空调温度控制器的设计

目录
1前言 (1)
2方案设计 (6)
2.1 硬件单元方案设计与选择 (8)
2.1.1．温度传感部分 (8)
2.1.2．数字显示部分 (9)
2.1.3．加热降温驱动控制电路 (9)
2.1.4. 键盘输入部分 (10)
2.2总体方案设计和选择 (6)
2.2.1 总体方案选择 (6)
2.2.2 总体方案论证 (7)
2.2.3 总体方案选择 (8)
3单元模块设计 (12)
3.1元模块功能介绍及电路设计 (12)
3.1.1. LED显示电路 (13)
3.1.2. 键盘设置电路 (15)
3.1.3 温度采集电路 (12)
3.1.4 复位电路 (16)
3.1.5 外部晶振电路 (17)
3.1.6 电源部分 (18)
3.1.7 驱动控制电路 (21)
3.2电路参数的计算及元器件的选择 (22)
3.2.1 T89C51简介 (22)
3.2.2 译码器CD4511 (25)
3.2.3上拉电阻 (28)
3.3特殊器件的介绍 (29)
3.3.1 传感器的介绍 (29)
3.3.2 光电耦合器 (35)
3.3.3 继电器简介 (38)
4软件设计 (39)
4.1说明软件设计原理及设计所用工具 (39)
4.2部分程序的流程图 (40)
4.2.1主程序流程图 (40)
4.2.2 DS18B20的温度采样程序流程图 (41)
4.2.3 LED显示部分程序流程图 (42)
5结论 (44)
6总结体会 (45)
6.1设计小结和进一步完善提出的建议 (45)
6.2 设计的收获体会 (45)
7谢词 (46)
8参考文献 (47)
附录： (48)
附录1：电路原理图 (48)
附录2：部分程序清单 (49)
1前言
如果说因为“电荒”的频繁出现而推动了国内空调业的节能化进程，特别将变频空调从幕后配角推向前台成为市场竞争中的耀眼明星，应该不为过。

但“电荒”究竟为变频空调带来了什么，又会将变频空调的发展指向何方?这一切还有待于市场及时间的检测。

厂家态度各不相同，作为变频领域的两股强势力量，海信与新科两家企业在电荒出现后所做的努力，虽然表现不同，但目的却是为了推动变频空调的快速普及。

海信以善长政府攻关著称，先后组织召开了变频空调的一系列研讨会，从变频发展趋势、变频发展推动力等多方面借助于政府及协会主管单位的舆论引导作用。

在体现海信变频领军人物形象的同时，也拉动了市场新一轮的竞争。

新科作为变频领域的另一种力量，体现了其一贯善于借助市场推动力量的优势。

从年初至今针对变频空调发起三次市场总攻，特别是最后一次的“谁比我省电、售价两倍还”的擂台赛，将矛盾直指交流变频，声称要通过直流变频的推广，换一种角度来推动变频。

与两大品牌的积极拉动所表现不同的是，作为国内空调领域的三剑客——格力、美的、海尔，对变频空调的态度方面却无一例外地表现出不应该有的平静和低调。

海尔在年初大张旗鼓地展开“健康有氧运动”，致力于氧吧空调的推广；而美的则旗帜鲜明地高举“健康大旗”，在发布了全健康标准之后，还推出了一系列的全健康空调；而格力的表现更让人费解，其董事长朱江洪曾对媒体表示：无论是健康，还是变频，都属于一些厂家的市操作炒作手段，空调业应该抛弃概念炒作，溯本求源追求空调本身的“制冷制热效果”。

