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1、电子工程学院专业综合课程设计目 录1 绪 论32 温度控制系统简介42.1系统组成42.2系统方块图42.3温度控制系统原理图43 硬件电路的设计53.1 80C51单片机及其最小系统53.2 温度检测与信号放大电路63.3 A/D转换模块83.4 键盘电路103.5 数码管显示电路113.6 压缩机控制驱动电路113.7系统总电路原理图124 软件设计134.1系统流程图设计134.2 A/D转换子程序流程图144.3 LED显示流程图154.5 数字控制算法流程图15总结与体会17参考文献181 绪 论空调即空气调节（air conditioning），是指用人工手段，对建筑/构筑物内环境
2、空气的温度、湿度、洁净度、速度等参数进行调节和控制的过程。一般包括冷源/热源设备，冷热介质输配系统，末端装置等几大部分和其他辅助设备。主要包括水泵、风机和管路系统。末端装置则负责利用输配来的冷热量，具体处理空气，使目标环境的空气参数达到要求。液体汽化制冷是利用液体汽化时的吸热、冷凝时的放热效应来实现制冷的。液体汽化形成蒸汽。当液体（制冷工质）处在密闭的容器中时，此容器中除了液体及液体本身所产生的蒸汽外，不存在其他任何气体，液体和蒸汽将在某一压力下达到平衡，此时的汽体称为饱和蒸汽，压力称为饱和压力，温度称为饱和温度。平衡时液体不再汽化，这时如果将一部分蒸汽从容器中抽走，液体必然要继续汽化产生一部
3、分蒸汽来维持这一平衡。 液体汽化时要吸收热量，此热量称为汽化潜热。汽化潜热来自被冷却对象，使被冷却对象变冷。为了使这一过程连续进行，就必须从容器中不断地抽走蒸汽，并使其凝结成液体后再回到容器中去。从容器中抽出的蒸汽如直接冷凝成蒸汽，则所需冷却介质的温度比液体的蒸发温度还要低，我们希望蒸汽的冷凝是在常温下进行，因此需要将蒸汽的压力提高到常温下的饱和压力。制冷工质将在低温、低压下蒸发，产生冷效应；并在常温、高压下冷凝，向周围环境或冷却介质放出热量。蒸汽在常温、高压下冷凝后变为高压液体，还需要将其压力降低到蒸发压力后才能进入容器。压缩机吸入低压气体经过压缩机压缩变成高温高压气体，高温气体通过换热器把
4、水温提高，同时高温气体会冷凝变成液体。液体在进入蒸发器进行蒸发，（蒸发器蒸发的同时也要有换热媒体，根据换热的媒体不同机器的型号结构也不同，常用的有风冷和地源。）液体经过蒸发器后变成低压低温气体，低温气体再次被压缩机吸入进行压缩。2 温度控制系统简介2.1系统组成本系统由单片机80C51、温度检测电路、键盘电路、显示电路、A/D转换电路、执行电路等部分组成。系统通过这几个部分的协调工作实现房间温度的自动控制。大致过程如下：热电偶测温并转换成电压信号，电压信号由放大电路放大成0-5v信号，再由ADC0808转换成数字信号并将数字信号输入单片机，单片机进行数据处理后通过数码管显示，同时将测定温度与设
5、定温度进行比较，并计算出控制量控制继电器工作，实现压缩机的制冷与加热功能，实现对温度控制。本系统对于独立式键盘设定的温度也进行了显示。2.2系统方块图系统总方块图比较简单，就是一个单闭环回路。通过单回路对温度进行调节控制。如图2-1所示温度给定值80C51构成的控制器温度测量执行器被控对象A/D转换图2-1系统方块图2.3温度控制系统原理图首先我们可以从大体上分析一下系统的控制原理，根据系统的方块图，联系计算机控制的知识，就可以分析出完成这个控制系统需要的模块。然后将这些模块通过一定的逻辑联系组合起来。具体图如图2-280C51单片机温度检测电路A/D转换电路制 冷驱 动设定与测量显示电路键盘
6、电路房 间 制 热驱 动压 缩 机图2-2温度控制系统原理图3 硬件电路的设计硬件电路由80C51单片机最小系统、温度检测电路、A/D转换电路、键盘电路、数码管显示电路、继电器及压缩机执行电路等组成。正是由于这些电路模块的协调工作，系统才能完成它的温度自动控制。3.1 80C51单片机及其最小系统80C51单片机属于MCS-51系列单片机，由Intel公司开发，其结构是8048的延伸，改进了8048的缺点，增加了如乘除减比较16位数据指针布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和五个中断源。80C51采用40引脚双列直插式DIP，内有128个RAM单元以及4K的ROM，80C51有两个十六位定时计
7、数器，两个外中断，两个定时计数中断，及一个串行中断，并有4个8位并行输入口。（1）80C51管脚介绍如下：1）XTAL1、XTAL2 晶体振荡电路反相输入端和输出端。2）ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。3）ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址4）PSEN:外ROM读选通信号。 5）RST/VPD:复位/备用电源。6）RST（Reset）功能：复位信号输入端。7）EA功能：内外ROM选择端。8）80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚，都可以做普通I/O口，P0还可以做数据口和地址第八位输出口，P2还可以做地址高八位口，P3口还具
