基于单片机的空调控制系统的设计

摘要

在本文中，系统地介绍了空调制冷的原理、硬件的结构、工作原理及其使用和各部分逻辑功能电路的设计。文中，还解决了单片机系统的抗干扰问题。采用了稳压电源的抗干扰、A/D转换抗干扰以及键盘输入接口的消抖处理。

本文设计的空调制冷系统，它是一个完整的单片机系统。系统采用Intel公司生产的80C51单片机,通过A/D转换器将温度传感器采集来的温度数据送入单片机，单片机将采集的数据与设定温度相比较决定压缩机的工作状态，空调的心脏是压缩机，单片机通过对制冷压缩机的控制，实现了空调的制冷。

关键词：

空调制冷压缩机 A/D转换器抗干扰单片机

Abstract

The theory of refrigeration of air-condition, the hardwork structure, working principle and its use and the design of various parts of logic functive circuit was introduced by the numbers in this paper. The question of anti-jamming of Single Chip Micyoco (SCM) was solved. The anti-jamming of regulated electrical source and A/D conversion and the antiquiver treatment of keyboard input interface was used.

The refrigeration system of air-condition designed in this paper is a integrated SCM. The 80C51 SCM produced by Intel Company was used, the data collected by temperature sensors was sent to SCM through A/D conversion, then SCM decided the work condition of compressor threugh comparing the data collected with set temperature, the compressor is the heart of air-condition, SCM carried out the refrigeration of air-condition through controling the refrigerative compressor.

Key words:

refrigeration of air-condition; compressor; A/D conversion; anti-jamming; Single Chip Micyoco．

目录

前言 (1)

第一章绪论 (1)

第一节 (1)

一、空调 (1)

二、空调的工作原理 (1)

三、空调的功能 (1)

第二节单片机 (2)

第三节单片机与空调控制系统 (3)

第二章基于单片机的空调控制系统设计 (4)

第一节硬件电路设计 (4)

第二节软件设计 (7)

第三节总体方案示意图 (16)

参考文献 (19)

附录 (20)

前言

随着能源的日趋减少，大气污染愈加严重，节能已是一个不容忽视的问题。众所周知，空调正朝着节能、舒适、静噪于一体的方向发展。如变频空调，它刚一问世，就显示出强大的生命力；家用中央空调将全部居室空间的空气调节和生活品质改善作为整体来实现，克服了分体式壁挂和柜式空调对分割室的局部处理和不均匀的空气气流等不足之处。通过巧妙的设计和安装可实现美观典雅和舒适卫生的和谐统一，是国际和国内的发展潮流。可以预料，下世纪的空调将会以更快的步伐向前发展。目前空调已经广泛地应用于生产、生活中。空调的主要功能是改变室内温度。

由于微电子、计算机和通讯技术的发展，微型计算机的应用已经深入到国民经济的各个领域，从家用电器、机电一体化产品到航空航天技术、人工智能、生物工程以及现代通信技术等各个领域，微型计算机的应用都取得了巨大的社会效益和经济效益。当今，计算机的应用水平已在很大程度上决定了生产力的水平。

微型单片机系统以其体积小、性能价格比高，指令丰富、提供多种外围接口部件、控制灵活等优点，广泛应用于各种家电产品和工业控制系统中，在温度控制领域的应用也十分广泛。

第一章绪论

第一节空调

一、空调

“空调”(room air conditioner) 即房间空气调节器，是一种用于给房间(或封闭空间、区域)提供处理空气的机组。它的功能是对该房间（或封闭空间、区域）内空气的温度、湿度、洁净度和空气流速等参数进行调节，以满足人体舒适或工艺过程的要求。

二、空调的工作原理

空调器的制冷系统由蒸发器、压缩机、冷凝器和毛细管四个主要部件组成。按照制冷循环工作的顺序，依次用管道连接成一个整体。系统工作时、蒸发器内的制冷剂吸收室内空气的热量而蒸发成为压力和温度均较低的蒸气，被压缩机吸入并压缩后，制冷剂的压力和温度均升高，然后排入冷凝器。制冷剂蒸气在冷凝器内通过放热给室外空气而冷凝成为压力较高的液体。制冷剂液体通过毛细空的节流，压力和温度均降低，再进入蒸发器蒸发，如此周而复始地循环工作，从而达到降低室内温度的目的。

