智能空调系统设计

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1、Shandong Uni versity of Scie nee and Tech no logy电子技术综合实践报告题目名称：智能空调控制系统姓名：xxx专业：电子信息科学与技术班级：2012级2班学号： 201201050503同组人：XX指导教师： XXX电子通信与物理学院2015年7月24日指导教师评语摘要本系统以 STC89C51 为核心，采用温度采集模块、 继电器模块、显示模块、存储模块、响铃模块、指示灯 模块、键盘输入模块、实时时钟模块，实现了基于空调 温度控制系统。本设计采用STC89C51单片机作为主控制芯片，控 制各项功能。采用温度传感器 DS18B20 来采集室内温 度，

2、当采集温度超出温度阈值发出警告，并通过继电器 控制220V的大电压，使空调工作。采用DS1302构成 实时时钟模块，设定初始时间后，可进行计时。然后采 用两块共阴极4位七段数码管构成显示模块，可将时间、 温度等数据显示出来，又用了 4 个普通的非自锁按键， 可自由切换显示的数据。采用的存储器是AT24C02,用 来存放当前正在执行的数据和程序，具有掉电保护功能。关键词：STC89C51、温度采集、数据显示、温度调控目录前言5第一章 设计要求6第二章 系统的组成及工作原理2.1、系统的组成62.2、系统的工作原理62.3、系统各模块功能的实现72.3.1、按键切换功能及显示功能72.3.2、按键

3、调节功能82.3.3、指示灯指示及响铃功能82.3.4、存储功能82.3.5、空调自动启动和关闭功能8第三章 电路设计93.1、单片机最小系统103.2、显示模块设计113.3、温度采集模块设计123.4、实时时钟模块设计133.5、继电器模块设计153.6、响铃模块设计153.7、键盘输入输出模块设计163.8、存储模块设计173.9、指示灯模块设计183.10、系统原理图19第四章 系统仿真与调试分析204.1、系统仿真模型204.2、仿真结果204.2.1、室内温度在阈值范围之内及之外仿真结果204.2.2、按键S1切换显示内容仿真结果214.2.3、按键S2、S3、S4切换调节阈值仿真

4、结果244.2.4、掉电存储功能仿真结果26总结26参考文献27前言随着社会的发展、科技的进步、以及测温仪器在各 个领域的应用，温度控制系统已广泛应用于人们生活的 各个方面。温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化 学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究 中，如电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、 粮食存储、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和 过程状态的最重要的参数之一，各行各业对温度控制的 要求都越来越高，各种适用于不同场合的智能温度控制 器应运而生，酒店、厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温 度控制将更好的服务于社会。中国家庭的室内环境就是 冬天的温度太冷，

5、夏天的温度过热，这些给人们的正常 生活带来诸多的不便，所以人们对一个舒适的家庭环境 是非常向往的。以前室内的温度控制主要是利用机械通 风设备来进行室内与室外空气的交换来达到控制室内 温度。对于通风设备的开启和关停，全部都是由人来进 行手动控制的，由人们定时查看室内室外的温度情况， 按照要求来开关通风设备。人们劳动强度大，可靠性较 差，而且极易消耗人们的体力，造成成本过高。所以， 需要有一种符合温控要求的、低成本的控制系统，在温 度超过用户设定值时，启动控制系统，使室内温度控制 在一定范围内。现今，空调等家用电器随着生产技术的 发展或生活水平的提高越来越普及，一个简单、稳定的 智能空调温度控制系

6、统能更好的试用市场。第一章 设计要求1、显示出时间，实时温度；2、能实现温度的设定，当温度超出限制时，发出警告，温度调整范围为1C；3、当温度超出限制，进行温度调控；第二章 系统的组成及工作原理2.1、系统的组成本系统以 STC89C51 为核心，采用温度采集模块、 继电器模块、显示模块、存储模块、响铃模块、指示灯 模块、键盘输入模块、实时时钟模块，实现了基于空调 温度控制系统。2.2、系统的工作原理本设计中的智能空调系统可以通过按键设置空调 自动升温或降温的阈值，当设置下阈值时蓝色指示灯亮 当设置上阈值时，黄色指示灯亮，并通过数码管显示出 设定的阈值。传感器 DS18B20 采集室内温度与设

