課程設計（論文）基于單片機的溫度控制電路設計

1、 基于單片機的溫度控制電路設計學 院江漢大學機建學院專 業(yè)光機電一體化班 級學 號姓 名指導教師負責教師江漢大學機電與建筑學院2012年2月摘 要本文介紹了基于c51單片機和電壓比較器的空調溫度自動控制系統(tǒng)，重點研究了溫度采集模塊和電壓比較模塊。通過對溫度采集模塊不同方案(熱電偶傳感器、電阻式溫度探測器和半導體型溫度傳感器)的比較和分析，得出最佳結果，并詳細分析了溫度傳感器ad590分別在單片機和電壓比較器控制下的工作流程；通過分析空調控制器工作原理，結合課本知識，設計出電壓比較模塊電路和a/d轉換電路。本文在闡述多點測溫系統(tǒng)設計背景及單片機工作原理的基礎上，詳細介紹了該系統(tǒng)的硬件和軟件設計過

2、程。其中，硬件設計是以at89s52單片機和ds18b20數字溫度傳感器為核心器件，主要由四路溫度采集、單片機數據處理、鍵盤輸入、lcd溫度顯示等四部分組成。軟件設計采用模塊化編程方法，使得程序易于調試和維護，并利用c語言實現數據處理、lcd顯示、鍵盤掃描等各功能子程序的編寫，并通過protel dxp軟件對該系統(tǒng)的各項功能進行了仿真。大量實驗表明，所設計的單片機空調測溫系統(tǒng)能夠較好實現空調各項功能。該系統(tǒng)結構簡單、抗干擾性強、實用性強，具有一定的工程應用價值。關鍵詞：c51單片機；電壓比較器；溫度傳感器； a/d轉換電路lcd顯示abstract this article describes

3、 the automatic control system of air-conditioning temperature which bases c51 microcontroller, and focusing on the temperature acquisition module and the voltage comparator module. through temperature acquisition module on different options (thermocouple sensors, resistance temperature detectors and

4、 semiconductor temperature sensor) in comparison and analysis to obtain best results. and i make a detailed analysis of work flow temperature sensor ad590. by analyzing the working principle of air conditioning controller, combined with textbook knowledge to design a voltage comparator circuit modul

5、e. in addition, the paper also describes the temperature control system used in the microcontroller and the a / d converter circuit design. this article analyses more temperature measurement system design background and single chip microcomputer, the basic principle of the system is discussed in det

6、ail the hardware and software design process. among them, the hardware design is at89s52 scm and digital temperature sensor ds18b20 for the core device, and the main road 4 temperature gathering and single-chip microcomputer data processing, keyboard input, lcd temperature display four components. t

7、he software design using modular programming method, and makes the program is easy to debug and maintenance, and by using c language implementation data processing, lcd display, keyboard scan each function and the writing of the procedure, and through the system software protel dxp each function of

8、the simulation. experiments show that the design of the single chip microcomputer temperature measuring system is able to air conditioning better realize the function of air conditioning. the system structure is simple and robust of, practical strong, has some of the engineering application value. k

9、ey words: c51 microcontroller; voltage comparator; temperature sensor; a / d converter circuit；lcd目錄摘要3第一章：緒論1.1課題來源1.2溫度采集系統(tǒng)的意義1.3研究的目的及意義1.4溫度傳感器的國內外研究動態(tài)第二章：整體思路32.1系統(tǒng)設計方框圖2.2系統(tǒng)方案選擇2.3系統(tǒng)部件功能簡介第三章溫度采集部分4 3.1溫度傳感器43.113.1.23.1.33.2 ad590的分析研究63.2.13.2.2第四章：電壓比較器7第五章：單片機和a/d轉換電路軟件設計設計95.1a/d轉換程序流程圖5.