三、空调的功能

1、降温

在空调器设计与制造中，一般允许将温度控制在16~32℃之间。如若温度设定过低时，一方面增加不必要的电力消耗，另一方面造成室内外温差偏大时，人们进出房间不能很快适应温度变化，容易患感冒。

2、除湿

调器在制冷过程中伴有除湿作用。人们感觉舒适的环境相对湿度应在40~60%左右，当相对湿度过大如在90%以上，即使温度在舒适范围内，人的感觉仍然不佳。

3、升温

热泵型与电热型空调器都有升温功能。升温能力随室外环境温度下降逐步变小，若温度在-5℃时几乎不能满足供热要求。

4、净化空气

空气中含一定量有害气体如NH3、SO2等，以及各种汗臭、体臭和浴厕臭等臭气。

空调器净化方法有：换新风、过滤、利用活性碳或光触媒吸附和吸收等。 A、换新风：利用风机系统将室内潮湿空气往室外排，使室内形成一定程度负压，新鲜空气从四周门缝、窗缝进入室内，改善室内空气质量。

B、光触媒：在光的照射下可以再生，将吸附（收）的氨气、尼古丁、醋酸、硫化氢等有害物质释放掉，可重新使用。

5、增加空气负离子浓度

空气中带电微粒浓度大小，会影响人体舒适感。空调上安装负离子发生器可增加空气负离子度，使环境更舒适，同时对降低血压、抑制哮喘等方面有一定医疗效果。

第二节单片机

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。

单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可......用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD 等等的家电里面都可以看到它的身影！......它主要是作为控制部分的核心部件。

它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区

别。

单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！

第三节单片机与空调控制系统

空调控制系统要控制的是空气温度，是通过压缩机的运行、停止控制的，实际上单片机直接控制的是压缩机的工作状态。该系统要实现以下功能。

（1）根据环境温度控制压缩机工作：控制参数是温度，被控参数是压缩机电路通、断的工作状态。

（2）设置希望的环境温度值：由人手动控制。

（3）显示设定的温度值

第二章基于单片机的空调控制系统的设计

第一节硬件电路设计

一、硬件总体设计方案

（1）该制冷系统由80C51单片机系统即可实现。电源由220V市电经直流电源转化为＋5V直流电压，采用内部时钟电路。

（2）选用热敏电阻式温度传感器和ADC0809转换器。温度传感器产生的模拟信号转换为数字信号后，由P0输入。ADC0809由P3.0启动转换，由P3.1控制输出。信号传输采用无条件输入方式，启动A/D转换后延时100μs从P0口采集数据。时间延迟由T0实现。

（3）温度设置信号由脉冲电路产生，为简化系统，通过导线分别与单片机

、引脚相连，以中断方式工作。

（4）利用交流固态继电器控制制冷压缩机工作状态。继电器由P3.7驱动。

（5）两位显示器温度的共阳LED七段码分别由P1口、P2口驱动。

二、单片机时钟电路设计

时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。MCS-51单片机允

。

许的时钟频率典型值为12MH

Z

80C51单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别是80C51的19脚和18脚。在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。如图１所示：

石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，使MCS-51片内的OCS电路按石英晶振相同频率自激震荡。通常，OCS的输出时钟频率f osc 为0.5MH Z~16MH Z，典型值为12MH Z电容器C1和C2通常取30pF左右，对震荡频率有微调作用。调节它们可以达到微调震荡周期f osc的目的

图１振荡电路

三、复位及复位电路设计

复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把程序计数器PC值初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动单片机。

