系是， Rt=R0(1+At+Bt t)；其中 Rt是溫度為 t攝氏度時的電阻， R0是溫度為 0攝氏度時的電阻 ， t為任意溫度值， A、 B為溫度系數(shù)。但其電阻與溫度為非線性關(guān)系，且成本太貴，不適合做普通設(shè)計。 集成溫度傳感器是利用晶體管的 PN結(jié)的電流電壓特性與溫度的關(guān)系，把敏感元件、放大電路和補償電路等部分集成化，并把它們封裝在同一殼體里的一種一體化溫度檢測元件。它除了與半導體熱敏電阻一樣有體積小、反應(yīng)快的優(yōu)點外，還具有線性好、性能高、價格低等特點，如 DS18B20智能溫度控制器 。單線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20簡介：新的“一線器件”體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟、數(shù)字化。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建 傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。 DS18B20“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器，支持“一線總線”接口，測溫范圍為 55℃ ~+125℃，現(xiàn)場溫度直接以“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。適合于各種環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。 DS18B20 可以程序設(shè)定 9~12位的分辨率，設(shè)定的報警溫度存儲在 EEPROM中，掉電后依然保存。 DS18B20使電壓特性及封裝有更多的選擇，讓我們可以構(gòu)建適合自己的經(jīng)濟的測溫系統(tǒng)，并且應(yīng)用電路電但便于設(shè)計。 在本設(shè)計 中我采用的是集成溫度傳感器 DS18B20，其電路簡單可靠，不需要 A/D轉(zhuǎn)換，直接可以與單片機相連。 數(shù)字顯示部分 通常的 LED顯示器有 7段或 8段和“米”字段之分。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽極 LED顯示器的工作原理也一樣。 LED顯示器有兩種顯示方式： 靜態(tài)顯示方式：在這種方式下，各位 LED顯示器的共陰極（或共陽極）連接在一起并接地（或電源正），每位的 段選線分別與一個 8位的鎖存器輸出相連，各個 LED的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存器的輸出將維持不變，直到顯示另一個字符為止，正因為如此，靜態(tài)顯示器的亮度都較高。若用 I/O 5 口接口，這需要占用 N 8位 I/O口（ LED顯示器的個數(shù)為 N）。這樣的話，如果顯示器的個數(shù)較多，那使用的 I/O接口就更多，因此在顯示位數(shù)較多的情況下，一般都不用靜態(tài)顯示。 動態(tài)顯示方式：當多位 LED顯示時，通常將所有位的段選線相應(yīng)的并聯(lián)在一起，由一個 8位 I/O口控制，形成段選線的多路復用。而各位的共陽極或共陰極分別由相應(yīng)的 I/O口控制，實現(xiàn)各位的 分時選通。其中段選線占用一個 8位 I/O口，而位選線占用 N個 I/O口（ N為 LED顯示器的個數(shù)）。由于各位的段選線并聯(lián)，段碼的輸出對各位來說都是相同的，因此，同一時刻，如果各位選線都處于選通狀態(tài)的話，那 LED顯示器將顯示相同的字符。若要各位 LED能顯示出與本位相應(yīng)的字符，就必須采用掃描顯示方式，即在某一時刻，只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，同時，段選線上輸出相應(yīng)位要顯示字符的段碼。 這種顯示方式占用的 I/O口個數(shù)為 8+N（ N為 LED顯示器的個數(shù)），相對靜態(tài)顯示少了很多，但需要占用 大量的 CPU資源，當 CPU處理別的事情時，顯示可能出現(xiàn)閃爍或者不顯示的情況。 為了節(jié)約硬件資源，降低電路板的成本，本人采用的是節(jié)約硬件資源的動態(tài)掃描顯示方式。 加熱降溫驅(qū)動控制電路 采用開關(guān)量控制，如繼電器、雙向可控硅、光耦等，控溫快速，但是雙向可控硅驅(qū)動電路比較麻煩，調(diào)試也麻煩，若用現(xiàn)成的固態(tài)繼電器價格十分昂貴。用繼電器時要注意其電感的反向電動勢，和開關(guān)觸點對電源的影響，以及開關(guān)脈沖對整個電路的影響等，應(yīng)該加入必要的防止干擾的措施。 采用單向晶閘管，這是一種大功率半導體器件，它既有單向?qū)щ?的整流作用，又有可以控制的開關(guān)作用。利用它可以用較小的功率控制較大功率，在交、直流電動機調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和無觸點開關(guān)等方面均獲得了廣泛的應(yīng)用。 