黃浴梅

（新會(huì)岡州職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 江門 529000）

空調(diào)即空氣調(diào)節(jié)器（Household Air Conditioner），掛式空調(diào)是一種用于給空間區(qū)域（一般為）提供處理空氣的機(jī)組。其功能是對(duì)該房間（或封閉空間、區(qū)域）內(nèi)空氣的溫度、濕度、潔凈度和空氣流速等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足人體舒適或工藝過(guò)程的要求。而家用空調(diào)使用于小面積、居室少的環(huán)境?，F(xiàn)在的家用電器，基本上都采用了單片機(jī)控制，從電飯煲、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備等，家用空調(diào)也不例外。

單片機(jī)按其應(yīng)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(jī)，如日本NEC公司開(kāi)發(fā)的7500系列和75X00系列4位單片機(jī)、美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的COP400系列4位單片機(jī)，以及日本松下公司的MN1400系列、美國(guó)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(jī)。家用電器所采用的通用型單片機(jī)，主要是Intel公司的MCS系列產(chǎn)品。

本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)家用空調(diào)控制系統(tǒng)，采用AT89C52單片機(jī)。該單片機(jī)主要完成溫度傳感器DS18B20信號(hào)的采集，HIH-3610濕度傳感器配合ADC0809作為系統(tǒng)濕度采集，進(jìn)行智能控溫等功能。并通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)的目標(biāo)

家用空調(diào)單片機(jī)控制系統(tǒng)，主要由單片機(jī)、溫度控制電路、液晶顯示屏電路等構(gòu)成，其控制核心是AT89C52單片機(jī)。單片機(jī)外圍電路，主要由復(fù)位電路、晶振電路、報(bào)警電路等組成。該單片機(jī)主要完成溫度傳感器DS18B20信號(hào)的采集，HIH-3610濕度傳感器配合ADC0809作為系統(tǒng)濕度采集，控制溫度、濕度等功能，并通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。

1.2 組成結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89S52為核心，通過(guò)一片AT89S52單片機(jī)控制系統(tǒng)的負(fù)載工作，適合于在一定溫度需求的的環(huán)境下工作，系統(tǒng)中應(yīng)用到了繼電器，可以通過(guò)以單片機(jī)為主的弱電系統(tǒng)，來(lái)控制與繼電器相連的強(qiáng)電系統(tǒng)，從而保障強(qiáng)電系統(tǒng)控制的安全性（家用空調(diào)單片機(jī)控制原理框圖如圖1所示）。

圖1 家用空調(diào)單片機(jī)控制原理框圖

系統(tǒng)的溫度采集，利用溫度傳感器DS18b20采集數(shù)據(jù)送給單片機(jī)，單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)送給液晶LCD1602顯示和了解當(dāng)前的溫度條件，系統(tǒng)正常工作時(shí)設(shè)定了一個(gè)溫度范圍16～30℃，如果采集的溫度在這個(gè)設(shè)定范圍內(nèi)，則單片機(jī)控制繼電器閉合，與繼電器相連的電機(jī)電路開(kāi)路，則與繼電器相連的電機(jī)不工作；如果采集的溫度不在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，則說(shuō)明環(huán)境溫度條件不滿足需求，這時(shí)單片機(jī)控制一個(gè)揚(yáng)聲器發(fā)出警報(bào)，并且控制繼電器使其閉合電機(jī)電路，那么與繼電器相連的電機(jī)閉合而開(kāi)始工作；當(dāng)采取措施環(huán)境溫度變化到設(shè)定范圍時(shí)，揚(yáng)聲器停止警報(bào)，繼電器斷開(kāi)，電機(jī)電路開(kāi)路，電機(jī)系統(tǒng)不工作，從而達(dá)到一個(gè)自動(dòng)控制的作用。

整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)閉環(huán)溫度值，系統(tǒng)變化參數(shù)為溫度的值，電機(jī)的工作取決于環(huán)境溫度的變化，通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)控制與繼電器相連的電機(jī)系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單，也可以用鍵盤調(diào)節(jié)適合的溫度范圍，可以應(yīng)用于一定溫度要求下環(huán)境，比如家庭環(huán)境或者溫室系統(tǒng)等。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)分為7個(gè)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)模塊，液晶顯示LCD模塊，溫度系統(tǒng)模塊，濕度系統(tǒng)模塊，數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊，繼電器系統(tǒng)模塊，報(bào)警系統(tǒng)模塊，電源模塊。

2.1 主控制系統(tǒng)模塊

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

圖2 單片機(jī)電路

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

（2）AT89S52單片機(jī)的外圍電路。

其一，時(shí)鐘電路（如圖3）。單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)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(nèi)部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。晶體震蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就快；但反過(guò)來(lái)運(yùn)行速度快，對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求就高，對(duì)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(shí)鐘電路