RST引脚是复位信号的输入端，高电平有效，其有效时间应持续24个震荡周期（即两个机器周期）以上。若使频率为6MH

的晶振，则复位信号持续时间

Z

超过4μs才能完成复位操作。

复位操作由上电复位和按键手动复为两种方式。

上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图所示。

的上电时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就只要电源V

CC

完成了系统的复位初始化。

按键手动复位分为电平方式和脉冲方式两种。其中，电平复位是复位端通过电阻与V

电源接通而实现的。脉冲复位是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。

CC

复位电路虽然简单，但其作用非常重要。一个单片机系统能复正常运行，首先要检查是否能复位成功。

参数的计算：

在本系统中，我采用了按键电平复位方式的复位电路，同时选用晶真的典型值12MH

，通过经验可将电阻值分别定为100Ω和8.2KΩ，电容值定为10μF，

Z

这样，即能保证复位信号高电电平持续时间大于2个机器周期。可以使系统正常运行。

系统的复位电路如图２所示：

图２系统的复位电路

四、按键接口设计

按键所用开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的合、断。一个电压信号通过机械触点的断开、闭合过程，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下断开。因而，在闭合和断开的瞬间均伴随着一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5～10ms。

按键输入电路由按键K1和K2组成。这2个按键分别连接到单片机的输入引

脚P

3.1和P

3.2

。按键K1为“升温”控制键；K2为“降温”控制键，分别对应于2

个LED显示器，用于设置两位温度值。

当按键K1、K2按下时，相应的单片机输入引脚P

3.1和P

3.2

只能监测到低电平。

要将按键与一个反相器串接后再与单片机相连。

为防止按键按下时由抖动，还要设计一个消抖电路。消抖电路由一个电阻和按键K串接在＋5V和地之间，一个电容和按键并联构成。

按键输入电路如图３所示：

图３按键输入电路如图

参数的确定：

按键的抖动时间常数为τ。R-C消抖电路的时间常数取τ＝10ms，其计算公式为：

τ＝RC （１）

经验取电容值为：C=0.1μf,根据式1得：

R=τ/C=10KΩ（２）

五、系统设计电路图

系统由单片机复位电路设计电路、A/D转换的设计电路、稳定电源设计电路、交流固态继电器设计电路、LED显示电路、传感器测温电路和按键接口电路组成。其完整电路图如图４所示（见附录）。

第二节软件设计

一、主程序模块及其流程图

主程序主要包括设置、显示默认调节温度为20℃和进行系统初始化（设定中断、定时方式等）工作。如图５所示：

图５主程序流程图

ORG 0030H

MAIN: MOV R7, #20H ；上电后默认设定温度20℃

ACALL DISPLAY ；显示默认设定值

MOV TCON, #05H

MOV TMOD, #02H ；循环定时方式

MOV TH0, 0CEH ；延时100μs

MOV TL0, 0CEH

SETB TR0 ；启动定时

MOV IE, #87H ；开中断

SJMP “$

二、温度设定中断子程序及其流程图

包括“升温”和“降温”两段程序，它们的内容相仿。当手按下“升温”按键，单片机判断是否大于温度上限30℃，若没超过上限，则将其值升高1℃，调整为十进制，显示新值。若超过温度上限则返回。升温设置流程图如图６所示：

图６温度设置流程图

升温设置程序代码：

ORG 0050H

UP: PUSH A

CJNE R7, #30H, GOUP ；最高为30℃

SJMP UPEND

GOUP: MOV A, R7

ADD A, #01 ；升高1℃

DA A ；调整为十进制

MOV R7, A

ACALL DISPLAY

UPEND: POP A

RETI

降温时，先判断手动设定温度是否超过温度下限，若低于10℃，若低于10℃，则返回，反之，将其值降低1℃。调整为十进制，显示新值。降温设置如图７所示：

图７降温流程图

降温设置程序代码：

ORG 0060H

DOWN: PUSH A

CJNE R7, #10H, GODOWN ；最低10℃

SJMP DOWNEND

GODOWN: MOV A, R7

CLR C

SUBB A, #01 ；降低1℃

JNB PSW.6, GOON ；调整为十进制

SUBB A, #06

GOON: MOV R7, A

ACALL DISPLAY

DOWNEND: POP A

RETI

三、温度显示子程序及其流程图

将2位表示设定温度值的压缩BCD码拆分，查表得到相应的共阳LED码，分别送往P1、P2口。流程图如图８所示：

图８显示子程序流程图

ORG 0075H

DISPLAY: MOV DPTR, #LEDTAB ；LED显示码表首MOV A, #0FH ；取各位

ANL A, R7

MOVC A, @ DPTR+A

MOV P1, A

MOV A, #0F0H ；取十位

ANL A, R7

WAP A

MOV A, @DPTR+A

MOVC P2, A

RET

ORG 0090H

LEDTAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H；共阳显示码DB 92H,82H,0F8H,80H,90H

