空调温度控制单元设计

昆明工业职业技术学院

毕业设计

设计题目：空调温度控制单元设计

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设计时间：2012年12月

摘要

温度是日常生活中无时不在的物理量，温度的控制在各个领域都有积极的意义。很多行业中都有大量的用电加热设备，如用于热处理的加热炉，用于融化金属的坩锅电阻炉及各种不同用途的温度箱等，采用单片机对它们进行控制不仅具有控制方便、简单、灵活性大等特点，而且还可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量。因此，智能化温度控制技术正被广泛地采用。

本温度设计采用现在流行的AT89S51单片机，配以集成温度传感器AD590。单片机将检测到的温度信号与输入的温度上、下限进行比较，由此作出判断是否启动继电器以开启设备。

本设计还加入了常用的数码管显示及状态灯显示灯常用电路，使得整个设计更加完整，更加灵活。该设计已应用于花房，可对花房温度进行智能监控。

关键词: 温度箱；AT89S51；单片机；控制；模拟

目录

1 引言 (4)

1.1 温度控制系统设计的背景、发展历史及意义 (4)

1.2 温度控制系统的目的 (5)

1.3 温度控制系统完成的功能 (5)

2 功能概述 (6)

2.1系统的主要要求 (6)

2.2系统的工作原理 (6)

2.3系统的主要技术指标 (7)

3 系统的结构框图 (7)

4 硬件单元方案设计与选择 (8)

4.1 温度传感部分温度控制 (8)

4.2 A/D转换部分 (9)

4.3 数字显示部分 (10)

4.4 加热降温驱动控制电路 (11)

4.5 键盘输入部分 (11)

5 温度控制系统的单元电路设计 (12)

5.1 温度采集电路 (12)

5.2 A/D转换电路 (13)

5.3 显示电路 (15)

5.4 驱动控制电路 (16)

5.5 键盘电路 (17)

5.6 电源电路 (18)

6 温度控制系统的软件设计 (18)

6.1 主程序流程图及子程序流程图 (18)

6.1.1 主程序设计 (18)

6.1.2 A/D转换子程序设计 (19)

6.1.3显示子程序设计 (20)

6.2 温控程序流程图 (21)

6.2.1 键盘扫描和温度显示程序设计 (22)

6.2.2 温度采样 (24)

6.2.3温度标度转换算法 (27)

6.3 PID控制算法 (29)

6.3.1 PID算法基本原理 (29)

6.3.2 PID算法及子程序 (31)

7 特殊器件介绍 (32)

7.1温度传感器AD590 (32)

7.2 模/数转换器ADC0809 (35)

8 结论与展望 (38)

附录 (39)

附录1 (39)

附录2 ...................................................................... - 40 -附录3 .. (41)

参考文献 (46)

1 引言

1.1 温度控制系统设计的背景、发展历史及意义

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，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，但温度控制一直是一个未开发的领域，却又是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况，设计一个温度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。

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，像电力、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。比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。因此，各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见，温度的测量和控制是非常重要的。

单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。

1.2 温度控制系统的目的

本设计的内容是温度测试控制系统，控制对象是温度。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。针对此问题，本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度控制系统，它应用广泛，功能强大，小巧美观，便于携带，是一款既实用又廉价的控制系统。

1.3 温度控制系统完成的功能

本设计是对温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能：当温度低于设定下限温度时，系统自动启动加热继电器加温，使温度上升，同时绿灯亮。当温度上升到下限温度以上时，停止加温；当温度高于设定上限温度时，系统自动启动风扇降温，使温度下降，同时红灯亮。当温度下降到上限温度以下时，停止降温。温度在上下限温度之间时，执行机构不执行。三个数码管即时显示温度，精确到小数点一位。

2 功能概述

结合本设计的要求和技术指标，通过对系统大致程序量的估计和系统工作速度的估计，考虑价格因素。选定AT89S51单片机作为系统的主要控制芯片，8位数模转换器AD0809。采用AD0809进行温度采集，温度设定范围为-10℃~ 45℃，通过温度采集系统，对温度进行采样并进行A、D转换，再输给单片机。以空调为执行器件，通过单片机程序完成对室内温度控制。