随着国内电荒形势的不断恶化，一些厂家开始将市场推广及宣传的重点转向变频领域。

海尔推出了以变频风暴为主题的市场推广活动，巧妙地将变频与健康两者进行结合；而美的空调相关负责人也表示，美的拥有成熟的变频技术积累，早就展开变频空调的推广。

但在整个空调领域，更多的厂家还是观望等待之中。

在他们看来：与定频空调占据地大多数市场份额相比，变频空调的份额不值一提。

虽然变频空调是一种趋势，但还处于市场培育阶段。

打一个形象的比喻：一壶冷水煮饺子，等到水烧热后再稍为加温，就可以马上烧成开水。

显示众多厂家并不愿意承担着前期的市场培育责任。

尽管业内各个厂家对变频空调推广态度反映各不相同，却大多都认同变频作为空调业未来发展趋势这一观点，也对变频化发展前景普遍看好。

市场反应还需时日, 虽然变频空调还没有成为市场发展的主流趋势，但新科空调新闻发言人刘斌仍然表示了极大的乐观。

他认为：在目前的市场形势下推广变频，不仅是
抢占未来市场的先机，更是企业参与市场竞争的一种差异化策略。

除去“电荒”因素不考虑，变频空调不仅具有“省电”优势，在产品的“舒适、静音、恒温”方面仍然具有很强的竞争力。

在近年来行业价格战持续不断的背景下，通过有区别于市场上的竞争手段，从而实现企业更好的发展，无疑是一种可行的手段。

理论可行性还需要通过市场的检验。

据了解，各大家电卖场里的变频空调比定速空调的价格要高。

以一台1.5匹变频空调以例，售价要高出600-1000元左右。

这种价格差距使得变频空调遭遇了“叫好不叫座”的尴尬境地。

实际上，对于一般的普通工薪家庭而言，仅凭借一句“省电省钱”就让他们多掏出几百元买台变频空调的话，显然是不现实的。

许多卖场的宣传导向还是表现出了对于变频空调的青睐，“节能、省电”随处可见。

而并不丰富的变频产品却多少使得这种宣传成为一种诱人的噱头。

来自GFK亚洲公司的统计显示：国内100多家空调品牌中，拥有变频空调产品的厂家不到10家，其余的仍然聚集在普通定频空调上，使得可供选择的品牌缺乏；另一方面，变频空调的产品线也不完善。

除了海信、新科拥有比较系列的变频产品外，美的、春兰、格力等厂家能够提供的变频空调只有1-2款，极为有限。

与市场上定频空调上达几十种款式、几百个型号的产品线相比，显得比较单薄。

变频空调的缺乏不仅如此，与之相配套的整个变频产业链也极为不完善：核心技术缺乏、规模效应不明显、产品种类单一等问题。

整个变频空调的发展呈现出“说的永远都比做的好”畸形发展形态。

而这些问题的解决还需要加以时日的磨合。

技术短乏仍是痛,实际上，在变频市场发展畸形的背后，就是整个空调行业在产品核心技术上的缺乏。

也许正是看到了目前国内节能空调市场的混乱现状，国家家电标准化委员会近日传出了将全面提高空调强制性能效等级标准的消息，据称：壁挂式空调最低能效比将从原先的2.3提升至2.6。

随后，中国家电协会便邀请国家主管部门，以及海尔、美的等11家行业主要空调厂家代表，共商对策。

众多厂家表示出积极拥护的同时，谈的更多地还是能效比提高过程中所面临的种种困难。

在提高空调能效比方面主要有两种途径：一种就是在现有定频空调的基础上，改进生产工艺和原材料。

另一种则是转向变频空调的生产推广。

据一位厂家的负责人透露：提高普通定频空调能效比，主要是使用好的材料以及改造生产工艺。

将普通铜管换成内螺纹铜管；生产两器的翅片要换成亲水铝箔，同时还要增加两器的面积，压缩机也要换成高效能的压缩机。

这样一来，定频空调的生产成本将大大增加，预计将多出300元。

无形中将为企业参与市场的增加无形压力。

而另一种则是停止定频空调，进军变频领域。

变频技术最早是从日本传出我国，在海尔、海信、新科等厂家的积极带动下，变频空调经历了模仿到自由创新的阶段。

在这
一过程中，变频核心技术——变频控制器实现国产化。

但这仅仅是掌握在少数企业手中。

空调的温度控制单元不管是定频还是变频空调中，都起到至关重要的作用，是保证系统正常工作的基础。

在空调的工作中，首先通过温度传感器对空气进行温度采集，将采集到的温度信号传输给单片机，再由单片机控制显示器，并比较采集温度与设定温度是否一致，然后驱动空调机的加热或降温循环对空气进行处理，从而模拟实现空调控制单元的工作情况。

空调在实际生活中的运用很普遍，我结合当前迅速发展的单片机技术，设计了一个单片机温度控制单元，对空调的控制和其工作原理由进行了一定的研究。

2方案设计
2.1总体方案设计和选择
2.1.1 总体方案选择
方案一
本文设计了一种以AT89C51单片机为核心，通过温度传感器对空气进行温度采集，将采集的温度信号输给单片机，再由单片机控制显示，并比较采集的温度与设定的温度是否一致，然后驱动空调机的加热或降温循环对空气进行处理，从而实现对室内温度的调节，在整个设计中，涉及到温度检测电路，驱动控制电路，显示电路，键盘电路以及电源的设计等电路。

其中单片机的控制程序是起到各个电路之间的相互协调，控制各个电路正常工作，程序在整个设计中起到至关重要的作用。

其方框图如下：
图2.1 方案一框图
方案二
该方案是以空调专用单片机uPD75028GC 为核心部件，该单片机除了含有写入空调器专用程序外，还包含有OPV 单片机处理器，数据存储器，程序存储器，定时计数器及输入接口等电路。