四、定时中断子程序

定时中断程序模块完成控制系统的核心工作，根据环境温度控制压缩机电路，主要包括3部分内容。

（1）读取温度信号值。

（2）转换为对应的温度值。

（3）与设定值比较决定压缩机电路状态。

将P0口输入量转化为温度值的方法分析如下：

图ADC0809的基准电压为5V，所以P0口数据值对应的电压值：

V

T =P

/256×5(V) （３）

计算时，取其整数部分：

T=210-[(10×P

)/256] （４）定时中断程序流程图９如下：

图９定时中断子程序流程图

ORG 0100H

TIME: PUSH A

SETB P3.1 ；输入数据

SETB P3.0 ；启动下一次模/数转换

MOV P0, #0FFH

MOV A, P0

MOV B, #10 ；转换为温度值，忽略小

MUL AB ；数部分（B）＝[(10×P)/256]

MOV A, #210

CLR C`

SUBB A, B

MOV B, #10 ；转换为BCD压缩码（因

DIV AB ；A内温度值小于100，故可

SWAP A ；用程序中的转换方法）

ADD A, B ；（A）=T

CJNE A, R7, CON ；与设定温度比较CON: JNC STOP

SETB P3.7 ；启动压缩机

SJMP TIMEEND

STOP: CLR P3.7 ；停止压缩机TIMEEND: POP A

RETI

END

完整程序清单如下：

ORG 0000H

SJMP MAIN

ORG 0003H

SJMP UP

ORG 000BH

AJMP TIME

ORG 0013H

SJMP DOWN

主程序：

ORG 0030H

MAIN: MOV

R7, #20H

ACALL DISPLAY

MOV TCON, #05H

MOV TMOD, #02H

MOV TH0, 0CEH

MOV TL0, 0CEH

SETB TR0

MOV IE, #87H

SJMP “$

温度设定中断子程序：

UP: PUSH A

CJNE R7, #30H, GOUP

SJMP UPEND

GOUP: MOV A, R7

ADD A, #01

DA A

MOV R7, A

ACALL DISPLAY

UPEND: POP A

RETI

温度设定中断子程序：

ORG 0060H

DOWN: PUSH A

CJNE R7, #10H, GODOWN

SJMP DOWNEND

GODOWN: MOV A, R7

CLR C

SUBB A, #01

JNB PSW.6, GOON

SUBB A, #06

GOON: MOV R7, A

ACALL DISPLAY

DOWNEND: POP A

RETI

显示子程序：

ORG 0075H

DISPLAY: MOV DPTR, #LEDTAB

MOV A, #0FH

ANL A, R7

MOVC A, @ DPTR+A

MOV P1, A

MOV A, #0F0H

ANL A, R7

SWAP A

MOV A, @DPTR+A

MOVC P2, A

RET

ORG 0090H

LEDTAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H

DB 92H,82H,0F8H,80H,90H

定时中断子程序：

ORG 0100H

TIME: PUSH A

SETB P3.1

SETB P3.0

MOV P0, #0FFH

MOV A, P0

MOV B, #10

MUL AB

MOV A, #210

CLR C`

SUBB A, B

MOV B, #10

DIV AB

SWAP A

ADD A, B

CJNE A, R7, CON

CON: JNC STOP

SETB P3.7

SJMP TIMEEND

STOP: CLR P3.7

TIMEEND: POP A

RETI

END

第三节总体方案示意图：

经过上所述，该制冷系统总体方案示意图如图１０所示：