2.1系统的主要要求

（1）温度设定范围为-100--450C，最小区分温度为10C，标定温差小于≤10C。

（2）用二位十进制数码显示当前温度

（3）能根据设定的温度进行加热或降温处理。

（4）设计出系统控制单元

2.2系统的工作原理

在温度控制系统中，需要对温度的变换转换为对应的电信号的变化，选用89S51单片机为中央处理器，通过温度传感器对空气温度进行温度采集，将采集到的温度信号传输给单片机，再有单片机控制显示器，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，从而模拟实现空调温度控制单元的动作情况。

工作流程说明如下

开始，先接通电源，四段数码显示器就自动显示当前温度，并且显示出设置温度的缺省值000.

按下S1键，功能转换键，按此键则开始键盘控制。

此时通过键盘输入预设值的温度，按下S2加，按此键则温度设定加一度。按下S3减，按此键则设定温度减一度。S4复位键，使系统复位。

就这样通过温度芯片的反馈信息，实现温度保持在设定温度上，从而达到自动控制温

度的功能。

2.3系统的主要技术指标

测温范围：-55℃- +100℃

温度分辨率：±0.5V

LED显示位数：4

3 系统的结构框图

系统的硬件电路有温度传感器、A/D转换、LED显示等部分组成，总体方案结构见下图所示

图 2-1 空调温度控制单元结构图

实现方案的技术路线为：用按钮输入标准温度值，用LED实时显示环境温度，用驱动电路控制完成加热和制冷调节。用汇编语言完成软件编程。

4 硬件单元方案设计与选择

硬件设计部分将先寻找电源电路最合适的设计方案，在进行单元电路设计。最后介绍所用到的两个特殊元件。

4.1 温度传感部分温度控制

要求对温度和与温度有关的参量进行检测，应考虑用热电阻传感器。按照热电阻的性质可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1：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，其阻值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上升而降低。可满足40℃～ 90℃测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，不适用于检测小于1℃的信号；而且线性度很差，不能直接用于A/D转换，应该用硬件或软件对其进行线性化补偿。

方案2：采用温度传感器铂电阻Pt1000.铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，他能用作工业测温元件，且此元件线性较好。在0℃～ 100℃时最大非线性偏差小于0.5℃铂热电阻与温度的关系是，Rt=R0(1+At+Bt*t)；其中Rt是温度为t摄氏度时的电阻；R0是温度为0℃时电阻；t为任意温度值，A、B为温度系数。但其成本太贵，不适合做普通设计。

方案3：采用集成温度传感器，如常用的AD590和LM35。AD590是电流型温度传感器。这种器件是以电流作为输出量指示温度，其典型的电流温度敏感度是1μA/K.它是二端器件，使用非常方便，作为一种高阻电流源，他不需要严格考虑传输线上的电压信号损失噪声干扰问题，因此特别适合作为远距测量或控制用。另外，AD590也特别适用于多点温度测量系统，而不必考虑选择开关或CMOS多路转换开关所引起的附加电阻造成的误差。由于采用了一种独特的电路结构，并利用最新的薄膜电阻激光微调技术校准，使得AD590具有很高的精度。并且应用电路简单，便于设计。

方案选择：选择方案3。理由：电路简单稳定可靠，无需调试，与A/D连接方便。

4.2 A/D转换部分

模/数转化器是一种将连续的模拟量转化成离散的数字量的一种电路或器件模拟信号转换为数字信号一般需要经过采样保持和量化编码两个过程。针对不同的采样对象，有不同的A/D转换器（ADC）可供选择，其中有通用的也有专用的。有些ADC还包含有其他功能，在选择ADC器件时需要考虑多种因素，除了关键参数、分辨率和转换速度以外，还应考虑其他因素，如静态与动态精度、数据接口类型、控制接口与定时、采样保持性能、基本要求、校准能力、通道数量、功耗、使用环境要求、封装形式以及与软件有关的问题。ADC按功能划分，可分为直接转换和非直接转换两大类，其中非直接转换又有逐次分级转换、积分式转换等类型。