7、定阈 值温度进行对比，当温度在阈值之内时，绿色指示灯亮， 且蜂鸣器不工作；当温度超过或低于所设定阈值时，红 色指示灯亮，且蜂鸣器工作，通过单片机控制继电器启 动空调对室内进行升温或降温。同时系统可以将设置的 阈值保存到 EEPROM 中，断电后不会消失，直至通过 按键去改变，实现了智能空调的掉电存储功能。此外， 该系统还能显示当前的年月日、时分秒以及星期。根据系统的设计内容，得出如图 2-1 所示的系统框 图。图 2-1 智能空调系统框图2.3、系统各功能模块的实现2.3.1、按键切换功能及显示功能刚开始上电时，数码管显示器上显示实时时间和当 前温度值。此系统运用实时时钟DS1302产生时间，

8、采 用的是二十四小时制，采用温度传感器 DS18B20 采集 室内温度，在一通电的情况下，会显示08-00 25。当第 一次按下按键 S1 的时候会显示年月日15-7-18，当第二 次按下按键 S1 的时候会显示时间周和时间秒-6- 00， 第三次按下按键 S1 的时候会显示温度下限阈值和上限 阈值-18-32-，第四次按下按键S1时就回到初始显示界 面即显示时间和温度。2.3.2、按键调节功能当按键 S1 第三次按下且数码管显示温度阈值的时 候，此时就可以通过按键S3和按键S4调节温度下限阈 值，当按下按键S2时，然后通过按键S3和按键S4可 以调节温度上限阈值。2.3.3、指示灯指示及响铃

9、功能当室内温度在所设定的阈值内时，绿色指示灯亮； 当温度超过上阈值时，红色指示灯亮，并且蜂鸣器工作； 当调节温度下阈值时，蓝色指示灯亮；当调节温度上阈 值时，黄色指示灯亮。2.3.4、存储功能单片机可以把用户设置的温度阈值保存在存储模 块中，当掉电重启之后，系统会按照用户之前设置的阈 值工作。2.3.5、空调自动启动和关闭功能 当室内温度超过所设温度上阈值或低于温度下阈值时，单片机通过控制继电器开启空调进行升温或制冷 工作；当室内温度在所设定的阈值时，单片机通过继电 器关闭空调。第三章 电路设计3.1、单片机最小系统根据所学知识，单片机最小系统由主控制芯片， 复位电路，振荡电路组成。本设计采用

10、STC89C51单片 机作为主控制芯片，STC89C51是一种带4KB闪烁可编 程可擦除只读存储器( FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)，低电压、高性能的 CMOS8 位微处理器， 是典型的嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit) ,单片机的可擦除只读存储器可 以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失 存储器制造技术制造,与工业标准的 MCS-51 指令集和 输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储 器组合在单个芯片中ATMEL的STC89C51是一种高效 微控制器。本设

11、计中按键 S1 为复位按键，采用高电平 复位。按键S1、电容C3与电阻R1组成上电复位电路。 采用12MHz的晶振和电容C1、电容C2组成振荡电路。 由此设计出单片机最小系统，如图 3-1 所示：当的去耦电容，以减少对信号的干扰以及信号之间的相 互干扰，因此设计如图2-2所示去耦电容电路。VCCC 4D.liiF=C70-LoF-C5S.luF-tQnF!_图3-2去耦电容电路32、显示模块设计本课程设计采用两块共阴极4位七段数码管构成显 示模块，一次可以显示8个数字。数码管（LED SegmentDisplays）由多个发光二极管封装在一起组成“ 8”字 型的器件，引线已在内部连接完成，只需

12、引出它们的各 个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管组成 8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字 母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。由于数码管内部的发光 二极管在达到一定的电流才能发光，而51单片机的10 口没有驱动能力，所以在设计显示模块的时候必须给数 码管加上驱动电路，本设计的驱动电路由两块74HC573 芯片和8个限流电路组成,74HC573不仅有驱动的能力， 还有锁存的功能，这样就可以节省单片机IO 口的资源。 74HC573芯片引脚图如图3-3所示以及其功能如表1所Zjo图3-3 74HC573芯片引脚图OPERATINGMODESINPUTSINTEFCMA

13、L LATCHESOUTPUTSOEI匚OnQq to Qrenable amd readLHLLLreg j占诒丫(tran&pa rnt made)LHIHHHlatch nd readLL1LLr&gisterLLhHHlatch rgiiister sndHL1LZd i&a bl& QiLirpLitsHLhHZ闯 otes1 HS HIGH voltage levelh = HIGH vcillaye level one sebup time prior to the HIGH-=to-LOW LE ticari<icinL = LOW voltage levelI = LOW

