空调过程控制系统设计.docx

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1、1设计任务描述1.l设计主要内容及要求：设计一个空调控制器.能利用单片机等原理部件模拟温度的调控和显示等功能，空调器是能控制风机和压缩机同时工作产生调节温度的原理。硬件要求能有电路原理图及各部件完整的实物分析等，要对空调机有完整的了解。才能达到此次设计任务的效果.要求：1）硬件电路设计，包括原理图和PCB板图.2）控制器软件设计.3）要求能够设定温度、测量温度、显示温度、制冷控制以及风机控制。2设计思路2.1 系统总体结构的设计可以说空调控制器是围绕着一个核心部件来架设外围部件的设备,在这里核心部件是大多数厂家都会选用的单片机，因为现在的单片机拥有很高的集成设备,包含了大量的存储器和虚拟存储等

2、，而且键盘输入及显示都是在内部集成的省却了扩展外围设备的麻烦，这样更能有利于我们着手于功能设置。系统的设计出空调器的原理和注意事项，能方便的使用空调器来完成我们所想达到的目的，对于一般的空调器来说能自动的调节温度的变化范围,可以说这是一种恒温的效果，但是毕竟我们模拟的设备部能像真实的一样细致。所以我采用灯和电机等代替采集和设定的比较结果,能很好的显示和明显的完成任务。2.2 环节设计、部件选择及参数计算无疑对于空调器的设计来说，要能人工智能的操作其能控制温度的调节和设定温度的比较是一个较大的难题，因为往往我们所用的都是十进制数即所说的阿拉伯数字,但是像单片机这种高级的工具设备是不能识别的，它只

3、能识别机器码也就是术语说的机器语言，这就为我们采集温度带来了一个很大的难题。对于我所采集的温度值来讲，把每个温度值分为16等份，在每一等份之间我人为的规定每跳变一个数字度即比较一次，当然采集的都是模拟信号这样的话单片机是不能用于比较的,所以接入单片机之前用A/D转换器把数据转换成数字量，这样通过单片机本身的比较器就能计算出设定值和采集值的判定工作模式和是否应该工作电机和风机及压缩机等外部设备。主要的步骤包括转换十进制数和十六进制数,这其中有一种方法叫按位加权累加和法,即当你把十进制数分别存储在两个存储单元中，即按十位和个位的排法，把个位的数值乘以16的零次方,并且存储在原位，这时可以用另一个单

4、元的数乘以16的一次方这样循环使用把两者的数值相加,即能完成一个数的十进制和十六进制的转化.这样当你的键盘有输入值的时候，每一个键值会自动转化为每个存储单元供显示作用。2o3各部分部件选择温度采集电路中所选用的传感器是热电偶，因为它测量精度高，而且输出的是电压信号，与摄氏温度成正比，同时又能够直接与单片机的A/D直接相连，使用方便,便于处理.温度的采集是通过热电偶的温度采集电路，将温度转化成模拟电压进行输出,作为输入信号送给单片机，单片机的A/D最高输入电压为，对应于十二位A/D转换器的最大值FFFH,根据其对应关系得到A/D转换后的值,存入固定的存储单元中准备与温度设定值进行比较.在比较之前

5、需要按照一定的比例值进行转换,这个比例值近似的取为16倍,得到一个新的十六进制数,由于选用的传感器每摄氏度对应O0OlV,经过模数转换后得到每摄氏度对应08H,再通过判断查表即可得到温度的十六进制数,再存到相应的单元中与设定值进行比较,当温度高于设定值时进行制冷，温度低于设定值时加热，只有温度处于人体适宜温度提示灯才不会亮。温度设定是通过键盘输入来完成的，再通过查表得到可以进行比较的数，存入相应的存储单元，进行显示。2.4 总体功能解析它主要完成的功能就是可以设定温度，实时采集温度并在LED上显示设定温度和当前温度。我设计的空调控制器硬件部分主要有温度采集传感器应用电路、制冷电路、加热电路、指

6、示灯电路、C8051F020单片机,以及单片机的复位和晶振电路。2.5 设计方框图图2。1空调控制器框图图2。2空调控制器程序流程图3各部分硬件电路设计及参数计算3o1电源电路设计图3。1电源电路单片机所采用的电源是3。3V,还有复位电路和其他电路也需要直流电源，而家用电是交流220V,所以需要进行整流、滤波.需要将输入为5V9V的电压值稳压到3.3V需要使用两块LM7805和1117稳压芯片。其中LM7805的作用是将输入为5V9V的电压稳压为5V,满足1117稳压芯片的工作电压(5V),经过1117稳压芯片后其输出的电压为所需的3.3V电压。1.M7805系列为3端正稳压电路,TO220封

7、装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达IAo虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。主要特点：(1)输出电流可达IA(2)输出电压有：5V(3)过热保护(4)短路保护(5)输出晶体管SOA保护3c2单片机电路单片机正常工作时，除了要加恒压电源外，还需要设计复位电路和晶振电路，我所设计的复位电路既可以上电复位，又可以在单片机非正常工作时进行手动复位，晶振采用的是12MHZ外部晶振。通电时，电容进行充电，电路导通，充电结束后，复位结束，充电时间决定复位时间.工作过程中,当按下复位键后,电路导通,按键时间决定了复位时间。电

