温度控制毕业论文

家用空调智能温控系统设计与仿真

第一章 引言

（一）课题研究背景

随着科技的进步，社会的发展，以及温度传感器应用在各个领域，智能化已经成为现代温度测控系统发展的主要方向。空调家家户户都能用得到，随着时代的进步，现在的空调已经变得越来越智能化。到目前为止， 国内外各个公司开发的空调控制系统都已经摆脱了第一代、第二代的模拟化，都已经实现了数字化，也就是第三代智能化系统已经实现。这一代系统使用快捷、方便，所以许多工程上都应用了温度控制器。以单片机和温度传感器为基础完成了这个课题，这使我更加深入的把握了单片机的工作特点，还有体会到了理论知识和实践操作中的区别与联系，体会到了单片机应用非常的广泛。

（二）课题研究的目的和意义

社会在变革，时代在发展，温度测量及控制在时代的变革下也变得越来越重要。本设计通过单片机和温度传感器完成了温度控制系统。首先，温度传感器将室内温度收集起来，然后温度数据通过单片机显示在液晶屏LCD上，最后通过单片机的控制使温度保持在设定的范围内。所有的温度数据都要通过液晶显示器LCD完整的显示出来。相关的温度数据可以根据时钟存储。

通过该课程的学习使我对空调系统中计算机控制有一个全面的了解，掌握了简单的计算机控制系统软硬件的设计方法，还学会了软件操作的能力，进一步锻炼了我在嵌入式控制方面的实际工作能力。

（三）设计任务与要求

系统要求利用单片机设计一个智能空调温控系统，能够实时的检测并显示室内温度，能够利用键盘设置温度，并且和室内温度进行比较，当设定的温度高于室内温度时，系统能够自动驱动加热系统工作，使室内温度升高，当设定温度低

于室温时，系统能够驱动制冷系统工作，使室温降低，当两者的温度一样时，不做动作。

二、硬件电路设计

（一）系统设计的框架

我设计的本次系统大致框架如下图所示，它由八个模块组成，单片机是里面最主要的模块，它是这个系统的关键部分。

图1 系统设计框架

（二）单片机最小系统

每个系统都有它本身的核心器件，单片机作为本次设计最重要的器件，下面简单介绍一下它的基本结构和它的最小系统。它为51系列的8位单片机，它由微处理器、程序存储器、数据存储器、四个八位I/O口、计数器、看门狗定时器等等。好多器件都有自己的最小系统，单片机也不例外，它的最小系统也不是完全一样，下图就是我设计的一个基本的最小系统。

图2 单片机最小系统

（三）、单片机的选型

采用单片机STC89C52来完成本次的家用空调的智能温度控制系统，它的特点如下：

1、STC89C52单片机简介

目前，工业检测领域广泛的应用51系列单片机进行设备检测， STC89C52单片机为深圳宏晶科技有限公司生产的单片机，它也是51系列单片机，与C51单片机只有很小的区别，将微型计算机的各个组成部分集成到了一小块半导体硅片上。其中包括：片内振荡器；时钟产生电路；一个全双工UART串行I/O口；五个中断控制系统；两个定时器/记数器；四个并行I/O接口；4K片内程序存储器；一个数据存储器；一个8位的微型处理器CPU；内部总线。但是微调电容和石英晶体需要外接。最高的允许振荡频率是12MHZ。

2、单片机的发展历史

我把单片机的发展分为4个阶段，它们是：

第一阶段：单片机初级阶段，初级阶段的单片机功能还很简单。只能完成很少的功能。

第二阶段：低性能单片机阶段。低性能的单片机可以一次处理8位数据，这个阶段的单片机对单片机的改革与发展起到了一定的促进作用。

第三阶段：高性能的单片机阶段。

第四阶段：推出了16位的、32位的单片机，而且8位的单片机性能得到深度的完善。功能更加齐全。这个阶段的单片机可以完成工业控制的绝大部分的任务，推动了科技的飞速发展。

3、单片机的应用

单片机凭借着它重量轻、体积小，应用到嵌入式系统较容易的特点，得到

了特别广泛的应用。首先可以应用于大部分工业控制系统和检测系统中，可以实现智能控制和工业过程控制等一系列的控制；其次，还可以应用例如家用空调、电冰箱、电热水器等家用电器当中；再次，应用在通信领域，比如各类手机、传真机等；最后，应用在各大高科技领域，例如军事领域，参与导弹控制、各种雷达系统等；还可以用在医疗器械领域，比如智能血压计、普通CT仪等。可见，单片机给我们的生活带来了极大的便利，使我们的生活多姿多彩。 4、STC89C52单片机时序