震蕩電路產(chǎn)生的震蕩脈沖，并不直接是使用，而是經(jīng)分頻后再為系統(tǒng)所用，震蕩脈沖經(jīng)過(guò)二分頻后，才作為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，振蕩器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)以避免干擾。

其二，復(fù)位電路。單片機(jī)的復(fù)位電路（見(jiàn)圖4），分上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。

圖4 復(fù)位電路

上電復(fù)位，是指在加電之后通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)Vcc的上升時(shí)間不超過(guò)1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化電路原理圖。RST上的電壓，必須保證在斯密特觸發(fā)器的閥值電壓以上足夠長(zhǎng)時(shí)間，滿足復(fù)位操作的要求。

按鍵復(fù)位是指程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤，使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效。按鍵復(fù)位又分按鍵脈沖復(fù)位和按鍵電平復(fù)位。電平復(fù)位將復(fù)位端通過(guò)電阻與CCV相連，按鍵脈沖復(fù)位是利用RC分電路產(chǎn)生正脈沖來(lái)達(dá)到復(fù)位的。

其三，有關(guān)注意事項(xiàng)：因?yàn)榘存I脈沖復(fù)位是利用RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來(lái)達(dá)到復(fù)位的，所以電平復(fù)位要將復(fù)位端通過(guò)電阻與相連。如復(fù)位電路中R、C的值選擇不當(dāng)，使復(fù)位時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，單片機(jī)將處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)，故本設(shè)計(jì)采用按鍵復(fù)位。

2.2 輸入部分

（1）溫度傳感器模塊。系統(tǒng)采用DALLAS公司生產(chǎn)的單總線芯片DS18B20采集環(huán)境溫度，DS18B20的管腳說(shuō)明如圖5所示3個(gè)管腳分別為地線、信號(hào)線和電源線。

圖5 DS18B20的管腳說(shuō)明

DS18B20繼承了DS1820的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，并做了如下改進(jìn)：

一是供電范圍擴(kuò)大為3.0～5.5 V。

二是溫度分辨力可編程。

三是轉(zhuǎn)換速率有很大提高。

四是內(nèi)部存儲(chǔ)器映射關(guān)系發(fā)生變化。

五是具有電源反接保護(hù)電路。

六是體積減小一半。對(duì)我們使用來(lái)說(shuō)最大的不同，就是DS18B20可以程序設(shè)定9～12位的分辨率數(shù)字值，而DS1820為固定的9位數(shù)字值，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2 s減為750 ms。

（2）濕度傳感器模塊。設(shè)計(jì)中采用相對(duì)濕度傳感器HIH-3610。HIH-3610是美國(guó)Honeywell公司生產(chǎn)的相對(duì)濕度傳感器，該傳感器采用熱固聚酯電容式傳感頭，同時(shí)在內(nèi)部集成了信號(hào)處理功能電路，因此該傳感器可完成將相對(duì)濕度值變換成電容值，再將電容值轉(zhuǎn)換成線性電壓輸出的任務(wù)，同時(shí)該傳感器還具有精度高、響應(yīng)快速、高穩(wěn)定性、低溫漂、抗化學(xué)腐蝕性能強(qiáng)及互換性好等優(yōu)點(diǎn)。

（3）鍵盤的設(shè)計(jì)。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(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。4×3的行列結(jié)構(gòu)可組成12個(gè)鍵的鍵盤。因此，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，可以節(jié)省I/O口線。本例中還有3個(gè)獨(dú)立按鍵。

行列式鍵盤和獨(dú)立按鍵的接口方法，直接接口于單片機(jī)的P1口上，如圖6所示。

圖6 行列式鍵盤和獨(dú)立鍵盤的接口

其中S0-S9為數(shù)字鍵輸入，S10和S11為加減鍵。最下面3個(gè)為獨(dú)立按鍵。

2.3 輸出部分

（1）報(bào)警模塊。系統(tǒng)設(shè)定有一定的溫度范圍。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到的溫度不在預(yù)設(shè)的范圍時(shí)，則需要發(fā)出警報(bào)，警報(bào)系統(tǒng)由PNP三極管和揚(yáng)聲器組成。

雖然揚(yáng)聲器的控制和LED的控制對(duì)于單片機(jī)是一樣的，但是在外圍硬件電路上卻有所不同，因?yàn)閾P(yáng)聲器是一個(gè)感性負(fù)載，一般不建議用單片機(jī)的I/O口直接對(duì)它進(jìn)行操作，所以最好加一個(gè)驅(qū)動(dòng)三極管，在要求較高的場(chǎng)合還會(huì)加上反相保護(hù)二極管，在本例中對(duì)揚(yáng)聲器的要求并不高，所以沒(méi)有加反相的二極管保護(hù)，硬件電路原理圖如圖7所示。

