家用空調的單片機控制系統設計

黃浴梅

（新會岡州職業技術學校，廣東 江門 529000）

空調即空氣調節器（Household Air Conditioner），掛式空調是一種用于給空間區域（一般為）提供處理空氣的機組。其功能是對該房間（或封閉空間、區域）內空氣的溫度、濕度、潔凈度和空氣流速等參數進行調節，以滿足人體舒適或工藝過程的要求。而家用空調使用于小面積、居室少的環境。現在的家用電器，基本上都采用了單片機控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備等，家用空調也不例外。

單片機按其應用范圍，可分為通用型和專用型兩類。家用電器多采用專用型單片機，如日本NEC公司開發的7500系列和75X00系列4位單片機、美國國家半導體公司的COP400系列4位單片機，以及日本松下公司的MN1400系列、美國Zilog公司的Z8系列以及日本富士通公司的MB88系列等專用型單片機。家用電器所采用的通用型單片機，主要是Intel公司的MCS系列產品。

本設計是基于單片機家用空調控制系統，采用AT89C52單片機。該單片機主要完成溫度傳感器DS18B20信號的采集，HIH-3610濕度傳感器配合ADC0809作為系統濕度采集，進行智能控溫等功能。并通過軟件編程實現預定功能。

1 總體設計方案

1.1 設計的目標

家用空調單片機控制系統，主要由單片機、溫度控制電路、液晶顯示屏電路等構成，其控制核心是AT89C52單片機。單片機外圍電路，主要由復位電路、晶振電路、報警電路等組成。該單片機主要完成溫度傳感器DS18B20信號的采集，HIH-3610濕度傳感器配合ADC0809作為系統濕度采集，控制溫度、濕度等功能，并通過軟件編程實現預定功能。

1.2 組成結構

設計以單片機AT89S52為核心，通過一片AT89S52單片機控制系統的負載工作，適合于在一定溫度需求的的環境下工作，系統中應用到了繼電器，可以通過以單片機為主的弱電系統，來控制與繼電器相連的強電系統，從而保障強電系統控制的安全性（家用空調單片機控制原理框圖如圖1所示）。

圖1 家用空調單片機控制原理框圖

系統的溫度采集，利用溫度傳感器DS18b20采集數據送給單片機，單片機將采集的數據送給液晶LCD1602顯示和了解當前的溫度條件，系統正常工作時設定了一個溫度范圍16～30℃，如果采集的溫度在這個設定范圍內，則單片機控制繼電器閉合，與繼電器相連的電機電路開路，則與繼電器相連的電機不工作；如果采集的溫度不在設定的溫度范圍內，則說明環境溫度條件不滿足需求，這時單片機控制一個揚聲器發出警報，并且控制繼電器使其閉合電機電路，那么與繼電器相連的電機閉合而開始工作；當采取措施環境溫度變化到設定范圍時，揚聲器停止警報，繼電器斷開，電機電路開路，電機系統不工作，從而達到一個自動控制的作用。

整個系統形成一個閉環溫度值，系統變化參數為溫度的值，電機的工作取決于環境溫度的變化，通過單片機系統控制與繼電器相連的電機系統，操作簡單，也可以用鍵盤調節適合的溫度范圍，可以應用于一定溫度要求下環境，比如家庭環境或者溫室系統等。

2 硬件結構設計

硬件系統分為7個模塊：單片機系統模塊，液晶顯示LCD模塊，溫度系統模塊，濕度系統模塊，數據A/D轉換模塊，繼電器系統模塊，報警系統模塊，電源模塊。

2.1 主控制系統模塊

（1）主控系統采用單片機控制（電路如圖2所示）。單片機選用的是ATMEL公司的AT89S52的8位單片機。AT89S52是美國ATMEL公司生產的低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。

圖2 單片機電路

使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應用系統中得到廣泛應用。

（2）AT89S52單片機的外圍電路。

其一，時鐘電路（如圖3）。單片機內部有一個高增益反向放大器，輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。而在芯片內部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調電容，從而構成一個穩定的自激振蕩器。晶體震蕩頻率高，則系統的時鐘頻率也高，單片機運行速度也就快；但反過來運行速度快，對存儲器的速度要求就高，對印制電路板的工藝要求也高，所以，這里使用震蕩頻率為6 MHz的石英晶體。