STC89C52的一个机器周期由6个状态组成，分别是s1、s2、s3、s4、s5、s6,每个状态又持续2个（P1和P2）振荡周期。如果采用12MHz的晶体振荡器，那么每个机器周期为1us，在一般情况下，内部的寄存器到寄存器的传输一般发生在P2期间，而不是P1期间。

5、STC89C52单片机的引脚介绍

STC89C52单片机有40个引脚，有电源引脚端、时钟引脚、控制引脚、并行I/O口引脚等。这些引脚有的拥有双向功能，它们组合在一起，共同完成单片机大的强大功能。STC89C52单片机的封装有好多种，例如双列直插式、贴片式等。下图是它的一种最常见的封装。

图2.STC89C52单片机封装

下面叙述一下引脚的功能。 （1）电源引脚VCC和VSS VCC（40脚）：接+5V电源正端； VSS（20脚）：接+5V电源正端。 （2）外接晶振引脚XTAL2和XTAL1

XTAL1（19脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它为反相运算放大器一个输入端，当采用外部时钟时，对于不同的单片机此引脚又有不同的接法，如表1所示：

表1

HMOS单片机 CHOMS单片机

XTAL2（18脚）：采用外部时钟时，如下表所示：

表2

HMOS单片机 CHMOS单片机 外部振荡信号输入端 悬空不接 引脚接地 外部振荡信号输入端

而在单片机内部时，接到反相运算放大器输出端 （3）控制引脚

控制引脚有ALE/PROG、EA/VPP、RST/VPD和PSEN等4种形式。

（A）．RST/VPD（9脚）：复位，高电平有效，单片机的掉电保护或上电复位引脚。在它的上面加上2个周期的高电平，就会让它复位，它的内部各个部分都恢复到原位，就像长跑运动员都会到起点一样，程序就会从头开始执行，单片机内部全部清零。当正常的情况下，它为低电平。

如果由于某些原因是单片机正常供电的电源不能正常工作了，那么就有可能使存在随机存储器里的数据丢掉。VPD就是在单片机不能正常通电时，提供一个应急电源。接上VPD后，就可以保证随机存储器中的数据不会因断电而消失，保证了存储的安全性。

（B）．ALE/ PROG （30脚）：当访问外部存储器时（程序和数据存储器），它一个机器周期内两次把信号输出，来作为低8位锁存信号。

（C）．PSEN(29脚): 低电平有效，用来扩展外部存储器。扩展外部程序存储器时，由PSEN通知芯片，表示要从芯片中读取指令。对于内部存储器，PSEN无效，悬空。 （D）．EA/VPP（31脚）：EA为第一功能端，外部程序存储器能不能进行访问的控制端口。当EA端为高电平时，单片机会按着由内到外的顺序执行程序，先执行片内的程序指令，如果超出了片内的范围，就会执行片外存储器的程序指令，如果EA为0时，只执行外部存储器的程序指令，片内的不起作用。VPP作为此引脚的第二功能，对片内存储器进行编程时，该引脚接入编程电压 （4）输入/输出（I/O）引脚

(A).P0口（39脚～22脚）：由P0.0～P0.7 口组成，当它作为输入/输出接口使用时，要必须要加上拉电阻，才能正常工作。当接扩展I/O口时，P0口为地址总线和数据总线的分时间的复合使用的端口。

(B).P1口（1脚～8脚）：P1.0～P1.7口，有第一功能和第二功，在此就不赘述了。值得一提的是第二功能，一般只用P1.1和P1.0,而对于FLASH进行程序校验和编程时，可以用到P1.5、P1.6、P1.7。

(C).P2口（21脚～28脚）：P2.0～P2.7口，一般可用作准双向I/O口，不需要像P0口那样加上拉电阻，因为它内部自己具有电阻。

(D).P3口（10脚～17脚）：P3.0～P3.7口。它有两个功能，第一个功能和P2口完全一样，第二功能见下表

表3 P3口第二功能的定义 引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

综合上面所介绍的，可以归纳出下面两点：

1).它许多引脚基本上都具备第2功能，这样就简化了引脚。

2).它对外呈现3总线的形式，P0口作为数据总线，由P2、P1口作为地址总线。

第2功能 RXD（串行数据输入口） TXD（串行数据输出口） INT0（外部中断0输入） INT1（外部中断1输入） T0（计数器0外部计数的输入） T1（计数器1外部计数的输入） WR（外部RAM写选通输出） RD（外部RAM读选通输出） （四）温度传感器测量温度的原理及流程

