以单片机为核心的空调温度控制单元设计

崔作庆

肇庆市技师学院

以单片机为核心的空调温度控制单元设计

崔作庆

肇庆市技师学院

崔作庆，肇庆市技师学院，学历：本科，职称：空调与制冷工程师。

本文是以单片机为核心的温控单元的设计制作过程。温差≤1℃，液晶显示温度。该设计用温度传感器AD590准确测量温度，运算放大器OP07把放大的温度-电压信号送入ADC0809进行A/D转换，再把数字信号传给单片机，由单片机比较实测温度与设定温度，最后控制空调机工作。

概述

课题的意义

空调机是对空气的温度、湿度、洁净度和空气流动速度等参数进行调节，以满足人体舒适性或生产工艺性的要求。温度是“四度”中最重要的一个参数，而温度控制是否准确，是影响空调系统运行好坏的一个重要因素。

高精度温控就是把温度控制得更加精准，更好地满足舒适性，特别是工艺性空调的要求。例如菌种的培养车间、药厂的车间、高精度实验室等场合都需要有精准的温度控制。而一般空调机的温控在2～3℃左右，误差较大。

要做到对温度的精准控制，首先就需要非常灵敏的温度测量装置进行检测，将准确的采集信号通过高灵敏度的温度传感器送到微处理器，用微处理器来实现对空调机的高精度温度控制，这样才能满足高精度的要求。单片机系统有体积小、性价比高、指令丰富、控制灵活、外围接口部件多等优点，其在温控领域得到广泛应用。

本课题的工作

本文针对单片机对温控系统若干关键技术进行研究，主要在以下三个方面：①以低成本为核心的总体设计方案，系统的组成及工作原理。②系统的硬件设计。③系统的软件设计。

硬件

总体设计

选用89S51单片机为中央处理器，用高精度的温度传感器AD590实时精确测量温度，用运算放大器OP07放大温度-电压信号， ADC0809进行A/D转换后的信号传给单片机，由单片机控制液晶显示器，并与设定温度比较，最后对空调机发出信号指令，控制空调机的运行。

温度传感器AD590具有较高精度和重复性。超低温漂移精度运算放大器OP07放大温度-电压信号，便于A/D转换，以提高温度采集电路的可靠性。

ADC0809是一个8路8位逐次逼近的A/D转换器。转换时间为100μs。在CPU启动A/D命令发出后，执行一个固定的延时程序，读入数据指令，读取转换结果。

液晶显示模块是将液晶显示器件与控制、驱动电路和PCB板装配在一起的组件，可以直接与单片机连接。

总体方案结构如图1所示。

其技术路线为：用按钮输入标准温度值，用LCD实时显示空气温度，用驱动电路控制压缩机完成制冷机的运行，用汇编语言完成软件编程。

温度采样电路

AD590是一种半导体集成电路。该传感器的线性度好，精度适中，灵敏度高，体积小，使用方便，因此常用于测量和热电偶的冷端补偿。温度采集系统主要由AD590、OP07、IN4732组成。

A/D转换电路

由信号处理电路输出的信号为模拟信号，必须转化为数字信号，才能被单片机处理，它是模拟系统与计算机的接口部件。

本系统采用ADC0809大规模集成电路芯片，是一种具有8路模拟量输入的8位A/D转换器，采用逐次逼近式A/D转换器，输出的数字信号有三态缓冲器，可以和单片机直接接口。ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个8位A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

图1　总体结构框图

单片机的选择

本系统控制程序简单，尽量采用整型运算，尽可能避免浮点数运算，故运算量小，故一般的51 单片机都可满足要求。选择时考虑了以下因素：①单片机应有内部程序存储器和数据存储器，避免扩展造成系统复杂，增加了系统的不稳定性。②因需要调试软件，故单片机内存应可以多次擦写。③程序中使用了外部中断0 和时间中断T0，所选单片机应该有两个以上中断源。④程序算法简单，单片机应支持MCS-51 系列通用汇编语言开发，以利于软硬件的结合。

ADC0809片内无时钟，故利用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。ALE信号的频率是单片机时钟频率的六分之一，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ADC0809时钟频率吻合。ADC0809具有三态输出锁存器，故其数据输出引脚可直接与单片机的数据总线相连。地址码引脚ADD A～C分别与地址总线的低三位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转换的ALE和START脚相连，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指令，读取A/D转换结果。

数字显示部分

显示模块的选择

液晶显示器以其电压低、体积小、功耗少等特点，在便携仪表和低功耗系统中的应用越来越多。液晶显示模块是将液晶显示器与控制、驱动电路和PCB板装配在一起的组件，带有串行接口或并行接口，可以直接与单片机连接。

点阵字符型液晶显示模块是由点阵字符液晶显示器和专用的行、列驱动器、控制器及必要的连接件、结构件装配而成，可以显示数字和西文字符。选用此模块。

LCD1602简介

LCD1602可显示2行16个字符，有8位数据总线。有D0-D7，和RS、R/W、EN三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节。其应用电路简单，便于设计。

驱动控制电路

驱动控制系统采用发光二极管代表加热或制冷。

键盘电路

选用独立式按键接口。这种方式各种按键相互独立，每个按键接一根输入线。其工作状态不影响其他输入线。软件设计选用查询方式和外部中断相结合的方法来设计。按键直接与89S51的I/O口线相连接，通过读I/O口，判定各I/O口的电平状态，即可识别出按下的按键。

温度控制系统软件实现

主程序模块

主程序模块主要完成控制系统各部件的初始化和实现各功能子程序的调用，以及测量中各功能模块的协调在无外部中断申请时，单片机通过循环对外部温度进行实时显示。本设计主程序流程图如图2所示。

系统程序启动后，先清理系统内存，然后采集温度，A/D转换后，传输到单片机，再由单片机控制显示设备，然后系统进入待机状态，等待键盘输入设定温度，然后系统将设定温度与现在的温度进行比较，得出结果后，控制空调设备的运行。

A/D转换子程序

89S51给出一个脉冲信号启动A/D转换后，ADC0809对接收到的模拟信号进行转换，在预先设定的延时后，89S51直接从ADC0809中读取数据。

系统仿真及测试

仿真

通过ISIS软件，进行仿真。分别调整温度上升到35℃和下降到-10℃。软件测试：测试使用伟福（WAVE）6000仿真器。通过测试，达到控制要求。

图2　主程序流程图

系统调试

静态测试

在不通电源，不插器件的情况下，用万用表×100Ω挡按图纸的接线点检测电阻。最后测量电源正、负极入口处电阻，不应有短路现象。

通电测量

不插器件，用万用表×10V挡检测电路电压。只有与电源端相连或有关分压端的引脚才有电压，其他引脚都不应有电压。检测电位器上的分压电源，调整到所规定的电压值。

动态测试

所有器件插好通电，观察几秒，如果有异常现象，立即断电，查明原因并改正。

联机统调

将程序写入ROM，通电调试。用键盘输入目标温度值，检测驱动电路输出信号是否正确。连接空调机，调整温度设定。观察到标准温差≤1℃，并能根据设定的温度实现自动加热或降温处理。

总结

在制作过程中，一定要认真检查每个步骤。若在合理布线，装配无误时还出现电路无输出的情况，那就是原理图错误，就要检查原理图。总的检查顺序是原理图、PCB图、装配情况、焊接工艺。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.032