10、2顯示程序流程圖總結10參考文獻11附錄 引言空調作為一種季節(jié)性很強的市場，進入到2011冷凍年度以來，還是走出了與往年迥異的走勢，其特點也與往年有所不同。新年度開盤至今已經整整五個多月了，縱觀這淡季五個月的時間，其實空調行業(yè)并不平靜，走出了先抑后揚的走勢。.用一句當下時髦語言來說中國空調產業(yè)的話，那就是2010年很給力。據國家統(tǒng)計局公布的一份工業(yè)主要產品產量及增長速度表顯示，截至今年11月，國內空調器的產量突破1億臺，達到10287.8萬臺。這一數據進一步表明，中國作為全球最大的空調制造基地地位，已是無人能夠撼動。不過空調作為一種季節(jié)性很強的市場，進入到2011冷凍年度以來，還是走出了與往年

11、迥異的走勢，其特點也與往年有所不同。新年度開盤至今已經整整五個多月了，縱觀這淡季五個月的時間，其實空調行業(yè)并不平靜，走出了先抑后揚的走勢。2011冷凍年度開盤是相對比較平淡的，與往年那種高調開盤形成了鮮明的對比。上年度開盤，行業(yè)企業(yè)基本上都是集中在89月份召開年度經銷商會議，而今年開盤僅有為數不多的幾家品牌召開會，并且會議規(guī)模也不如上年度那么大。上年度格蘭仕空調的中國市場年會參加經銷商達到3000多人，今年包括格蘭仕在內的多數品牌只是召開核心經銷商會議，并且在規(guī)模上顯得也比較小，完全沒有那種轟轟烈烈的規(guī)模氣勢。今年開盤前期市場為何相對比較沉寂呢？客觀上講，一來2010年旺季持續(xù)時間比較長，直到

12、8月份市場還在旺銷，勞累了整整一個旺季，不論廠家還是商家，都需要一個休養(yǎng)生息的時間，因此開盤初期出現一段時期的平淡也是在情理之中；二來往年強勢開盤目的就是為了吸引經銷商淡季打款，今年在流動性充裕的經濟環(huán)境下，出臺淡季吸款政策的沖動并不是很強；三來2010年旺季持續(xù)時間比較長，庫存基本上消化完畢，少了清理老庫存的壓力；四來經過行業(yè)的洗牌升級，行業(yè)品牌的集中度已經非常之高。生存下來為數不多的品牌，相對已是比較理性，在市場上大幅炒作的沖動已很小。從主觀上來說，市場在淡季前期沉寂，還有一個微妙的因素，也是大家不愿說或者是不便說的。那就是在2010年實施“節(jié)能惠民”、“以舊換新”政策中，不論廠商普遍有一

13、些投機取巧，鉆政策空子的行為。淡季前期正是各廠商結算政策補貼的關鍵時期，并且政府有關部門對此狀況有所了解，當時正在各地做有針對性的調研。在此節(jié)骨眼上，沒有哪個廠家會高調拋頭露面，否則那不是自找麻煩嗎？在當時，偃旗息鼓靜觀其變才是最為理智策略，這就是為什么2011年開盤初期市場沉寂的重要原因之一。綜上所述，淡季前期不是各品牌不給力，而是由各種因素糾結在一起，制約各個廠家不愿過早發(fā)力?；顒釉龆噢D活躍進入到淡季中期，也就是2010年10月底以后，市場環(huán)境情況似乎也發(fā)生了變化，行業(yè)很快就進入到給力期。一方面主要是針對各企業(yè)執(zhí)行“節(jié)能惠民”與“以舊換新”的調查已經告一段落，該結算的已經獲得結算，企業(yè)的后

14、顧之憂已經基本解決；另一方面市場也急需得到啟動，否則淡季市場不能夠放量，實現一部分銷售額，一年的計劃恐怕就的泡湯。在空調產品進入中國市場初期，所謂淡季基本上是不做銷售的。隨著各個企業(yè)產能的不斷擴大，如果僅依靠旺季做銷售，已經遠不能滿足產能的釋放。因此，聰明的國內空調人，就發(fā)明了淡季吸款放貨，把產品輸送到產業(yè)鏈的流通環(huán)節(jié)中，迫使經銷商在淡季也想辦法促銷，實現淡季銷售比例的擴大。國內空調市場起步初期那種淡季“刀槍入庫，馬放南山”的景象已不復存在。進入2010年10月之后，行業(yè)主流品牌都開始逐步活躍起來。10月末，美的集團舉行了隆重的慶典儀式。集團董事局主席何享健宣布，截至今年10月，美的集團銷售收