斜坡累加器 预 置 计数比较器 低温度系数 振 荡 器 减法计数器 预 置 减到0 温度寄存器 高温度系数 振 荡 器 减法计数器 图3 测温原理内部装置

减到0 初始化 DS18B20 跳过ROM 匹配 温度变换 延时1S 数码管显示 转换成显示码 读暂存器 跳过ROM 匹配 图4 DS18B20测温流程

（五）温度传感器电路

DS18B20是美国的一家公司发明的，它是在模拟的基础上开发的数字温度传感器。它的集成度很高，本设计采用这个传感器有下面的原因：

（1）系统的特性：测温范围是-55℃～+125℃ ，测温的精度为士0.5℃；精度是9到12位，而且是可变的，并且能够二进制串行输出； 12位精度转换的最长时间是750ms；可以超低功耗的工作。

（2）系统复杂称度： 本设计采用的温度传感器是一个单总线形式的元器件，一条总线上可以接许多个传感器，接法十分方便，只连接单片机的一个引脚，测温时不需要任何的外部元器件。

（3）系统成本：体积特别小，而成本也非常低，只有十几块钱。所以它的应用特别广泛。

如下图所示，它的结构非常简单只有三个引脚：电源引脚VDD、数据传输端口DQ 、 GND。DS18B20有两种供电方式：数据线供电、外部供电。对于第一种供电方式，DS18B20总线的上拉电阻由单片机的任意一个I/O接口来完成。 本次设计我采用的是外部供电方式的温度传感器，它的原理图在下面，其中3脚接5V的电源，2脚接一个4.7V的上拉电阻，电阻另一端连接到3脚，并且接到单片机的P1.0口上，1脚则是接地就行。

图5 温度传感器接口

（六）系统电源电路的设计

选择LM2596来完成我本次设计的电源部分，它是属于降压型的，集成度也很高，输出电流3A，输入24V的电压,而输出只有5V,稳定性非常好，负载调节特性能力非常强，线性性能相对来说也是比较好的。

本器件有一些优点：在正常工作的情况下，振荡频率误差很小，它是小于±15%的，输出电压的误差在±4%以下；具有良好的自我保护电路，正常情况下， 80μA的待机电流，就可以完全达到从外部断电的效果，既方便又省电。 电源电路设计如下图10所示。

图6 系统电源模块

（七）LCD显示电路

下图是液晶显示屏LCD1602原理图，它的接法如下： 1脚VSS：电源地。 2脚VDD：电源正极。

3脚VO：液晶显示对比度调节端。 4脚RS：数据/命令选择端。 5脚RW：读写选择端。 6脚E：使能信号。

7~14脚D0~D7：数据口。

15脚：背光电源正极。 16脚：背光电源负极。

图7 液晶显示接口电路

（八）串口通讯电路

采用MAX232A作为转换芯片，来完成通讯电路，它与MAX232内部原理基本上是一样的，只是外接电容不同而已。它的主要特点是：

1、单5V电源工作。 2、 LinBiCMOSTM工艺技术。 3、 ±30V输入电平。

4、 两个驱动器、两个接收器。 5、低电源电流：典型值是8mA。

下图中，16脚接VCC,15脚接地，14脚接TXD,13脚接RXD, MAX232A外围接一些电容。接口电路如下图所示：

图8 串口通讯接口电路

（九）按键接口电路

本设计采用了四个键盘来实现功能，它们分别接到了单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口，另外都接有10K的上拉电阻，电阻的另一端接在一起接5V的电源。电路图如下图所示：

图8 键盘模块电路

（十）DS1302时钟电路

单片机的时钟电路如下图所示，它具有如下特点： 1、 2、 3、 4、

性能功高，功耗低。

带RAM的实时时钟电路。 工作电压为2.5V～5.5V。 与CPU同步通信。

它的接口原理图如下图9所示：

图9 时钟接口电路

（十一）存储器接口电路

采用AT24C256为存储器芯片，用它来完成存储器的电路，它的管脚说明如下表：

管脚名称 A0 A1 SDA SCL WP VCC VSS NC 下图就是它的电路图。

功能 地址输入 串行数据/地址 串行时钟 写保护 电源 接地 悬空，不连接

图10 存储器电路

三、系统软件设计用

主要用C语言来完成单片机编程的软件的设计，用它来实现所需的各种功能。主程序开始是先初始化，对单片机内部各个部分进行归位操作，然后，调用其他子程序完成整个系统的程序，实现要完成的功能。程序流程如图10所示。