圖3 時鐘電路

震蕩電路產生的震蕩脈沖，并不直接是使用，而是經分頻后再為系統所用，震蕩脈沖經過二分頻后，才作為系統的時鐘信號。在設計電路板時，振蕩器和電容應盡量靠近單片機以避免干擾。

其二，復位電路。單片機的復位電路（見圖4），分上電復位和按鍵復位兩種方式。

圖4 復位電路

上電復位，是指在加電之后通過外部復位電路的電容充電來實現的。當Vcc的上升時間不超過1ms，就可以實現自動上電復位，即接通電源就完成了系統的初始化電路原理圖。RST上的電壓，必須保證在斯密特觸發器的閥值電壓以上足夠長時間，滿足復位操作的要求。

按鍵復位是指程序運行出錯或操作錯誤，使系統處于死鎖狀態時，為了擺脫困境，也需按復位鍵以重新啟動。RST引腳是復位信號的輸入端，復位信號是高電平有效。按鍵復位又分按鍵脈沖復位和按鍵電平復位。電平復位將復位端通過電阻與CCV相連，按鍵脈沖復位是利用RC分電路產生正脈沖來達到復位的。

其三，有關注意事項：因為按鍵脈沖復位是利用RC微分電路產生正脈沖來達到復位的，所以電平復位要將復位端通過電阻與相連。如復位電路中R、C的值選擇不當，使復位時間過長，單片機將處于循環復位狀態，故本設計采用按鍵復位。

2.2 輸入部分

（1）溫度傳感器模塊。系統采用DALLAS公司生產的單總線芯片DS18B20采集環境溫度，DS18B20的管腳說明如圖5所示3個管腳分別為地線、信號線和電源線。

圖5 DS18B20的管腳說明

DS18B20繼承了DS1820的全部優點，并做了如下改進：

一是供電范圍擴大為3.0～5.5 V。

二是溫度分辨力可編程。

三是轉換速率有很大提高。

四是內部存儲器映射關系發生變化。

五是具有電源反接保護電路。

六是體積減小一半。對我們使用來說最大的不同，就是DS18B20可以程序設定9～12位的分辨率數字值，而DS1820為固定的9位數字值，且溫度轉換時的延時時間由2 s減為750 ms。

（2）濕度傳感器模塊。設計中采用相對濕度傳感器HIH-3610。HIH-3610是美國Honeywell公司生產的相對濕度傳感器，該傳感器采用熱固聚酯電容式傳感頭，同時在內部集成了信號處理功能電路，因此該傳感器可完成將相對濕度值變換成電容值，再將電容值轉換成線性電壓輸出的任務，同時該傳感器還具有精度高、響應快速、高穩定性、低溫漂、抗化學腐蝕性能強及互換性好等優點。

（3）鍵盤的設計。鍵盤采用4×3的行列式鍵盤，又叫矩陣式鍵盤。用I/O口線組成行、列結構，按鍵設置在行列的交點上。4×3的行列結構可組成12個鍵的鍵盤。因此，在按鍵數量較多時，可以節省I/O口線。本例中還有3個獨立按鍵。

行列式鍵盤和獨立按鍵的接口方法，直接接口于單片機的P1口上，如圖6所示。

圖6 行列式鍵盤和獨立鍵盤的接口

其中S0-S9為數字鍵輸入，S10和S11為加減鍵。最下面3個為獨立按鍵。

2.3 輸出部分

（1）報警模塊。系統設定有一定的溫度范圍。當系統檢測到的溫度不在預設的范圍時，則需要發出警報，警報系統由PNP三極管和揚聲器組成。

雖然揚聲器的控制和LED的控制對于單片機是一樣的，但是在外圍硬件電路上卻有所不同，因為揚聲器是一個感性負載，一般不建議用單片機的I/O口直接對它進行操作，所以最好加一個驅動三極管，在要求較高的場合還會加上反相保護二極管，在本例中對揚聲器的要求并不高，所以沒有加反相的二極管保護，硬件電路原理圖如圖7所示。

圖7 報警電路

（2）繼電器模塊。在各種自動控制設備中，都存在一個低壓的自動控制電路與高壓電氣電路的互相連接問題，一方面要使低壓的電子電路的控制信號能夠控制高壓電氣電路的執行元件，如電動機、電磁鐵、電燈等；另一方面又要為電子線路的電氣電路提供良好的電隔離，以保護電子電路和人身的安全，電磁式繼電器便能完成這一橋梁作用。電磁繼電器是在輸入電路內電流的作用下，由機械部件的相對運動產生預定響應的一種繼電器。