15、入首次突破1000億元。他同時提出“再造一個美的”的目標：到2015年美的實現銷售收入2000億元，其雄心何其壯也。11月8日，海信科龍在青島召開主題為“合作、共贏、新起點”的2010年空調全球核心供應商大會，旨在空調核心部件的研發(fā)升級、戰(zhàn)略采購、未來發(fā)展方面締結戰(zhàn)略同盟，以進一步發(fā)揮海信科龍在變頻空調領域的技術優(yōu)勢和提升市場地位。進入2010年12月份，市場更是好戲來臺。12月13日奧克斯“熱霸”空調上市發(fā)布會暨奧克斯空調2011年產品戰(zhàn)略發(fā)布會在北京舉行，展示了奧克斯有效解決空調制熱軟肋的新技術產品，標志著奧克斯空調實現了從價格戰(zhàn)向價值戰(zhàn)的華麗轉型成功；12月17日，廣州松下召開主題為“智

16、慧引擎品鑒節(jié)能舒適”的新品發(fā)布會，18各系列的新產品驚艷亮相，展示了松下技術領先的產品優(yōu)勢。不久，12月20日志高空調與國際同業(yè)協會共同在北京聯合宣布，全球首臺“cu銅抑菌家用空調”面世，一方面彰顯了志高在空調領域強大的研發(fā)制造能力，另一方面表明了志高在進軍產品高端領域的決心與實力。一系列眼花繚亂的市場行為，在年末的空調市場掀起了一輪又一輪的波瀾。各個廠家不惜氣力的進行一系列市場運作，目的很明顯，就是為了啟動淡季市場，給2011冷凍年度整體銷售奠定堅實的基礎。產品升級為重點與往年不同的是，2011冷年淡季市場活躍的焦點，主要集中在新技術、新產品的發(fā)布與推廣，決非以往多關注在市場概念的宣傳與炒作

17、上。行業(yè)龍頭格力，進入新年度就宣稱以核心技術打造超薄空調，并且大力宣傳掌握核心技術制造最好的變頻。美的變頻空調再次在全國強勢啟動“超強制熱，送暖千萬家”“賀美的年銷售額突破1000億感恩回饋月”活動，讓空調市場也再次吹起“熱”銷風暴。11月中旬美的高調召開“太陽能直流供電準并網技術的研究及在空調器中的應用”科技成果鑒定會，美的申報的太陽能直流變頻項目成果新穎、獨特，實現了太陽能光伏發(fā)電作為部分動力源的應用新模式，開創(chuàng)了家用電器有效利用太陽能的新途徑。海爾則是推出物聯網空調，把空調產品與先進的網聯網技術掛上了鉤，又在創(chuàng)新上另辟出了溪徑。行業(yè)龍頭們在比拼技術產品，其他品牌也沒有閑著。奧克斯新推出的

18、“熱霸”空調產品，解決了行業(yè)多年來制熱軟肋的問題，其中“熱霸”得到了自主研發(fā)的五大核心技術的支持。志高推出的銅抑菌空調，是對空調健康概念的一個突破，對特別在乎產品健康的高端消費者來說，提供了一個有別于他人的解決方案。格蘭仕則是把無氟制冷劑引用到定頻空調上，為無氟制冷劑的普及做出了貢獻。松下空調是把先進的智能技術應用到空調上，實現了空調的“聰明感應”，真正成為宜人宜居綠色生活的典范。市場競爭轉向產品作為焦點，表明了行業(yè)競爭逐漸趨于理性。特別是各個企業(yè)在研發(fā)的方向上，與往年有了明顯的差異。往年各企業(yè)在研發(fā)上，主要是在尋找怎樣能夠降低成本，以便節(jié)約出資源來打價格戰(zhàn)。今年我們發(fā)現，不論海爾的“物聯網空

