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空调器微电脑控制系统的软件设计

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设计空调控制系统需要实现的主要功能
本设计中,要求设计空调的运行方式有正常、自动、睡眠;具有温度设定和恒温控制的功能,其中测温范围为-25℃~+45℃,精度为±0.5℃;风机能够自动调速;可以进行超压保护,自动除霜。

2.2 设计思想与方案
在查阅了大量关于空调控制的理论资料后,我结合自己的设计要求,拟定出了自己的设计方案。设计方案是这样:在设计中采用单片机作为控制核心,用温度传感器对外界进行温度数据的采集,用直流电机操纵风向风速。用户通过键盘输入对空调器进行管理操作,通过数码显示管观察温度等参数。总体方案如图2-1。
图2-1 系统设计方案图

设计系统功能和工作流程是这样:在空调开机后,启动温度传感器检测外界温度,并把温度显示在数码管上,如果外界温度小于或者等于0℃ ,则启动除霜电路10min;如果是大于0℃,则不启动除霜电路。之后检测键盘是否有输入的功能键值,如果有的话,则根据功能键值进入相应的运行模式。定义功能键值为:键值为“10”,对应功能为正常模式;键值为“11”,对应功能为自动模式;键值为“12”,对应功能为睡眠模式。设计的主程序流程如图2-2[4]。


图2-2 主程序流程图

关于空调的运行模式,我定义为以下三种:第一种是正常模式,将室温控制在18℃~24℃这个温度范围,因为这个温度范围是人体感觉最舒适的范围。在空调开始调节时,让风机以最大功率转动,同时让室温用LED显示。当温度达到18℃或者24℃时,风机转速下降到一定速度,由于惯性原因,温度会在18℃~24℃范围内。当温度又超出该范围时,风机又大功率运转制冷或者制热,保持温度在18℃~24℃范围内。在整个正常模式的运行过程中,一旦检测到功能键输入,则根据输入值进入相应的工作模式。
第二种是自动模式,由用户设定一个温度t ,空调将自动控制室温t= t 。当t〈t -2或者t〉t +2时,风机以最大功率运转;当t -2〈t〈t 或者t 〈t〈t +2时,风机以小功率运转。即高速接近设定温度,低速达到设定温度。在整个自动模式中,一旦检测到功能键输入,则进入相应工作模式。
第三种是睡眠模式,因为人体睡眠的最佳温度是在12℃~16℃之间,即盖被后不至于蹬被的温度,因此在该模式开始工作时,空调将室温先调节在12℃,然后每隔两小时将室温上调一度。这样安排调节方式,在时间上差不多就是一个人在晚上的睡眠时间了。在这种工作方式下,在刚开始时风机会以最大功率运转来调节到12℃,在每两小时的调节温度时,风机才低速转动(因为调节幅度都不大),其他时间风机不工作。这样设计的优点是噪音小,功耗低,而且随夜晚温度的逐渐降低而逐渐调高室温,让人体感觉更舒适,不会以为夜晚的降温而感冒。

2.3 器件确定
在本次设计中,考虑到单片机的资源、单片机的成本、器件资料查找的难易程度以及自己在设计中的需求情况,我选用AT89C51作为微控制器[5]。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压,高性能CMOS 8位微处理器。因为有FPEROM,在系统开发过程中进行程序修改十分容易,可以大大缩短系统的开发周期。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AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51有32个I/O接口,基本满足设计需要。AT89C51普及多年,应用资料相当广泛,方便查阅,而且价格也比较便宜[6]。
对于温度测量芯片,本着尽量节约单片机资源的思想,我选择DS18B20[7]。我最看重的主要是其“一线总线”的连接特点,在与单片机的连接中只占用一个I/O端口,这对I/O端口并不富余的AT89C51来说是比较有利的选择。而且DS18B20的温度测量范围是-55℃~+125℃,测量分辨率为0.0625℃,在-10~+85℃时精度为±0.5℃,基本满足了设计需求。由于现场温度是直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性,适合于恶劣环境的现场温度测量,所以DS18B20的应用非常广泛,资料比较丰富,这在设计中可以给我提供莫大的帮助[8][9]。
在设计中,需要13个按键,由于找不到合适的键盘,只能自己设计一个。在设计方式的选择上,无论使用独立式键盘还是矩阵式键盘,都需要多个I/O端口,考虑到单片机接口资源这个因素,我选择将键盘设计成改进型I/O端口复用方式。使用这种方式的键盘,只需要占用3个I/O端口就能实现16个按键[10]。
在直流电机的控制上,我选择L298芯片。L298驱动芯片是高电压、大电流电机驱动芯片,性能优越。它可被用来驱动两个直流电机或者是双极性步进电机,在6——46V的电压下,可以提供2A的额定电流。通常为保证L298正常工作,必须加装片外续流二极管[11]。
在设计要求中,温度的范围是-25℃~+45℃,而且在我的所见中,空调显示的也是两位整数,没有说显示到小数,因此我选择的是7SEG-MPX2-CC-BLUE,用于显示温度,这个器件是蓝色两位共阴极数码管。

2.4 本章小结
本章通过查阅与空调控制相关的资料,加深了对空调控制系统的基本理论和原理的理解,通过对设计要求的思考,制定了设计方案。之后对器件的需求进行分析,根据自己的设计情况,通过比较筛选,选择出最适合自己设计的芯片和设计方法。
 

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