A/D转换器在实际应用时，除了要设计适当的采样/保持电路、基准电路和多路模拟开关等电路外，还应根据实际选择的具体芯片进行模拟信号极性转换等的设计。

方案1：采用分级式转换器，这种转换器采用两步或多步进行分辨率的闪烁式转换，进而快速地完成“模拟-数字”信号饿转换，同时可以实现较高的分辨率。例如在利用两步分级完成n位转换的过程中，首先完成m位的粗转换，然后使用精度至少为m位的数/模转换器（ADC）将此结果转换达到1/2的精度并且与输入信号比较。对此信号用一个k位转换器（k+m<=n）转换，最后将两个输出结果合并。

方案2：采用双积分型A/D装换器，如ICL7135等。双积分型A/D转换器转换精度高，但是转换速度不太快，若用于温度测量，不能及时地反应当前温度值，而且多数双击分型A/D转换器其输出端多不是而二进制码，而是直接驱动数码管的。所以若直接将其输出端接I/O接口会给软件设计带来极大的不方便。

方案3：采用逐次逼近式转换器，对于这种转换方式，通常是用一个比较输入信号与作为基准的n位DAC输出进行比较，并进行n次1位转换。这种方法类似于天平上用二

进制砝码称量物质。采用逐次逼近寄存器，输入信号仅与最高位（MSB）比较，确定DAC 的最高位（DAC满量程的一半）。确定后结果（0或1）被锁存，同时加到DAC上，以决定DAC的输出（0或1/2）。

逐次逼近式A/D转换器，如ADC0809、AD574等，其特点是转换速度快，精度也比较高，输出为二进制码，直接接I/O口，软件设计方便。ADC0809芯片内包含8位模/数转换器、8通道多路转换器与微机控制兼容的控制逻辑。8通道多路转换器能直接连通8个单端输入信号中的任何一个。由于ADC0809设计时考虑到若干种模/数转换技术的优点，所以该芯片非常适合于过程控制、微控制器输入通道的结合口电路、智能仪器和机床控制等应用场合，并且价格低廉，降低设计成本。

方案选择：选择方案3。理由：用ADC0809采样速度快，配合温度传感器应用方便，价格低廉，降低设计成本。

4.3数字显示部分

通常用的LED显示器有7段或8段“米”字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极两种。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一8位的锁存器输出相连，各个LED 的显示字符一旦确定，相应锁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接口就更多，因此在显示位数较多的情况下，一般都不用静态显示。

方案2：采用动态显示方式。当多位LED显示时通常将所有位的段选线相应的并联在

一起，由一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阳极或共阴极分别有相应的I/O口线控制，实现各位的分时选通。其中段选线占用一个8位I/O口，而位选线占用N个I/O口（N为LED显示器的个数）。由于各位的段选线并联，段码的输出对各位来说都是相同的，因此，同一时刻，如果各位选线都处于选通状态的话，那LED显示器将显示相同的字符。若要各位LED能显示出与本为相同的字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字符的段码。

这种显示方式占用的I/O口个数为8+N（N为LED显示器的个数），相对静态显示少了很多，但需要占用大量的CPU资源，当CPU处理别的事情时，显示可能出现闪烁或者不显示的情况。

方案3：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制地扩展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，既解决了静态显示占用I/O口多的问题，也解决了动态显示不稳定、容易闪烁、占用CPU资源过多的问题。

方案选择：选择方案3。理由：非常节约I/O口，又有静态显示的特点，亮度高，节约CPU的使用率。

4.4加热降温驱动控制电路

采用光耦合双向可控硅驱动电路。它能够达到加热效果，开关量控制容易，驱动简单，驱动系统的抗干扰能力强。由于买不到元件，在该电路的实际焊接中用发光二极管代替。这里就不做详细介绍。