8、有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。（2）单片机最小系统 如图3-1所示1）晶振电路。单片机内部有振荡电路，但要形成时钟，外部还须加电路。晶振的频率不同，单片机的工作速度也就不同。本次选用6MHz的晶振。所以一个机器周期为2微秒。构成晶振电路还需要电容，对电容值无严格要求，可取20100PF，这里使用30PF的电容。2）复位电路。复位电路对单片机来说是必不可少的。当进行复位操作时，单片机内部各寄存器以及各功能部件便恢复到初始状态。单片机工作后，只要在它的复位端加上一定时间的高电平，单片机就可以有效的复位。51单片机通常采用上电复位和按钮复位两种方式。这里采用按钮复位方式进
9、行复位。3）外接上拉电阻。为了使单片机输出的高电平信号不至于过低，所以接上拉电阻使其为+5V。图3-1单片机最小系统3.2 温度检测与信号放大电路3.2.1 K型热电偶温度传感器K型热电偶作为一种温度传感器，K型热电偶通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。K型热电偶可以直接测量各种生产中从0到1300范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。因此选用K型热电偶作为本温度控制系统的温度传感器。K型热电偶的材料主要采用的是镍铬-镍硅合金构成，正极(KP)的名义化学成分
10、为：Ni：Cr=90：10，负极(KN)的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，它是一种能测量较高温度的性价比很高的热电偶。由于镍铬-镍硅合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。因此这种K型热电偶可长期测量1000度的高温，短期可测到1200度。K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛。热电偶传感器是利用塞贝克（Seeback）效应（第一热电效应）来检测温度的。塞贝克效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。热电偶产生的热电势（温差电势）是由两种导体的接触电势（珀尔帖电势）和单一导体
11、的温差电势（汤姆逊电势）组成的。热电偶回路总接触电势为： (2-1)热电偶回路温差电势为：(2-2) 对于匀质导体A、B组成的热电偶，其总电势为接触电势与温差电势之和，为： (2-3)式中 E电动势； T接触处绝对温度； k波尔兹曼常数，为 ； e电子电荷数； NA、NB金属A、B的自由电子密度； 、 A、B导体的汤姆逊系数。3.2.2 K型热电偶分度表如表3-1所示。表3-1 K型热电偶分度表温度0102030405060708090热电动势mV00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.327
12、5.7336.1376.5396.9397.3387.737由于空调是用来调节房间温度的，所以温度肯定小于90，所以热电偶的输出电压在0-4uV以内。温度测量电路如图3-2。 图 3-2 温度测量电路3.2.3信号放大电路前置放大电路的任务是将小信号放大到A/D转换器的量程范围内（如0-5V）。本设计采用的是固定增益放大电路。将0-4uV的电压放大到0-5V。具体电路图如图3-3。图3-3信号放大电路3.3 A/D转换模块（1）ADC0808系列包括ADC0808和ADC0809两种型号的芯片。ADC0808和ADC0809两种芯片的内部结构和管脚分布都是一样的，在Protues软件中有ADC
13、0808芯片，所以在电路图中应用的是ADC0808进行的设计，在实际应用中应将其换成ADC0809。（2）ADC0809是8 位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电
14、路。（3）管脚的功能1）ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A， B，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B 和C 为地址输入线，用于选通IN0IN7 上的一路模拟量输入。2）START为转换启动信号。当START上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D 转换；在转换期间，START应保持低电平。3）EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进A/D转换。4）OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。5）D7D0 为数字量输出线。6）CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ。此处是将单片机的ALE信号进行二分频后的信号作为CLK信号。7）VREF（），VREF（）为参考电压输入。（4）本设计中只需要一个模拟输入口所以只要将A、B、C三个地址端口都接低电平就能表示从IN0口输入模拟量。CLOCK端口需要输入0.5MHz的时钟信号，所以可以将单片机的时钟信号经过定时器计算后输出。S