14、 vcjlta-ge level one set-up time prior to the HIGHto-LOW LE transitionZ = high impedarce OFFsLate表1 74HC573芯片功能表根据要求设计出如图3-4所示显示模块原理图。:r詞亡；&:jXI-:旳:L：.彳：旳A川霊曲工Hi晝心LiS/WBBBB.B.B.B. B . *wi il5 n ar d i3主 IMF VsrLL聞m医IH-Df-IH-MIr亘暑爰1.bi mSi TH! Ebn图3-4显示模块原理图3.3、温度采集模块设计本设计采用温度传感器DS18B20来采集室内温度。 由半导体公

15、司生产的DS18B20型单线智能温度传感器, 属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，可广泛用 于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测 控系统和大型设备中。DS18B20具有体积小，接口方便， 传输距离远等特点。采用数字温度传感器 DS18B20 与传统的热敏电阻 相比，它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通 过简单的编程实现 9-12 位的数字值读数方式，可以分 别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量， 并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅 需要一根口线（ 单线接口 ） 读写，温度变换功率来源于 数据总线，总线本身也可以向所挂接的 DS1

16、8B20 供电 而无需额外电源。因而使用 DS18B20 可使系统结构更 趋简单，可靠性更高，成本更低。其测量温度范围为-55C +125C。在-10C+85C，精度为土0.5C。DS18B20 的精度较差为2C。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。本设计中温度采集模块原理图如图3-5所示，温度 传感器DS18B20将采集到的数据经P1.3给单片机，单 片机通过数据进行分析，送至数码管显示。电子扌支术综合芋芯践报告-11-|V7(由图3-5温度采集模块原理图34、实时时钟模块设计本设计采用DS1302构成实时时钟模块DS1302 是由美国DALLAS公司推出的具

17、有涓细电流充电能力 的低功耗实时时钟芯片。它可以对年、月、日、周、时、 分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。本设 计中，实时时钟模块由DS1302、32.768KHZ的晶振、 3V的电池组成，SCLK引脚、RST引脚、IO引脚接到 单片机相应引脚上。其中外接的晶振和内部电路组成振 荡电路提供时钟基准,3V电池是为DS1302在掉电的情 况下提供电源以便让其持续工作。实时时钟模块原理图 如图3-6所示。图3-6实时时钟模块原理图35、继电器模块设计继电器（英文名称：relay ）是一种电控制器件， 是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气 输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种

18、电器。 它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称 输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制 电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种 “自动开关”故在电路中起着自动调节、安全保护、 转换电路等作用。由于51单片机控制电路的电压为5V， 而空调工作的电压为220V,因此单片机可以通过继电 器控制220V的大电压，继而使空调正常工作。由此设 计出如图3-7所示继电器模块原理图。V2CLPlK112rJrfedsRF.T 图3-7继电器模块原理图3.6、响铃模块设计通过响铃模块的作用，可以提醒人们现在室内温度 已超过或低于温度阈值，空调已在单片机控制下启动工 作。本课程设计的

19、响铃模块是由蜂鸣器、三极管和限流电阻组成，其中三极管起到驱动蜂鸣器工作的作用，由 此设计出如图3-8所示响铃模块原理图。37、键盘输入输出模块设计本课程设计采用了 4个普通的非自锁按键，分别 为SI、S2、S3、S4。当按键不按下时，按键与单片机 连接的引脚为高电平，当按键按下时，相应单片机引脚 为低电平，当把手松开时按键会自动弹上来。键盘输入 模块的原理图如图3-9所示。图3-9键盘输入模块原理图38、存储模块设计存储器（Memory ）是计算机系统中的记忆设备， 用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的 原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果 都保存在存储器中。内存指主板

20、上的存储部件，用来存 放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序 和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。本次课程设计 中采用的存储器是AT24C02,它的存储大小为2Kb，具 有掉电存储的功能。存储模块原理图如图3-10所示。图3-10存储模块原理图39、指示灯模块设计指示灯，顾名思义它具有指示的作用，本设计中采 用4个不同颜色的发光二极管来实现对不同状态的指示。 该模块的原理图如图3-11所示。310、系统原理图将各个模块综合起来，设计出系统原理图，如图3-12 所示。-LJJ-31H 话.UU 言 wz 用齐匕:一匚-图3-12系统原理图第四章 系统仿真与调试在设计一个系统时，仿真测试