4.5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，这种接口方式适用于按键数量较由行线和列线组成，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在行、列交叉点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键按下时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态由与此电平相连的列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平为高。这是识别矩阵键盘是否被按下的关键所在。由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在行和列的电平，因此，各按键彼此将相互发生影响，所以不必将行、列线信号配合起来并作适当处理，才能决定闭合键位置。

对于矩阵式键盘，矩阵的键盘由行号和列号唯一决定，所以分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。但这种编码对于不同行的键，离散性大，并且编码的复杂度与键盘的个数成正比，因此不适合在出入量较小的设计中。

方案2：采用独立式按键接口。这种方式是各种键盘相互独立。每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。

独立式按键电路配置灵活，软件简单。但每个按键需占用一根输入口线，在按键数量较多时需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。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，即可识别出按下的按键。

方案选择：选择方案2。理由：减少单片机的I/O口的使用，设计简单。配置灵活，软件简单。虽然每个按键需占用一根输入口线，但该设计所用按键较少。

5 温度控制系统的单元电路设计

5.1温度采集电路

温度采集系统主要由AD590、OP-07。ICL8069组成，如图4-1所示

图 4-1 温度采集系统电路

选用温度传感器AD590，AD590具有较高精度和重复性（重复性优于0.1℃，其良好的非线形可以保证优于0.1℃的测量精度，利用其重复性较好的特点，通过非线形补偿，可以达到0.1℃测量精度）。超低温漂移高精度运算放大器OP-07将“温度-电压”信号放大。便于A/D进行转换，以提高温度采集电路的可靠性。

集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出为2.982V。电流输出型的灵敏度为1μA/K。这样便于A/D转换器采集数据。

5.2 A/D转换电路

选用89S51作为中央处理器，A/D转换器选用ADC0809，其连接电路如图4-2所示。

图4-2 单片机与A/D转换连接电路

用单片机控制ADC时，多数采用查询和中断控制两种方式。查询法是在单片机把启动命令送到ADC之后，执行别的程序，同时对ADC的状态进行查询，以检查ADC变换是否已经完成，如查询到变换已结束，则读入转换完毕的数据。中断控制是在启动信号送到ADC 之后，单片机执行别的程序。当ADC转换结束并向单片机发出中断请求信号时，单片机响应此中断请求，进入中断服务程序，读入转换数据，并进行必要的数据处理，然后返回到原程序。这种方法单片机无需进行转换时间管理，CPU效率高，所以特别适合于变换时间较长的ADC。本设计采用查询方式进行数据收集。由于ADC0809片内无时钟，故运用8051提供的地址锁存使能信号ALE经D触发器二分频后获得时钟。因为ALE信号的频率是单片机时钟频率的1/6，如果时钟频率为6MHz,则ALE信号的频率为1MHz，经二分频后为500kHz，与AD0809时钟频率的典型值吻合。由于AD0809具有三态输出锁存器，故其数据输出引角可直接与单片机的总线相连。地址码引脚ADDA～C分别与地址总线的低3位A0、A1、A2相连，以选通IN0～IN7中的一个通道。采用单片机的P2.7（地址总线最高位A15）作为A/D的片选信号。并将A/D的ALE和START脚连在一起，以实现在锁存通道地址的同时启动ADC0809转换。启动信号由单片机的写信号和P2.7经或非门而产生。在读取转换结果

时，用单片机的读信号和P2.7经或非门加工得到的正脉冲作为OE信号去打开三态输出锁存器。编写的软件按下列顺序动作：令P2.7=A15=0,并用A0、A1、A2的组合指定模拟通道的地址；执行一条输出指令，启动A/D转换；然后根据所选用的是查询、中断、等待延时三种方式之一的条件去执行一条输入指令，读取A/D转换结果。

ADC0809是一个8路8位逐次逼近的A/D转换器。AD0809的转换时间为100μs。在CPU 启动A/D命令后，便执行一个固定的延时程序，延时时间应略大于A/D的转换时间；延时程序一结束，便执行数据读入指令，读取转换结果。我们只用了其一路AD转换，参考电压2.56V，即一位数字量对应10mV即1℃。所以用起来很方便。