圖7 報(bào)警電路

（2）繼電器模塊。在各種自動(dòng)控制設(shè)備中，都存在一個(gè)低壓的自動(dòng)控制電路與高壓電氣電路的互相連接問(wèn)題，一方面要使低壓的電子電路的控制信號(hào)能夠控制高壓電氣電路的執(zhí)行元件，如電動(dòng)機(jī)、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(hù)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(nèi)電流的作用下，由機(jī)械部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生預(yù)定響應(yīng)的一種繼電器。

在系統(tǒng)中，采用NPN三極管驅(qū)動(dòng)繼電器，并且?guī)в幸粔嚎s機(jī)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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一種常用人機(jī)接口形式，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、凈質(zhì)量小、功耗低。目前市場(chǎng)上的液晶顯示器主要有字段式、點(diǎn)陣字符式和點(diǎn)陣圖形式三大類。本系統(tǒng)就應(yīng)用了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用的點(diǎn)陣字符式液晶顯示模塊LCD1602。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 Keil軟件的使用

Keil軟件是目最流行開(kāi)發(fā)80C51系列單片機(jī)的軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部份組合在一起。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

如圖9所示，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，首先要確定軟件設(shè)計(jì)方案，即確定該軟件應(yīng)該完成那些功能；其次是規(guī)劃為了完成這些功能需要分成多少個(gè)功能模塊，以及每一個(gè)程序模塊的具體任務(wù)是什么。

圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

3.3 主程序和子程序流程圖設(shè)計(jì)

（1）主程序流程圖。軟件程序設(shè)計(jì)流程順序?yàn)椋洪_(kāi)始，LCD初始化，溫度傳感器初始化，啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換并顯示，溫度是否超過(guò)預(yù)設(shè)范圍，超過(guò)預(yù)設(shè)范圍則發(fā)出警報(bào)且繼電器斷開(kāi)，不超過(guò)預(yù)設(shè)范圍則停止警報(bào)且繼電器閉合，延時(shí)之后返回到程序初始化，詳細(xì)流程如圖10。

圖10 主程序設(shè)計(jì)框圖

（2）液晶1602流程圖（如圖11）。

圖11 顯示程序設(shè)計(jì)框圖

（3）溫度采集程序流程圖（如圖12所示）。

圖12 溫度轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)框圖

4 調(diào)試與部分仿真分析

4.1 硬件調(diào)試

硬件調(diào)試比較簡(jiǎn)單，先檢查開(kāi)發(fā)板及連接的品質(zhì)情況，在檢查無(wú)誤后可通電檢查。實(shí)驗(yàn)室制作時(shí)，可結(jié)合示波器測(cè)試晶振及P0、P1、P2端口的波形情況，進(jìn)行綜合硬件測(cè)試分析。相關(guān)部分并不會(huì)產(chǎn)生干擾源對(duì)其他部分造成干擾。還要對(duì)其安全性、穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。

圖15 RZ-51V2.0開(kāi)發(fā)板實(shí)物圖

圖15 的說(shuō)明：硬件主要是以51單片機(jī)開(kāi)發(fā)板為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，單片機(jī)用AT89S52主控，溫度感應(yīng)器DS18B20測(cè)溫，LCD1602顯示溫度，繼電器控制電機(jī)工作。當(dāng)采集的溫度超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的溫度范圍時(shí)，單片機(jī)控制揚(yáng)聲器發(fā)出警報(bào)，并控制繼電器開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電機(jī)停止工作，當(dāng)溫度回到正常預(yù)設(shè)的溫度范圍時(shí)，警報(bào)停止，并且繼電器閉合，電機(jī)正常工作，從而達(dá)到自動(dòng)控制的效果。

4.2 軟件調(diào)試

設(shè)計(jì)使用的是Proteus軟件進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)部分仿真設(shè)計(jì)（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(shè)置幾個(gè)斷點(diǎn)，并單步運(yùn)行程序，找出程序的錯(cuò)誤及時(shí)更正。

圖16的說(shuō)明：

（1）從圖中的LCD上，可以看到當(dāng)前溫度值為90.6℃，不在預(yù)設(shè)的溫度范圍（0～50℃）內(nèi)，則繼電器斷開(kāi)，負(fù)載工作指示燈D2滅，繼電器右邊的工作負(fù)載燈泡L1滅，揚(yáng)聲器發(fā)警報(bào)。

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

通過(guò)調(diào)試，軟件系統(tǒng)基本能達(dá)到預(yù)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(biāo)可以限制在±0.5℃以內(nèi)，可以精確地把室內(nèi)的溫度控制在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)主要介紹了利用AT89S52單片機(jī)對(duì)溫度系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)硬件主要由單片機(jī)系統(tǒng)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(yǔ)言編程；該系統(tǒng)可以完成溫度的顯示、溫度的設(shè)定、空調(diào)的控制及限溫報(bào)警等多項(xiàng)功能，在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

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