该程序可对输出的信号进行运算和比较，根据运算和比较的结果，对室外风机，室外压缩机，定时，制冷，制热，抽湿等功能进行控制。

室内机的控制电路主要有电压电路，整流电路，稳压电路，接受电路，发送电路，步进电机，室内风机，显示电路，按键电路和温度监测电路等组成。

由于方案采用了专门的单片机，所以设计中的所需要的程序提前烧制进了uPD75028GC ，一切电路的设计和单片机个端口的分配
输 入 部 分 显示
部 分
89S51 温度传感器 驱动控制 加热 驱动控制
制冷 空气
就必须和单片机中中程序的相对应。

其方框图如下：
、
图2.2 方案二框图 方案三
该方案采用的是AT89C51单片机为核心控制器件，用它来处理各个单元电路的工作以及检测其运行情况。

首先通过温度传感器对空气进行温度采集，将采集的温度信号作A/D 转换，使其模拟信号转变成数字信号，然后输给单片机，再由单片机控制显示，并比较采集的温度与设定的温度是否一致，然后驱动空调机的加热或降温循环对空气进行处理，从而模拟实现空调温度控制单元的工作情况，本设计中我们采用的是AD590温度传感器，通过温度系统采集电路采集相关温度数值，再由AD0809组成的A/D 转换电路进行转换，最终的到数字信号，将其直接输给单片机，然后由单片机机根据内部程序判断，执行相关控制程序，驱动个单元电路的工作。

其方框图如下:
图2.3 方案三的框图
2.2.2 总体方案论证
方案一：该方案通过温度传感器对空气进行温度采集，将采集的温度信号输给单片
机，再由单片机控制显示，并比较采集的温度与设定的温度是否一致，然后驱动空调机的加热或降温循环对空气进行处理，从而实现对室内温度的调节，在整个设计中，涉及到温度检测电路，驱动控制电路，显示电路，键盘电路以及电源的设计等电路。

优点：控制简单，思路清晰，个单元模块的相互相接较简单，同时成本低廉，用的LM35DZ A/D 转换
AT89S51
LED 显示 可控硅电路 可控硅电路 风扇
电炉
uPD75028GC 加温或 降 温
温度检测 显示 电 路 输入
电 路
各种器件都是常用器件，更具有使用性。

方案二：该方案是以空调专用单片机uPD75028GC为核心部件，该单片机除了含有写入空调器专用程序外，还包含有OPV单片机处理器，数据存储器，程序存储器，定时计数器及输入接口等电路。

该程序可对输出的信号进行运算和比较，根据运算和比较的结果，对室外风机，室外压缩机，定时，制冷，制热，抽湿等功能进行控制。

室内机的控制电路主要有电压电路，整流电路，稳压电路，接受电路，发送电路，步进电机，室内风机，显示电路，按键电路和温度监测电路等组成。

优点：该方案设计专业性高，特别是专用控制芯片uPD75028GC更是可以用作变频绿色节能空调的主控芯片，空调具有节能，噪音低等一系列优点。

缺点：芯片专业程度高，价格昂贵，使用于高价位空调的的中央控制系统设计。

方案三：该方案设计采用的思路与方案一基本相同，主要区别再温度采集的方式上。

设计中采用的是AT89C51单片机为核心控制器件，用它来处理各个单元电路的工作以及检测其运行情况。

首先通过温度传感器对空气进行温度采集，将采集的温度信号作A/D转换，使其模拟信号转变成数字信号，然后输给单片机，再由单片机控制显示，并比较采集的温度与设定的温度是否一致，然后驱动空调机的加热或降温循环对空气进行处理，从而模拟实现空调温度控制单元的工作情况。

优点：该方案的容易控制，系统原理比较简单，电路可靠，容易实现控制目的。

缺点：该方案中的温度测量电路，译码电路复杂，容易产生误差和由电路复杂而导致的设备使用寿命低等一系列问题。

2.2.3 总体方案选择
方案选择：选择方案一：控制简单，思路清晰，个单元模块的相互相接较简单，同时成本低廉，用的各种器件都是常用器件，更具有使用性。

2.2硬件单元方案设计与选择
2.2.1．温度传感部分
要求对温度与温度相关的参量进行检测，应该考虑用热电阻传感器。

按照电阻的性质可以分为半导体热电阻和金属热电阻两大类，前者通常称为热敏电阻，后者称为热电阻。

方案一：采用热敏电阻，这种电阻是利用对温度敏感的半导体材料制成，其电阻随温度变化有明显的改变。

负温度系数热敏电阻器通常是由锰，钴的氧化物烧制成半导体陶瓷制成。

其特点是，在工作温度范围内电阻阻值随温度的升高而降低。

可满足40℃C︒~90C︒测试范围，但热敏电阻精度,重复性，可靠性较差，不适用与检测小于1C︒的信号；而且线性度很差，不能直接用于单片机上，应该用硬件或软件对其进行线性化补
偿。