19、調”產品、志高的“銅抑菌”空調，還是奧克斯的“熱霸”空調，最基本的一點都是比普通產品增加了成本。如，海爾“物聯網空調”就需要增加用以于網絡連接的控制系統(tǒng)，奧克斯“熱霸“空調需要增加壓縮機、系統(tǒng)、管道，而志高“銅抑菌”則是以貴重的銅替代便宜的鋁來做散熱片。這種以增加成本的創(chuàng)新在以往是難以想象的。企業(yè)能夠把競爭焦點轉向產品，不僅對企業(yè)來說是一件好事，主要的是對整個行業(yè)的健康發(fā)展十分有益。我們知道，在國內空調市場發(fā)展的近20年間，企業(yè)之間的競爭主要體現在價格的比拼上，今年主流品牌都把焦點集中在產品上，說明經過多年來價格戰(zhàn)的紛爭后，已經意識到產品才是最核心的競爭力。因而，集中精力在研發(fā)產品上下工夫，拿

20、出真正有技術競爭力的產品，力求以產品致力于今后競爭中立于不敗之地。 第一章：緒論1.1課題來源隨著單片機和工業(yè)生產自動化程度的不斷提高，單片機測控技術已近得到廣泛推廣和應用。這種單片機測試技術為工業(yè)控制、家用電器和儀器儀表智能化的應用提供了一種全新的、有效的測試方法，并具有很大的使用意義和前景。影響空調溫度的主要參數是環(huán)境的溫度，這兩者之間又是互相關聯的。糧食在正常儲藏過程中，含水量一般在12一下（為安全狀態(tài)），不會產生溫度突變，一旦糧庫進水、結露等是糧食含水量達到20以上時，由于糧食受潮，胚芽萌發(fā)，新陳代謝加快而產生呼吸熱，是局部糧食溫度突然升高，必然引起糧食“發(fā)燒”和霉變，并可能形成連鎖反

21、應，從而造成不可挽回的損失。因此設計出一種經濟實用的糧庫溫濕度智能檢測系統(tǒng)是非常有必要的。本文根據糧倉環(huán)境測試的特點，應用現代檢測理論，對溫室的溫度進行自動監(jiān)測，完成了整個監(jiān)測檢測系統(tǒng)的軟、硬件設計。1概述在現代社會中，溫度控制不僅應用在工廠生產方面，其作用也體現到了各個方面，隨著人們生活質量的提高，酒店廠房及家庭生活中都會見到溫度控制的影子，溫度控制將更好的服務于社會.而今，空調等家用電器隨著生產技術的發(fā)展和生活水平的提高越來越普及，一個簡單，穩(wěn)定的溫度控制系統(tǒng)能更好的適應市場。隨著電子技術的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產生，給人們的生活帶來了根本性的變化，如果說微型計算機的出現使現代的

22、科學研究得到了質的飛躍，那么單片機技術的出現則是給現代工業(yè)控制測控領域帶來了一次新的革命。目前，單片機在工業(yè)控制系統(tǒng)諸多領域得到了極為廣泛的應用。特別是其中的c51系列的單片機的出現，具有更好的穩(wěn)定性，更快和更準確的運算精度，推動了工業(yè)生產，影響著人們的工作和學習。但對于一些簡單的控制模塊，也可以通過集成運放來實現。本文用單片機控制和遲滯電路控制兩種方法設計了空調溫度自動控制系統(tǒng)。由于筆者尚未學習單片機課程，對于很多涉及到單片機專業(yè)知識的內容是通過查找資料得到的；為了與模擬集成電路基礎課程內容相對應，本文主要對傳感器對溫度的采集和溫度調節(jié)部分進行詳細探討，并對所利用到的單片機系統(tǒng)和a/d轉換進

23、行基礎的介紹。溫度采集部分需要用到溫度傳感器對溫度的采集，以及電壓電流變換電路；溫度調節(jié)部分需要用到電壓比較器等，與我們的課程內容相一致。2整體思路思路一：通過溫度傳感器對空氣進行溫度采集，將采集到的溫度信號傳輸給單片機，再由單片機控制顯示器，并比較采集溫度與設定溫度是否一致，然后驅動空調機的加熱或降溫循環(huán)對空氣進行處理，從而模擬實現空調溫度控制單元的工作情況?？照{溫控器主要由單片機，時序電路，溫度采樣電路，a/d轉換電路，溫度顯示電路，溫度輸入電路，驅動電路等組成。系統(tǒng)原理圖見圖1所示：傳感器單片機系統(tǒng)a / d 轉換 溫度調節(jié)執(zhí)行 圖1 思路一設計框圖思路二：通過溫度傳感器對空氣進行溫度采