8、路中电容的作用是抑制干扰从复位端进入。器件内还集成了外部振荡器驱动电路,允许使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟.复位电路和晶振电路图如下所示：图3.2单片机复位及晶振电路3.3键盘和显示电路PB和PC是8255两个八位带锁存的输入口，可实现输出数据锁存。PB口的端口地址为8001H,PC口的端口地址为8002H。PA口未用。用PB作六个数码管的位选。用8708作显示器的位选驱动。PC作字型码锁存。8255控制字的端口地址是8003Ho8078作数码管字型显示驱动。六位数码管采用共阴极方式。键盘及显示电路如下图所示：图3。3键盘输入电路图3。4输出显示电路8255扩展接口是

9、由高八位地址(A8A15)通过74LS138译码产生的。PA,PBzPC口和8255控制口的地址分别是8000Hz8001H,8002H和8003H,它们由低位地址AO和Al区别。低位地址AO和Al从低位地址锁存器74LS138的输出端引出。3o4温度传感器的选择本系统采用银铭一银硅热电偶作为温度传感器,由热电偶的特性可知，进入放大器的电压信号实为热电偶冷热端温差引起的热电势信号，冷端处于设定温度，热端处于外界室温，单片机的A/D通道可以直接采集热电偶信号，经冷端温度补偿后，在查K分度表则可以得到热端温度值，室温的测量可以经过热电阻式传感器变化为电压信号，经放大后直接送给单片机的A/D通道，单

10、片机程序自动完成热电偶信号的采集和冷端信号采集，计算出实际的温度，从而控制控制空调的外部设备工作。图3。5传感器采集电路3.5外围部件的选择在单片机的程序中需要设定适宜温度的范围，当从传感器接受的温度电压信号经过模数转换后,室内温度高于或者低于设定的范围，那么指示灯亮，通过编写单片机的I/O输出来控制指示信号的发出。当采集温度高于设定温度时，需进行制冷，通过程序的设计启动风机；当采集温度低于设定温度需利用电机进行加热.图3.6外部工作灯电路由于二极管所能承受的最大电流为,而电源电压为5V,所以应串接一个电阻,其阻值最小为：4主要元器件介绍401热电偶传感器银铭温度传感器是一种电压输出型精密温度

11、传感器。它工作类似于齐纳二极管，其反向击穿电压随绝缘温度以的比例变化。该器件在工作电流为范围内的动态电阻小于，当对它在校准后,它在范围内具有小于的典型误差。热电偶可应用于范围在内的任何形式的温度检测，它的低阻抗和线性输出使得其读出和控制接口电路非常简单。热电偶测温范围分别为。其短时间使用测温上限可扩宽至。主要特点：(1)在绝对温度下直接校准。(2)1团的初始精度。工作于400uA5mA电流范围.(4)低于IQ的动态阻抗。(5)容易校准。(6) -40+100团宽工作温度范围。4.28255扩展芯片8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口.具有3个通道3种工

12、作方式的可编程并行接口芯片(40引脚).其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强.8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口.由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。主要特点：8255管脚特性如下：(1) 一个并行输入/输出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作为CPU总线与外围的接口.(2)具有24个可编程设置的I/O口,即3组8位的I/O口为PA口,PB口和P

13、C口。它们又可分为两组12位的I/O口,A组包括A口及C口(高4位，PC4PC7),B组包括B口及C口(低4位,PC0PC3)0A组可设置为基本的I/O口，闪控(STROBE)的I/O闪控式，双向1/03种模式;B组只能设置为基本I/O或闪控式I/O两种模式,而这些操作模式完全由控制寄存器的控制字决定.引脚功能：(2) RESET:复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器(包括控制寄存器)均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。(3) CS：芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时，即/CS=O时,表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯；/CS=I时,8255无法与CPU做数据

14、传输.(4) RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时，即/RD=O且/CS=O时,允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息,即CPU从8255读取信息或数据。(5) WR：写入信号，当这个输入引脚为低电平时,即/WR=O且/CS=O时，允许CPU将数据或控制字写入8255O(5)D0D7:三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU执行输入输出指令时,通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。(6) PAoPA7：端口A输入输出线,一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，个8位的数据输入锁存器.(7) PB0PB7:端口B输入输出线，一个8位的I/

15、O锁存器，一个8位的输入输出缓冲器。(8) PC0PC7:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。(9) AO,Al:地址选择线,用来选择8255的PA口，PB口，PC口和控制寄存器.当Ao=O,Al=O时，PA口被选择；A0=0,AI=I时，PB口被选择；当AO=1,Al=O时，PC口被选择;当AO=1。AI=I时，控制寄存器被选择。403C8051F020系列单片机本系统的核心控制部件采用Silicon

16、Laboratories公司生产的C8051F020单片机作为控制器。C8051F系列单片机是集成的混合信号片上系统(SoC),具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成的数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。C8051F系列单片机的功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC,电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBusl2CUART.SPL可编程计数器/定时器阵列(PCA)、定时器、数字I/O端口、电源监视器、看门狗定时器WDT和时钟振荡器等。C8051F020单片机是C8051F系列中一个比较有代表性的型号,该器件是完全集成的混合信号