方案二：采用集成温度传感器，如DS18B20智能温度控制器。

单线数字温度传感器DS18B20简介新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济，数字化。

一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

DS18B20“一线总线”数字化温度传感器，支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

适合于各种环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，分辨率设定，及可以设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

DS18B20使电压，特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。

并且应用电路电但便于设计。

方案选择：选择方案二。

理由：电路简单可靠，不需要A/D直接可以有单片机相连。

2.2.2．数字显示部分
通常的LED显示器有7段或8段和“米”字段之分，这种显示器有共阴极和共阳极两种。

共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。

当某个发光二极管的阳极为为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。

同样，共阳极LED显示器的工作原理也一样。

方案1：采用静态显示方式。

在这种方式下，各位LED显示器的共阳极（或共阴极）连接在一起并接地（或电源正），每位的段选线分别与下一个8位的琐存器输出相连，各个LED的显示字符一经确定，相应的琐存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止，正因为如此，静态显示器的亮度都较高。

若用I/O口接口，这需要占用N 8位I/O口（LED显示器的个数N）。

这样的话，如果显示器的个数较多，那使用的I/O就更多了，因此在显示位数较多的情况西欧啊，一般都不用静态显示。

方案2：采用移位寄存器扩展I/O口，只需要占用3个I/O口，即数据（DATA），时钟（CLOCK），输出使能（OUTPUT ENABLE），从理论上讲就可以无限地扩展I/O口，而且显示数据为静态显示几乎不占用CPU资源。

采用扩展口后，又能采用静态显示，这样，即解决了静态显示瞻仰I/O口多的问题，也能解决动态显示不稳定，容易闪烁，瞻仰CPU资源过多的问题。

方案选择：选择方案2。

理由：非常节约I/O口，又有静态显示的特点，亮度高，节约CPU使用率，也完成设计中动态显示的要求。

2.2.3．加热降温驱动控制电路
采用开关量控制，如继电器，双向可控硅，光耦等，控温快递，但是双向可控硅驱动电路比较麻烦，调试也麻烦，若用现成的固态继电器价格十分昂贵。

若用继电器时要注意其电感的反向电动势，和开关触点对电源的影响，以及开关脉冲对整个电路的影响等。

应该加入必要的防止干扰的措施。

方案1：采用单向晶闸管，这是一种大功率半导体器件，它即有单向导电的整流作用，又有可以控制的开关作用。

利用它可以用较小的功率控制较大功率。

在交，直电动机调速系统，调功系统，随动系统和无触点开关等方面获得较广泛的应用。

这种晶闸管与二极管不同的是，当其两端加上正向电压而控制极不加电压时，晶闸管并不倒通，其正向电流很小，处于正向阻断状态：当加上正向电压，且控制极上也加上正向电压时，晶闸管便进入导通状态，这时管压降很小（1V左右）。

这时即使控制电压消失，仍然保持导通状态，所以控制电压没有必要一直存在，通常采用脉冲形式，以降低触发功耗。

它不具有自动关断能力，要切断负载电流，只有使阳极电流减小到维持电流以下，或加上反向电压实现关断。

若在交流回路中应用，当电流过零和进入负半周，自动关断，为了使其再次导通，必须加重加控制信号。

方案2：采用光耦合双向可控硅驱动电路，这种器件是一个单片机输出与双向可控硅之间较理想的接口器件，它由输入和输出两部分组成，输入部分是一个砷化镓发光二极管，该二极管在5Ma~~15mA正向电流作用下发出足够强度的红外光，触发输出部分。

输出部分是一个硅光敏双向可控硅，再红外线的作用下可双向导通。

光电耦合器也常用于较远距离的信号隔离传送。

一方面光耦合器可以起到隔离两个系统底线的作用，是两个系统的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影响。

另一方面，光电耦合的发光二极管是电流驱动器件，可以形成电流环路的传递形式。

由于电流环电路是低阻抗电路，对噪音的敏感度低，因此提高通信系统的抗干扰能力。

常用于噪音干扰的环境里传输信号。

方案选择：选择方案2.理由：达到同样的加热效果，开关量控制容易，驱动简单，通信系统抗干扰能力强。

2.2.4. 键盘输入部分
常用的键盘接口分为独立式按键接口和矩阵式键盘接口。

方案1：采用4*4矩阵键盘输入，这种就口方式适用于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行，列的交叉点上。