24、集，將信號送入由遲滯比較器組成的電壓比較電路，進而進行溫度調節(jié)。系統(tǒng)原理圖見圖2所示：電壓比較電路溫度調節(jié)傳感器圖2 思路二設計框圖3溫度采集部分3.1溫度傳感器利用物質各種物理性質隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉換為電量的傳感器。溫度傳感器種類很多，主要有熱電偶傳感器、熱電阻型溫度傳感器、熱敏電阻、晶體管溫度傳感器、pn 結溫度傳感器、熱膨脹型溫度傳感器、示溫涂料型溫度傳感器、輻射式溫度傳感器、熱釋電式溫度傳感器、電容型溫度傳感器、光纖溫度傳感器。3.1.1方案比較在選擇溫度傳感器時應考慮的幾個因素是：溫度測量范圍、精度響應時間、穩(wěn)定性、線性度和靈敏度。目前應用最廣泛的傳感器有熱電偶傳感器、電阻式溫

25、度探測器（rtd），以及半導體型溫度傳感器。其中，半導體型溫度傳感器包括熱敏電阻和pn結型溫度探測器兩種。3.1.2熱電偶傳感器和電阻式溫度探測器表3為熱電偶傳感器和rtd的參數及比較表3由上表可知，若靈敏度、穩(wěn)定性和應用靈活性是最主要的考慮因素時，就應該選擇rtd，但是rtd的成本比熱電偶高。當響應速度為主要考慮因素時，應該選擇熱電偶。3.1.3半導體型溫度傳感器1)熱敏電阻：熱敏電阻由鈷、錳、鎳等金屬的氧化物以不同配方高溫燒結而成，包括三類電阻值隨溫度增加而增加的正電阻溫度系數熱敏電阻(ptc)，電阻值隨溫度增加而減小的負電阻溫度系數熱敏電阻(ntc)和在某一特定溫度下電阻值會發(fā)生突變的臨

26、界溫度電阻器(ctr)。熱敏電阻的測溫范圍一般在-50+350。圖4為熱敏熱敏電阻信號調理電路。 圖4如圖3所示，該電路采用的是單電源供電，熱敏電阻rt與電阻r1，r2，r3 組成電橋電路，r1和r2決定著放大器正向輸入的電壓值；r3和rt決定著放大器反向輸入的電壓值。由于vcc和r1，r2，r3固定，所以正向輸入電壓固定。當溫度變化時，rt的阻值發(fā)生變化，故輸出電壓uo由rt唯一確定。通過該電路可以采集到溫度信息，并將其轉變?yōu)殡娦盘栞敵鏊腿隺/d轉換電路。2)pn結型溫度探測器 pn結型溫度探測器又稱為模擬集成溫度傳感器，是一種利用晶體管的b-e 結壓降不飽和值vbe與熱力學溫度t和通過發(fā)射

27、極電流i的關系來實現對溫度檢測的電路。其具有關系式: 。式中，是波爾茲曼常數，是電子電荷的絕對值。其一般測溫范圍為50150左右，具有電壓輸出和電流輸出兩種輸出形式。pn結型溫度探測器具有線性好、精度高、靈敏度高、體積小、使用方便等特點，是現代溫度傳感器的主要發(fā)展方向之一。3.1.4結論通過以上分析以及結合目前市場上的空調溫度控制系統(tǒng)，可知pn結型溫度探測器更適合空調自動溫度控制。通過查找資料得知，目前市場上的空調溫度采集器大多采用ad590，下面以ad590為例進行分析研究。3.2 ad590的分析研究ad590是美國模擬器件公司利用pn結正向電流與溫度的關系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。

28、在被測溫度一定時，ad590相當于一個恒流源，ad590溫度感測器是一種已經ic化的溫度感測器,它會將溫度轉換為電流,由于此信號為模擬信號，因此，要進行進一步的控制及數碼顯示，還需將此信號轉換成數字信號。它的主要特性如下：1)流過器件的電流（ma）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾文）度數；即式中： (1)ir流過器件（ad590）的電流，單位為ma；t熱力學溫度，單位為k。 2)ad590的測溫范圍為-55+150；3)ad590的電源電壓范圍為4v30v； 4)電壓輸出型的靈敏度一般為10mv/k，溫度0時輸出為0,溫度25時輸出2.982v。3.2.1基于電壓比較器方法的ad590溫度檢

