以單片機(jī)為核心的空調(diào)溫度控制單元設(shè)計(jì)

崔作慶

肇慶市技師學(xué)院

以單片機(jī)為核心的空調(diào)溫度控制單元設(shè)計(jì)

崔作慶

肇慶市技師學(xué)院

崔作慶，肇慶市技師學(xué)院，學(xué)歷：本科，職稱：空調(diào)與制冷工程師。

本文是以單片機(jī)為核心的溫控單元的設(shè)計(jì)制作過(guò)程。溫差≤1℃，液晶顯示溫度。該設(shè)計(jì)用溫度傳感器AD590準(zhǔn)確測(cè)量溫度，運(yùn)算放大器OP07把放大的溫度-電壓信號(hào)送入ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再把數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)，由單片機(jī)比較實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定溫度，最后控制空調(diào)機(jī)工作。

概述

課題的意義

空調(diào)機(jī)是對(duì)空氣的溫度、濕度、潔凈度和空氣流動(dòng)速度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足人體舒適性或生產(chǎn)工藝性的要求。溫度是“四度”中最重要的一個(gè)參數(shù)，而溫度控制是否準(zhǔn)確，是影響空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行好壞的一個(gè)重要因素。

高精度溫控就是把溫度控制得更加精準(zhǔn)，更好地滿足舒適性，特別是工藝性空調(diào)的要求。例如菌種的培養(yǎng)車間、藥廠的車間、高精度實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)合都需要有精準(zhǔn)的溫度控制。而一般空調(diào)機(jī)的溫控在2～3℃左右，誤差較大。

要做到對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制，首先就需要非常靈敏的溫度測(cè)量裝置進(jìn)行檢測(cè)，將準(zhǔn)確的采集信號(hào)通過(guò)高靈敏度的溫度傳感器送到微處理器，用微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)機(jī)的高精度溫度控制，這樣才能滿足高精度的要求。單片機(jī)系統(tǒng)有體積小、性價(jià)比高、指令豐富、控制靈活、外圍接口部件多等優(yōu)點(diǎn)，其在溫控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

本課題的工作

本文針對(duì)單片機(jī)對(duì)溫控系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，主要在以下三個(gè)方面：①以低成本為核心的總體設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)的組成及工作原理。②系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。③系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

硬件

總體設(shè)計(jì)

選用89S51單片機(jī)為中央處理器，用高精度的溫度傳感器AD590實(shí)時(shí)精確測(cè)量溫度，用運(yùn)算放大器OP07放大溫度-電壓信號(hào)， ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳給單片機(jī)，由單片機(jī)控制液晶顯示器，并與設(shè)定溫度比較，最后對(duì)空調(diào)機(jī)發(fā)出信號(hào)指令，控制空調(diào)機(jī)的運(yùn)行。

溫度傳感器AD590具有較高精度和重復(fù)性。超低溫漂移精度運(yùn)算放大器OP07放大溫度-電壓信號(hào)，便于A/D轉(zhuǎn)換，以提高溫度采集電路的可靠性。

ADC0809是一個(gè)8路8位逐次逼近的A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs。在CPU啟動(dòng)A/D命令發(fā)出后，執(zhí)行一個(gè)固定的延時(shí)程序，讀入數(shù)據(jù)指令，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

液晶顯示模塊是將液晶顯示器件與控制、驅(qū)動(dòng)電路和PCB板裝配在一起的組件，可以直接與單片機(jī)連接。

總體方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其技術(shù)路線為：用按鈕輸入標(biāo)準(zhǔn)溫度值，用LCD實(shí)時(shí)顯示空氣溫度，用驅(qū)動(dòng)電路控制壓縮機(jī)完成制冷機(jī)的運(yùn)行，用匯編語(yǔ)言完成軟件編程。