矩阵键盘的工作原理是按键设置再行，列交点是，行，列线分别连接到按键开关的两端。

行线通过是拉电阻接到+5V上。

平时无按键按下时，行线电平处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由此电平相连接的列线电平决定。

列线电平为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平也为高。

这是识别矩阵键盘是否按下的关键所在。

由于矩阵键盘中行列线为多键共用，个键盘均影响该键所在行和列的电平，因此，各按键彼此将相互影响，所有必须将行列线信号配合起来并作适当处理，才能觉得闭合键位置。

对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一决定，所以分别对行号和列号进行二位制编码，然后将两个值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。

但这种编码对于不同的键，离散型大，并且编码的复杂度和按键的个数成正比，因此不合适用在输
入量小的设计中。

方案2：采用独立式按键接口，这种方式是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根线上的按键工作状态不会影响到其他线是的工作状态。

因此，通过检测输入线的状态可以很容易判断哪个按键被按下。

独立式按键电路配置灵活，软件简单。

但每个按键需要占用以根输入线，在按键数量时需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种按键适用于按键较少或操作速度要求较高的场合。

独立式按键电路按键直接与单片机的I/O口线相接，通过读I/O口，判定各I/O口线的电平状态，即可以识别按下的键盘。

方案选择：选择方案1。

理由：本设计的按键需求较多，该方案可以减少单片机的I/O口使用，节约资源。

3单元模块设计
3.1各单元模块功能介绍及电路设计
3.1.1 温度采集电路
本设计的温度采集系统主要由数字温度传感器DS18B20，如图3.3所示。

本设计以DS18B20为传感器，AT89C51单片机为控制核心组成的温度巡回检测系统，在图中，DS18B20的供电方式为外部电源，其I/O数据线与P2.0相连。

在DS18B20接入系统之前，应分别从激光ROM中读出其序号，然后分别赋予在系统中的编号1～n。

该系统需要用键盘来设置温度报警的门限值，并用七段LED显示器显示DS18B20的编号和测量的温度值。

图3.1 温度采集电路
温度检测系统原理图如图3.3所示所示，采用外接电源供电方式。

为保证在有效的DS18B20时钟周期内，提供足够的电流，我们用一个电阻R20和89C51的一个I/O口（P0.0）来完成对DS18B20总线的上拉。

当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D 变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10μs。

采用外接电源供电方式时Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连。

在本设计中，我采用的是单个DS18B20测室内温度，并把它直接于单片机的I/O 口相连接，将测得的温度数值送入CPU与键盘输入的设定值进行比较，然后通过CPU来控制负载电路的工作。

一般来说CPU 对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。

DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。

如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对 DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

3.1.2 LED显示电路
LED电路采用4只共阴极七段数码管。

显示方式有动态扫描和静态扫描，两种都可以实现显示功能，但由于静态扫描要用到多片串入并处芯片，考虑到电路板成本计算，本人采用节约硬件资源的动态扫描显示方式。

P2口的P2.0至P2.3接限流电阻作为段选控制，P2口的P2.4至P2.7经三极管驱动后作为位选控制，在 10ms定时中断服务程序中分别对显示的个位进行动态扫描显示。

LED分别对室内温度和时间进行动态显示，其相互显示间隔设定为1分钟，即显示温度时第一，二位为十位，个位，第三，四位为小数位;而显示时间时第一，二位为小时，第三，四位为分钟。

显示数据有4511译码器输出。

由4个共阴极的数码管组成温度和时间交替显示。

P2口的四条数据线P2.0至P2.3分别与CD4511译码器的ABCED口相接，P2口的P2.4至P2.7分别通过电阻R20至R23与Q1至Q4的基极相连接。

这样通过P2口送出一个存储单元的高位，地位BCD显示代码，通过P2口另几位送出扫描选通代码轮流点亮LED1至LED4，就会将要显示的数据在数码管中显示出来。

图3.2 LED显示电路
所谓LED静态驱动：静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O 端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动：其点亮和关闭有该I/O口来对其控制，互不干涉，对I/O驱动能力弱的MCU，必须增加外部驱动芯片或三极管等器件。

此种设计一般应用在单个LED的驱动或LED数量较少，且所选的MCUIO比较充裕的情况下。

由于每一个LED均有独立的I/O口控制，因此优点是软件编程简单，。