21、可以检测系统设计得 是否合理，这样可以很大程度上减少制造系统的成本。 本次课程设计采用Proteus对所设计电路进行仿真。Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版 的 EDA 工具软件，从原理图布图、代码调试到单片机 与外围电路协同仿真，一键切换到 PCB 设计，真正实 现了从概念到产品的完整设计。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它 是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具，是目前 世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型 仿真软件三合一的设计平台，是目前世界上唯一将电路 仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真

22、软件三合一的 设计平台，其处理器模型支持 8051、 HC11、 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、 AVR、 ARM、 8086 和 MSP430 等，在编译方面，它也支持 IAR 、 Keil 和 MATLAB等多种编译器。4.1、系统仿真模型本次设计的系统原理图仿真模型如图4-1 所示：图4-1系统原理图仿真模型42、仿真结果421、室内温度在阈值范围之内及之外仿真结果室内温度在所设定的阈值内，指示灯绿灯亮，继电 器不工作，蜂鸣器不工作，两端电压为0V。仿真结果 如图4-2所示。室内温度不在所设定阈值内，指示灯红 灯亮，继电器工作，蜂鸣器工作，两端电压为2.47V

23、， 仿真结果如图4-3所示。图4-2温度在阈值内仿真结果图4-3温度在阈值外仿真结果422、按键S1切换显示内容仿真结果系统上电后，显示界面显示时分及当前温度“08-00 28 ”，仿真结果如图4-4所示，按一下按键S1, 实现状态切换，显示模块将显示年月日“15-01-18”，仿 真结果如图4-5所示。再按一下开关S1,显示模块将显示星期和秒“-7- 42”，仿真结果如图4-6所示。再按 一下开关S1,显示模块将显示所设定的阈值温度“-18- -32-”，仿真结果如图3-7所示。图4-5第一次按下S1,显示年月日仿真结果图4-7第三次按下S1,显示温度阈值仿真结果423、按键S2、S3、S4

24、切换调节阈值仿真结果当显示模块显示温度阈值时，按键S2用于切换要调节的温度阈值，当要调节下阈值时，指示灯蓝灯亮， 按键S3实现“+”按键S4实现“一”仿真结果如图4-8 所示。当要调节上阈值时，指示灯黄灯亮，温度调节仍 和下阈值一样，仿真结果如图4-9所示。图4-8下阈值调节仿真结果-虾Dartra-DX-ID lfl-QL-lS图4-9上阈值调节仿真结果424、掉电存储功能仿真结果温度初始阈值为18和32,将其调节为20和34, 掉电之后重新上电，温度阈值变为20和34，实现 掉电存储功能，仿真结果如图4-10所示。 .U.图4-10掉电存储仿真结果总结此次课程设计花费了很长时间，在这个过程

25、中遇到 了许多问题，比如，单片机的功能模块有很多，各功能 模块的掌握并不是太难，难得是怎样才能很好的将各个 模块综合起来，实现一个系统完整的功能，这就要求有 较高的程序整合能力。电路原理图的设计倒不是太难， 主要就是将自己需要的模块画出，这些基本的模块在开 发板的原理图中都会给出，再将其与单片机的引脚相连 就行。通过课程设计，我知道了自己有很多知识没有掌 握熟练，还有很多需要改正努力的地方。智能家居已经 走进我们的生活，我设计的这个智能空调系统比较简单, 我发现其实很多生活中的那些高科技的产品用我们所 学过的一些知识就可以设计出来，当然自己设计的东西 离投入市场还差很远，通过这样的学习与设计过程，让 我对自己所学的专业更加热爱了，更加喜欢自己学的这 些东西了，体会到了学习这个专业的乐趣。我要好好学 习自己的专业，理论与实践相结合，最后真正的设计出 一款投入市场方便大众的产品。参考文献1 张鑫，单片机原理及应用，电子工业出版社， 20052 梁宗善. 电子技术基础与课程设计.华东理工大学 出版社. 1994.3 A.P.Goutzoulis and D.R.Pape, Design and Fabrication of Acousto-optic devices, Marcel Dekker, New York, 1994