在系統中，采用NPN三極管驅動繼電器，并且帶有一壓縮機工作指示燈D2，繼電器模塊的電路圖如圖8所示。

圖8 繼電器模塊的電路

（3）LCD1602液晶顯示。液晶顯示（LCD）是單片機應用系統的一種常用人機接口形式，其優點是體積小、凈質量小、功耗低。目前市場上的液晶顯示器主要有字段式、點陣字符式和點陣圖形式三大類。本系統就應用了單片機應用系統中廣泛使用的點陣字符式液晶顯示模塊LCD1602。

3 軟件設計

3.1 Keil軟件的使用

Keil軟件是目最流行開發80C51系列單片機的軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（μVision）將這些部份組合在一起。

3.2 系統軟件設計框圖

如圖9所示，根據設計要求，首先要確定軟件設計方案，即確定該軟件應該完成那些功能；其次是規劃為了完成這些功能需要分成多少個功能模塊，以及每一個程序模塊的具體任務是什么。

圖9 系統軟件設計框圖

3.3 主程序和子程序流程圖設計

（1）主程序流程圖。軟件程序設計流程順序為：開始，LCD初始化，溫度傳感器初始化，啟動溫度轉換并顯示，溫度是否超過預設范圍，超過預設范圍則發出警報且繼電器斷開，不超過預設范圍則停止警報且繼電器閉合，延時之后返回到程序初始化，詳細流程如圖10。

圖10 主程序設計框圖

（2）液晶1602流程圖（如圖11）。

圖11 顯示程序設計框圖

（3）溫度采集程序流程圖（如圖12所示）。

圖12 溫度轉換子程序設計框圖

（4）濕度采集程序流程圖（如圖13）。

圖13 濕度采集程序流程圖

（5）鍵盤處理子程序流程圖（如圖14）。

圖14 鍵盤處理子程序設計框圖

4 調試與部分仿真分析

4.1 硬件調試

硬件調試比較簡單，先檢查開發板及連接的品質情況，在檢查無誤后可通電檢查。實驗室制作時，可結合示波器測試晶振及P0、P1、P2端口的波形情況，進行綜合硬件測試分析。相關部分并不會產生干擾源對其他部分造成干擾。還要對其安全性、穩定性進行測試。

圖15 RZ-51V2.0開發板實物圖

圖15 的說明：硬件主要是以51單片機開發板為實驗基礎，單片機用AT89S52主控，溫度感應器DS18B20測溫，LCD1602顯示溫度，繼電器控制電機工作。當采集的溫度超過系統設定的溫度范圍時，單片機控制揚聲器發出警報，并控制繼電器開關斷開，電機停止工作，當溫度回到正常預設的溫度范圍時，警報停止，并且繼電器閉合，電機正常工作，從而達到自動控制的效果。

4.2 軟件調試

設計使用的是Proteus軟件進行單片機系統部分仿真設計（如圖16），將仿真器接入硬件電路中。如果電路工作不正常，那么將程序設置幾個斷點，并單步運行程序，找出程序的錯誤及時更正。

圖16的說明：

（1）從圖中的LCD上，可以看到當前溫度值為90.6℃，不在預設的溫度范圍（0～50℃）內，則繼電器斷開，負載工作指示燈D2滅，繼電器右邊的工作負載燈泡L1滅，揚聲器發警報。

（2）從圖中的LCD上，可以看到當前溫度值為90.6℃，在預設的溫度范圍（0～100℃）內，則繼電器閉合，負載工作指示燈D2亮，繼電器右邊的工作負載燈泡L1亮。

通過調試，軟件系統基本能達到預定效果。

圖16 Proteus仿真

4.3 性能分析

DS18B20溫度傳感器的精度很高，所以誤差指標可以限制在±0.5℃以內，可以精確地把室內的溫度控制在設定的溫度范圍內。

5 結束語

本設計主要介紹了利用AT89S52單片機對溫度系統的控制，系統硬件主要由單片機系統模塊、溫度采集電路（DS18B20）、按鍵、顯示電路、控制電路及其他輔助電路等部分組成；軟件采用80C51語言編程；該系統可以完成溫度的顯示、溫度的設定、空調的控制及限溫報警等多項功能，在現代生產生活中具有極高的應用價值。

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