這種晶閘管與二極管不同的是，當其兩端加上正向電壓而控制極不加電壓時，晶閘管并不導通，其正向電流很小，處于正向阻斷狀態(tài)；當其兩端加上正向電壓、且控制極上（與陰極間）也加上一正向電壓時，晶閘管便進入導通狀態(tài)，這時管壓降很小（ 1V左右）。這時即使控制電壓消失，仍然保持導通狀態(tài)，所以控制電壓沒有必要一直存在，通常采用脈沖形式，以降低觸發(fā)功耗。它不具有自關(guān)斷能力， 要切斷負載電流，只有使陽極電流減小到維持電流以下，或加上反向電壓實現(xiàn)關(guān)斷。若在交流回路中應(yīng)用，當電流過零和進入負半周時，自動關(guān)斷，為了使其再次導通，必須重加控制信號。 采用光耦合雙向可控硅驅(qū)動電路，這種器件是一種單片機輸出與雙向可控硅之間較理想的接口器件，它由輸入和輸出兩部分組成，輸入部分是一個砷化鎵發(fā)光二極管，該二極管在 5mA～ 15mA正向電流作用下發(fā)出足夠強度的紅外光，觸發(fā)輸出部分。輸出部分是一個硅光敏雙向可控硅，在紅外線的作用下可雙向道通。 光電耦合器也常用于較遠距離的信號隔離傳送。一方面光耦合器 可以起到隔離兩個系統(tǒng)地線的作用，使兩個系統(tǒng)的電源相互獨立，消除地電位不同所產(chǎn)生的影響；另一方面，光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動器件，可以形成電流環(huán)路的傳送形式。由于電流環(huán)電路是低阻抗電路，對噪音的敏感度低，因此提高通訊系統(tǒng)的抗干擾能力，常用于有噪音干擾的環(huán)境里傳輸信號。 達到同樣的加熱效果，開關(guān)量控制容易，驅(qū)動簡單，驅(qū)動電路的抗干擾能力強。所以我采用的是光耦合雙向可控硅驅(qū)動電路。 6 單元電路設(shè)計 溫度采集電路 本設(shè)計的溫度采集系統(tǒng)主要是數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，如圖 21所示。 本設(shè)計 以 DS18B20為傳感器， AT89C51單片機為控制核心組成的溫度巡回檢測系統(tǒng)，在圖 21中，DS18B20的供電方式為外部電源，其 I/O數(shù)據(jù)線與 。在 DS18B20接入系統(tǒng)之前，應(yīng)分別從激光 ROM 中讀出其序號，然后分別賦予在系統(tǒng)中的編號 1～ n。該系統(tǒng)需要用鍵盤來設(shè)置溫度報警的門限值，并用七段 LED顯示器顯示 DS18B20的編號和測量的溫度值。 圖 21 溫度采集電路 溫度檢測系統(tǒng)原理圖 如圖 21所示 ，采用 外接 電源供電方式。為保證在有效的 DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，我們用一個 電阻 R30和 89C51的一個 I/O口（ ）來完成對 DS18B20總線的上拉。當 DS18B20處于寫存儲器操作和溫度 A/D變換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為 10μs 。采用 外接 電源供電方式時 Vcc接外部電源， GND接地， I/O與單片機的 I/O線相連 。 在本設(shè)計中，我采用的是單個 DS18B20測室內(nèi)溫度，并把它直接與單片機的 I/O口相連，將測得的溫度值送入 CPU 與鍵盤輸入的設(shè)定值進行比較，然后通過 CPU 來控制負載電路的工作。一般來說CPU 對 DS18B20的訪問流程是：先對 DS18B20初始化，再進行 ROM操作命令，最后才能對存儲器和數(shù)據(jù)操作。 DS18B20 每一步操作都要遵循嚴格的工作時序和通信協(xié)議 ,如主機控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù) DS18B20的通信協(xié)議，須經(jīng)三個步驟：每一次讀寫之前都要對 DS18B20進行復位，復位成功后發(fā)送一條 ROM指令 ,最后發(fā)送 RAM指令 ,這樣才能對 DS18B20進行預定的操作。 LED 顯示電路 LED顯示電路如圖 22所示， LED 電路采用 4只共陰極七段數(shù)碼管。顯示方式有動態(tài)掃描和靜態(tài)掃描，兩種都可 以實現(xiàn)顯示功能，但由于靜態(tài)掃描要用到多片串入并出芯片，考慮到電路板成本計算，本人采用節(jié)約硬件資源的動態(tài)掃描顯示方式。 P2 口的 ， P2 口的 ，在 10ms定時中斷服務(wù)程序中分別對顯示的各位進行動態(tài)掃描顯示。 LED分別對室內(nèi)溫度和時間進行動態(tài)顯示，其相互顯示間隔設(shè)定為 1分鐘，即顯示溫度時第一、二位為十位、個位，第三、四位為小數(shù)位 。而顯示時間時第一、二位為小時，第三、四位為分鐘，顯示數(shù)據(jù)由 CD4511譯碼器輸出。 由 4個共陰極的數(shù)碼管 組成溫度和時間交替顯示。 P2口的四條數(shù)據(jù)