溫度采樣電路

AD590是一種半導(dǎo)體集成電路。該傳感器的線性度好，精度適中，靈敏度高，體積小，使用方便，因此常用于測(cè)量和熱電偶的冷端補(bǔ)償。溫度采集系統(tǒng)主要由AD590、OP07、IN4732組成。

A/D轉(zhuǎn)換電路

由信號(hào)處理電路輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)，必須轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，才能被單片機(jī)處理，它是模擬系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的接口部件。

本系統(tǒng)采用ADC0809大規(guī)模集成電路芯片，是一種具有8路模擬量輸入的8位A/D轉(zhuǎn)換器，采用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，輸出的數(shù)字信號(hào)有三態(tài)緩沖器，可以和單片機(jī)直接接口。ADC0809由一個(gè)8路模擬開(kāi)關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。

圖1　總體結(jié)構(gòu)框圖

單片機(jī)的選擇

本系統(tǒng)控制程序簡(jiǎn)單，盡量采用整型運(yùn)算，盡可能避免浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，故運(yùn)算量小，故一般的51 單片機(jī)都可滿足要求。選擇時(shí)考慮了以下因素：①單片機(jī)應(yīng)有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，避免擴(kuò)展造成系統(tǒng)復(fù)雜，增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。②因需要調(diào)試軟件，故單片機(jī)內(nèi)存應(yīng)可以多次擦寫(xiě)。③程序中使用了外部中斷0 和時(shí)間中斷T0，所選單片機(jī)應(yīng)該有兩個(gè)以上中斷源。④程序算法簡(jiǎn)單，單片機(jī)應(yīng)支持MCS-51 系列通用匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，以利于軟硬件的結(jié)合。

ADC0809片內(nèi)無(wú)時(shí)鐘，故利用8051提供的地址鎖存使能信號(hào)ALE經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后獲得時(shí)鐘。ALE信號(hào)的頻率是單片機(jī)時(shí)鐘頻率的六分之一，如果時(shí)鐘頻率為6MHz，則ALE信號(hào)的頻率為1MHz，經(jīng)二分頻后為500KHz，與ADC0809時(shí)鐘頻率吻合。ADC0809具有三態(tài)輸出鎖存器，故其數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連。地址碼引腳ADD A～C分別與地址總線的低三位A0、A1、A2相連，以選通IN0～I(xiàn)N7中的一個(gè)通道。采用單片機(jī)的P2.7（地址總線最高位A15）作為A/D的片選信號(hào)，并將A/D轉(zhuǎn)換的ALE和START腳相連，以實(shí)現(xiàn)在鎖存通道地址的同時(shí)啟動(dòng)ADC0809轉(zhuǎn)換。啟動(dòng)信號(hào)由單片機(jī)的寫(xiě)信號(hào)和P2.7經(jīng)或非門(mén)而產(chǎn)生。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用單片機(jī)的讀信號(hào)和P2.7經(jīng)或非門(mén)加工得到的正脈沖作為OE信號(hào)去打開(kāi)三態(tài)輸出鎖存器。編寫(xiě)的軟件按下列順序動(dòng)作：令P2.7=A15=0，并用A0、A1、A2的組合指定模擬通道的地址；執(zhí)行一條輸出指令，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；然后根據(jù)所選用的是查詢、中斷、等待延時(shí)三種方式之一的條件去執(zhí)行一條指令，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

數(shù)字顯示部分

顯示模塊的選擇

液晶顯示器以其電壓低、體積小、功耗少等特點(diǎn)，在便攜儀表和低功耗系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越多。液晶顯示模塊是將液晶顯示器與控制、驅(qū)動(dòng)電路和PCB板裝配在一起的組件，帶有串行接口或并行接口，可以直接與單片機(jī)連接。

點(diǎn)陣字符型液晶顯示模塊是由點(diǎn)陣字符液晶顯示器和專用的行、列驅(qū)動(dòng)器、控制器及必要的連接件、結(jié)構(gòu)件裝配而成，可以顯示數(shù)字和西文字符。選用此模塊。