29、測電路在設計測溫電路時，首先應將電流轉換成電壓。因為流過ad590的電流與熱力學溫度成正比，當電阻r1和電位器rp1的電阻之和為lok時，輸出電壓vo的變化為lomv/k。但由于ad590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應對電路進行調整。為了使此電阻精確(0.1%)，可用一個9.6k的電阻與一個1k電位器串聯，然后通過調節(jié)電位器來獲得精確的10k的電阻?；谶t滯比較器方法的ad590溫度檢測電路如圖5示，其中運算放大器a被接成電壓跟隨器形式，以增加信號的輸入阻抗。而運放a2的作用是把絕對溫標轉換成攝氏溫標，給a2的同相輸入端輸入一個恒定的電壓，然后將此電壓放大到2.732v。這樣，a與a2輸出

30、端之間的電壓即為轉換成的攝氏溫標。3.2.2基于單片機處理法的溫度采樣電路當采用思路二時，需要用單片機對溫度采集模塊的輸出信號進行處理，因為ad590是將溫度轉換為電流，而單片機對電壓信號更好測量，所以要將電流轉化為電壓，同時對電壓信號進行放大后輸入a/d轉換adc0801的vi-端口。 電流轉化為電壓表達式如下： (2)由反相比例運算放大電路，根據“虛斷”，“虛短”，集成運放凈輸入電壓為零，凈輸入電流為零，凈輸入電流為零等推算出表達式為： (3) 最后由(1),(2),(3)得到： （4）圖5基于遲滯比較器方法溫度檢測電路圖6基于單片機處理法的溫度采樣電路4電壓比較器電壓比較器是對輸入信號進

31、行鑒別與比較的電路，是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元電路。常用的電壓比較器有單限比較器、滯回比較器、窗口比較器、三態(tài)電壓比較器等。空調溫度控制系統(tǒng)的工作機理：假設空調使室內溫度溫差變化范圍為設定值 +1，即若制冷設定24時，當溫度降到23壓縮機停機，當溫度回升到25壓縮機工作；若制熱設定24時，當溫度升到25壓縮機停機，當溫度回落到23壓縮機工作。由于電路在工作時需要2個閾值電壓，所以滯回電壓比較器滿足工作機理。 圖7圖7示為滯回電壓比較器的電路圖，其門限電壓為門限寬度（回差）：傳輸特性曲線 圖8 當由小變大時，在處跳變；當由大變小時，在處跳變。工作流程：當選擇制冷模式（a模式）時，設定電路輸

32、出正電壓信號時，壓縮機正常工作，輸出負電壓信號時，壓縮機停止工作。由之前的討論可知用ad590采集溫度信息，溫度與輸出電壓成正比。溫度采集模塊的輸出電壓即為電壓比較器的輸入電壓。調節(jié)滯回比較電路，使得當溫度達到25時的為，溫度降為23時的為。同理，當選擇制熱模式（b模式）時，設定電路輸出正電壓信號時，壓縮機停止工作，輸出負電壓信號時，壓縮機正常工作。當選擇a模式時，溫度超過25時，超過，壓縮機開始工作；當溫度小于23，降到以下，壓縮機停止工作。當選擇b模式時，溫度小于23時，降到以下，壓縮機開始工作；當溫度超過25時，超過，壓縮機停止工作。 5單片機和a/d轉換電路設計3.3.2 a/d轉換程序流程圖數模轉換由adc0809來完成，啟動系統(tǒng)后，首先對其進行初始化，然后由單片機的p0口送出通道地址，74ls373鎖存同時送給adc0809的adda、addb、addc來選通采集溫度的通道號；接著單片機發(fā)出啟動a/d轉換信號，開始轉換。轉換完畢，adc0809的eoc發(fā)出轉換完成信號，告訴單片機，單片機進入中斷系統(tǒng)。循環(huán)往復。其流程圖如圖3-9所示。由于空調溫度控制器的核心就是單片機，單片機的選擇將直接關系到控制系統(tǒng)的工作是否有效和協調。本