初始化 开始 启动DS18B20 读温度 计算温度 LCD显示

图11系统程序流程图

（一）计算温度的子程序

本程序是读温度的程序。首先是开始，然后进行初始化，接着判断DS18B20是不是存在，如果存在执行ROM操作指令程序，还要执行存储器操作命令的程序，将数据存储在ROM中，最后，读取测量的温度值返回到主程序接着执行下面的程序。如果不存在，就说明温度传感器没有进行收集温度的操作，就直接返回到主程序。其程序流程图如图11所示。

图12读温度流程图

（二）按键处理子程序

按键处理子程序参数设置，它分两层分析，首先判断enter键是不是按下，如果没有按下，说明键盘没有输入，就返回主程序。如果判断按键真的按下了，就进行第二层指令的判断，看看enter_flag是不是1，如果是1的话，也要像上面那样返回主程序。如果不是1，则判断是否由enter按下，如果是，则会执行enter子程序flag=1，返回上一级程序；如果不是接着看是不是up和down按下，如果不是，顺序执行下面程序；最后通过display程序返回判断enter_flag是否为1的程序；如果按下了，都要通过自己下面的子程序返回到第二层的enter_flag是不是为1的程序，接着进行判断。它的程序流程框图如图12所示。

图12 温度转换流程图

（三）计算温度子程序

计算温度子程序主要负责将随机存储器中读取的值进行8421BCD码的转换运算，并判断是零上温度还是零下的温度。首先判断温度是零上还是零下，如果是零上的话，就要在温度数值的前面放上正号；接下来执行的是计算小数位温度

BCD值的指令，之后执行计算整数位温度BCD值的程序，最后结束程序。如果温度是零下的话，就将温度值进行补码运算并且在前面加负号，接下来和上面一样，执行计算小数位温度BCD值的指令，之后，执行计算整数位温度BCD值的程序，最后结束程序。它的程序流程图如图13所示。

计算小数位温度 BCD值 计算整数位温度 BCD值 结束 否 开始 温度零下? 是 温度值取补码置“—”标志 置“+”标志 图13 计算温度子程序

（四）显示数据是不是刷新子程序

本程序主要是对数据进行刷新操作。首先执行程序，将温度数据移入显示寄存器，接着判断十位是不是0，如果十位不是0，说明不用进位，所以数据不需要刷新，结束程序。如果十位是0，接下来判断百位是不是0，如果百位不是0，

则执行百位显示数据的程序，最后结束程序。当百位是0时，就说明数据需要更新，则执行十位数据显示符号百位不显示的程序。最后结束程序。完成数据的更新。程序流程图如图14。

结束 温度数据移入显示寄存器 否

十位数0？ 是 百位数0？ 是 十位数显示符号百位数不显示 百位数显示数据（不显示符号） 否 图14 数据刷新子程序

四、软件的应用

本次设计我采用的电脑软件有protel2004、proteus8、keil uv4来完成课题目标。protel2004主要来完成电路图的搭建，因为平时用的比较多，所以比较熟练。keil uv4用来完成C语言的编程，主要流程是创建工程—新建文件—添加已经创建的文件—写程序—程序编译—程序的调试。这里需要注意的是，一个总体的程序必须放在一个工程下面，否则的话会出现编译错误或者功能不能实现的问题。proteus8是比较先进的仿真软件，使用本软件时首先进行编辑环境和系统运行环境的设置。设置好各种环境后就可以进行所需要的虚拟仿真，实现功能，仿真步骤如下： 1、proteusISIS下的电路设计。

2、源程序生成目标代码文件（*.hex文件）。

3、调试与仿真。

五、结束语

基于单片机的C语言编程，灵活方便，我们可以根据设计的温度，升温、降温、制冷和制热。对周围温度做到实时地监控，方便进行及时的调整，这些用一个小小的遥控就可以实现，是不是很方便。

本系统的特点可以归纳如下：

1、随便设置一个参数就可以产生一个模拟温度，而且温度范围可以随便设定；

2、使用proteus和keil软件方便简单灵活，而且非常容易操作。对于设计现象的观察也是一目了然，非常清楚。

3、统计方便快捷，无需手动计算，系统自带的函数功能能很快计算出所需要的参数，比如最大值最小值和各温度所发生的时间。 4．非常易于观看实验效果，各个时刻的温度变化很容易显示出来，便于分析计算。

5、系统也可以自带的报警模块，会在当前温度高于设定的温度时发生告警；

6、控制方便，不用时轻轻按一下遥控器就可以完成关闭操作。 虽然在这次设计中，也遇到了一些困难，例如程序设计中出现了编程的错误、仿真的过程中出现现象错误等等，不过在老师的帮助下这些问题都得到了解决，锻炼了我坚强的意志。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/abh6.html