本科毕业论文---基于智能用电的空调控制器设计设计.doc
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1、2015届毕业生毕业设计说明书题 目: 基于智能用电的空调控制器设计 院系名称: 电气工程学院 专业班级: 电气F1104 学生姓名: 学 号: 指导教师: 教师职称: 2015年05月20日1目 次1 绪论31.1 选题的背景31.2 研究目的和意义3 1.3 智能用电研究现状4 1.4 设计任务52 系统总设计原理62.1 方案论证与比较62.2 系统工作过程73 系统硬件电路设计83.1 电压转换电路设计83.2 电流处理电路93.3 温度采集部分103.4 AD转换电路113.5 地址锁存143.6 按键设计153.7 单片机部分163.8 晶振及复位电路193.9 单片机电源部分20
2、3.10 液晶屏显示203.11 空调控制部分223.12空调用电信息上传224 系统软件设计244.1 交流采样单片机计算方法244.2 系统软件结构框图25结论28致谢29参考文献30附录321绪论1.1 选题的背景智能家居(Smart Home)的概念最早是由美国人提出的,智能家居是指将家庭中的用电器通过一些现代的控制手段,通讯技术进行网络化连接,实现家电的智能化管理,同时还可以进行远程监控,在线监测等内容,方便人们的日常生活。智能家电是指将现代的控制检测系统、通讯技术应用于普通家电,以实现家电的智能化和信息化功能。与传统家电相比,智能家电不仅具有使人类生活更为舒适、安全、有效、方便的传
3、统功能,还由原来被动静止的物体转变为具有主动智慧的工具,提供全方位的信息交互功能,优化人们的生活方式,增强家居生活的安全性。无论是新型家电还是传统家电,其整体技术都在不断提高。家用电器的进步,其关键在于采用了先进控制检测技术,从而使家电从一种机械式的家用工具提升为一种具有智能化的设备,智能家电进步体现了家电最新技术的较高水平。毋庸置疑,现在整个社会正在向数字化、信息化、网络化的方向发展,智能家电是家电产品发展的必然趋势。无论是在国际上,还是在国内这股潮流都已经得到了充分的验证。目前市场上的少部分高端智能家电都已经具有蓝牙信号接收、传输接口,能够主动将自身状态信息送入控制器,同时在控制器发出命令
4、后能够自动执行动作。这就为智能家电控制器的开发提供了良好的基础。智能家电系列产品包括:空调、热水器、洗衣机、洗碗机、灯光、背景音乐、电动窗帘等。1.2研究目的和意义随着社会的发展和国家现代化程度的不断提高,人们对智能家居及智能用电的要求也越来越高,以往的家用电器一般采用人为的去对其进行开关和功率调整。这样的模式拥有着很大的缺陷:其一,必须有人去对其进行控制,给人们生活带来不便;二是不能及时根据人们的需要对功率进行调整,会造成用电浪费。在能源紧缺的今天这是其重要缺陷。近年来,随着计算机应用技术、电子信息技术、以及集成电路的飞速发展,关于电能质量的测量技术也带来了巨大的影响。提高电能测量精度改进机
5、械式功率表以减少误差,并且能准确的测量多个物理量以及实现用户用电信息上传,是现代电子测量技术的发展方向。所以数字化电能测量仪器成为了必然的选择。在软件与硬件设计时,设计制作智能化电能质量测量的关键就在于系统简单实用、在测量的过程中能够抗干扰以及测量的准确度。在电工与电子技术应用中,经常要测量元器件的功率以及元器件的各种参数。原始的机械测量由于机械运动,不仅在测量的准确度方面大打折扣,而且操作复杂,容易受到干扰;原始的测量一般都是多量程的,在测量过程中还需要分档调节有时候还需要数字换算,其具有很大的局限性,因此智能用电系统的发展拥有着极大的应用价值。1.3智能用电家电研究现状 近代以来,网络技术
6、取得了极大的发展,智能用电控制技术也随之提升,这一想法首先是由美国的网景公司提出,在这一想法的前提下,日本研发出了网络冰箱,该网络冰箱是由普通冰箱与计算机连接而成,该系统可以利用条形码读入器来读取冰箱的参数及所储存食物的现状;Microsoft公司在1999年时设计出了机顶盒,该机顶盒可以使电视屏幕与计算机相连接,可以利用电视屏幕显示计算机屏幕。至此,Electrolux,samsung,LG公司相继设计出了智能化冰箱,在21世纪初期,该技术广泛吸引了人们的注意,同时该技术也取得了很大的进步。目前,基于智能用电的家电是以智能用电为基础,通过各种集成测量电路来对家电的各个用电参数进行实时测量,上