LCD1602簡(jiǎn)介

LCD1602可顯示2行16個(gè)字符，有8位數(shù)據(jù)總線。有D0-D7，和RS、R/W、EN三個(gè)控制端口，工作電壓為5V，并且?guī)в凶址麑?duì)比度調(diào)節(jié)。其應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)。

驅(qū)動(dòng)控制電路

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)采用發(fā)光二極管代表加熱或制冷。

鍵盤(pán)電路

選用獨(dú)立式按鍵接口。這種方式各種按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵接一根輸入線。其工作狀態(tài)不影響其他輸入線。軟件設(shè)計(jì)選用查詢方式和外部中斷相結(jié)合的方法來(lái)設(shè)計(jì)。按鍵直接與89S51的I/O口線相連接，通過(guò)讀I/O口，判定各I/O口的電平狀態(tài)，即可識(shí)別出按下的按鍵。

溫度控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

主程序模塊

主程序模塊主要完成控制系統(tǒng)各部件的初始化和實(shí)現(xiàn)各功能子程序的調(diào)用，以及測(cè)量中各功能模塊的協(xié)調(diào)在無(wú)外部中斷申請(qǐng)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)循環(huán)對(duì)外部溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。本設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖2所示。

系統(tǒng)程序啟動(dòng)后，先清理系統(tǒng)內(nèi)存，然后采集溫度，A/D轉(zhuǎn)換后，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，再由單片機(jī)控制顯示設(shè)備，然后系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待鍵盤(pán)輸入設(shè)定溫度，然后系統(tǒng)將設(shè)定溫度與現(xiàn)在的溫度進(jìn)行比較，得出結(jié)果后，控制空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行。

A/D轉(zhuǎn)換子程序

89S51給出一個(gè)脈沖信號(hào)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后，ADC0809對(duì)接收到的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在預(yù)先設(shè)定的延時(shí)后，89S51直接從ADC0809中讀取數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)仿真及測(cè)試

仿真

通過(guò)ISIS軟件，進(jìn)行仿真。分別調(diào)整溫度上升到35℃和下降到-10℃。軟件測(cè)試：測(cè)試使用偉福（WAVE）6000仿真器。通過(guò)測(cè)試，達(dá)到控制要求。

圖2　主程序流程圖

系統(tǒng)調(diào)試

靜態(tài)測(cè)試

在不通電源，不插器件的情況下，用萬(wàn)用表×100Ω擋按圖紙的接線點(diǎn)檢測(cè)電阻。最后測(cè)量電源正、負(fù)極入口處電阻，不應(yīng)有短路現(xiàn)象。

通電測(cè)量

不插器件，用萬(wàn)用表×10V擋檢測(cè)電路電壓。只有與電源端相連或有關(guān)分壓端的引腳才有電壓，其他引腳都不應(yīng)有電壓。檢測(cè)電位器上的分壓電源，調(diào)整到所規(guī)定的電壓值。

動(dòng)態(tài)測(cè)試

所有器件插好通電，觀察幾秒，如果有異?，F(xiàn)象，立即斷電，查明原因并改正。

聯(lián)機(jī)統(tǒng)調(diào)

將程序?qū)懭隦OM，通電調(diào)試。用鍵盤(pán)輸入目標(biāo)溫度值，檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào)是否正確。連接空調(diào)機(jī)，調(diào)整溫度設(shè)定。觀察到標(biāo)準(zhǔn)溫差≤1℃，并能根據(jù)設(shè)定的溫度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加熱或降溫處理。

總結(jié)

在制作過(guò)程中，一定要認(rèn)真檢查每個(gè)步驟。若在合理布線，裝配無(wú)誤時(shí)還出現(xiàn)電路無(wú)輸出的情況，那就是原理圖錯(cuò)誤，就要檢查原理圖。總的檢查順序是原理圖、PCB圖、裝配情況、焊接工藝。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.032