5.3显示电路

采用74LS164与单片机相连，如图4-3所示。

进行I/O口扩充，并通过74LS164与LED连接达到显示的目的。74LS164是8位串入并出移位寄存器，当单片机串行口工作在方式0的发送状态时，串行数据由P3.0(RXD)送出，移位时钟由P3.1(TXD)送出。在移位时钟的作用下，串行口发送缓冲器的数据一位一位的移入74LS164中。需要指出的是，由于74LS164无并行输出控制端，因而在串行输入过程中，其输出端的状态会不断的变化，故在某些固定场合。在74LS164的输出端应加接输出三态控制。

其传输方式采用串行口方式0的数据传送，可采用中断方式，也可采用查询方式，无论哪种方式，都要借助于TI或RI标志。串行发送时，可以靠TI置位（发完一帧数据后）引起中断申请，在中断服务程序中发送下一帧数据，或者通过查询TI的状态，只要TI为0就继续查询，TI为1就结束查询，发送下一帧数据。在串行接收时，则由RI引起中断或对RI查询来确定何时接收下一帧数据。无论采用什么方式，在开始通讯之前，都要先对控制寄存器SCON进行初始化。在方式0中，将00H送SCON就可以了。

显示采用3位共阳LED静态显示方式，显示方式有温度值的十位、个位及负位，这样

就可以只用P3.0（RXD）口来输出显示数据，从而节省单片机端口资源，在P3.1(TXD)的控制下通过74LS164来实现3位静态显示。就是每一个显示器都占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形代码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销较小。

图4-3 显示电路

5.4驱动控制电路

光耦合双向可控硅驱动器是一种单片机是输出和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，输入部分为砷化镓发光二极管，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。输出部分为硅光敏双向可控硅，在红外线作用下可双向导通。该器件为六引脚双列直插式封装。（由于买不到元件，在该电路的实际焊接中用发光二极管代替，这里就不做详细介绍）。

5.5键盘电路

采用独立式按键设计，如图4-5所示。

图 4-5 键盘电路

每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。软件设计采用查询方式和外部中断相结合的方法来设计，低电平有效。按键直接与89S51的I/O口线相连接。通过读I/O口的电平状态，即可识别出按下的按键。

4个按键分别接到P1.0、P1.1、P1.2和RST。对于这种键各程序可以采用中断查询的方法，功能就是：检测是否有键闭合，如有键闭合，则去除键抖动，判断键号并转入相应的键处理。其功能很简单，4个键定义如下。

P1.0:S1 功能转换键，按此键则开始键盘控制。

P1.1:S2加，按此键则温度设定加1度。

P1.2:S3减，按此键则温度设定减1度。

P1.4:S4复位键，使系统复位。

5.6电源电路

电源也不能小视，每一个系统的电源都不容马虎，电源虽然简单，但需要功能可靠。通过对电路的观察，发现设计所有电源都是直流电源+5V.可由直流稳压电源提供。

6 温度控制系统的软件设计

6.1主程序流程图及子程序流程图

软件设计从主程序流程图设计开始，一次编制出各子程序。

6.1.1主程序设计

本程序主程序流程图如图5-1所示。

程序启动后，首先清理系统内存，然后进行采集，并通过A/D转换后，传输到单片机，再由单片机控制显示设备，显示现在的温度，然后系统进入待机状态，等待键盘输入设定为温度，然后系统将设定温度与现在温度进行比较，得出结果后，启动制冷系统或是加热系统。

图 5-1 主程序流程图

6.1.2A/D转换子程序设计

图5-2是A/D转换子程序流程图。89S51给出一个脉冲信号启动A/D转换后，ADC0809对接受到的模拟信号进行转换，这个转换过程大约需要100μs,系统采用的是固定延时程

序，所以在预先设定的延时后，89S51直接从ADC0809中读取数据。

图

5-2 A/D转换子程序

6.1.3显示子程序设计

当系统传送一个字节数给74LS164时，利用UART模式0。把DISPLAY_DATA中的初始数显示到LED1和LED2，十位数值显示到LED1，个位数值显示到LED2；当十位数值为0时