7、传网络,可以实现远程控制及远程监测,它的显著特点是精确度高,智能化水平高。智能化家用电器的发展显示着家电的先进成果,智能化家电可分为电子信息技术成果产品与模糊调控产品。日本的东芝公司首先发明了利用蓝牙技术来控制智能家电,该技术可以实现短距离控制,但其在远程控制时不能使用;松下公司也研究出了利用手机来远程控制家电的技术,该系统要求,用户的手机与本公司的服务器相连接,但是在目前来说生产价值较高。另外,家用电器的监测与远程控制还可以利用家电与GSM技术结合来实现。国外目前的智能化家电还有NEYWELL与Vantage公司生产的产品,NEYWELL公司的产品是以电脑与家用电器相互联,可以实现远程控制与
8、用电信息管理;而Vantage公司生产的产品可实现对电视与车辆进行控制监测等。目前对国内来说,智能化家电产品也在急速发展,但该行业也存在不少问题,例如:对该产业的标准不够明确,生产的产品应用效果与理论相比较差等。我国生产该类产品的公司一般有联想,海信,海尔等公司。联想公司与21世纪初期生产出了该公司的第一个智能化家电,该家电与网络相连,其具有普通电脑的全部功能,并且操作更加简单;在同一年里海信公司也生产出了一款智能化家电, 该家电产品是将电脑作为该系统的服务器与普通家电结合即可实现对家电的智能化监测与控制;与此同时,海尔公司也生产了自己的智能化空调,冰箱等,其生产的智能化空调可以使用户通过终端
9、来控制家用电器,检测等。随着现代化技术的快速发展,人们对智能化家电要求也逐渐提高,相关的研发机构对该技术的研究力度也随之增加。2010年,长虹生产出了智能3D电视,目前智能化电视已成为了主要研究对象。2011年,Honeywell和海尔公司联合开设了研究中心,美的集团也对家电智能化产品的研发加大了力度,在现阶段的环境下,智能化家电的研究具有很大的研究与发展空间,因此对家电的智能化研究具有很强的利用价值。1.4 设计任务通过查阅相关资料,充分了解空调的基本原理及工作过程。并在此基础上设计出一个空调智能用电的控制器 。该控制器应具备以下功能:(a) 能准确的测量出普通家用空调运行中实时用电参数(电
10、流,电压,功率,用电量,功率因数等);(b) 并且该用电参数可以通过LCD液晶显示;(c) 同时能够检测室内温度,根据温度的变化,调整空调的运行状态;可以将空调的实时用电参数,运行状态信息上传,并能实现对空调的远程控制。2统总体设计原理2.1方案论证与比较2.1.1 电压 电流变换电路由于空调的用电电压为有效值220V交流电以及05A工频电流,因此该系统首先需要将交流220V大电压、05A大电流转化为AD可以接受的小电压、电流信号后才能进行采集测量。电压电流变换电路有以下两种方案:方案一:降压利用串联电阻分压,此方法精度不高,输入输出没有电气隔离,电阻的损耗功率较大。方案二:采用电流/电压互感
11、器降压,互感器利用的是电磁感应的原理,输入与输出之间有电气隔离,其转换精度高,控制比容易获得。通过上述两种方案比较可以发现,方案二较方案一具有明显的优势,因此本设计采用方案二,即利用电压/电流互感器作为电压/电流变换电路。2.1.2有效值测量部分测量有效值有三种方案:方案一:采用二极管整流电路,再通过峰值检波电路测得峰值,然后根据波形因数求得相应的有效值。方案二:利用单片机控制A/D对一个周期内的信号进行连续多点采样,然后在软件中根据有效值计算公式。上述两种方法中方案一硬件电路复杂,且能测得的波形范围小。而方案二电路简单,误差小能测得的结果准确,故本设计选用方案二。2.1.3电压电流采样电路方
12、案一:采用直流采样,直流采样就是将待测交流电压、电流信号首先进行变压整流转化为 05V 的直流电压信号,然后对其进行采样。方案二:采用交流采样,交流采样就是将待测的交流电压信号经过变压使其转化为 5V(或 05V)的交流电压后直接进行采样。上述两种方法中直流采样方法的主要优点是算法简单,便于滤波。但无法对信号进行实时采集。交流采样实时性好、相位失真小、并且相应速度快,因此设计选用交流采样。2.2系统的工作过程系统整体框图如图2.1所示。图2.1 系统总体框图系统交流采样参数的过程如下:(a)通过电压互感器和电流互感器获得空调的电压、电流交流信号;(b)温度传感器采集温度信号;(c)根据室内温度
13、控制空调压缩机;(d)对电压、电流交流信号进行选择、采样/保持;(e)进行 A/D 转换;(f)单片机对 A/D 转换信号进行数据处理,即采样数据处理,标度变换以及输出等操作;(g)LCD显示器来实现系统功能并将空调用电信息上传。3系统硬件电路设计3.1电压转化电路设计为了使硬件电路设计的有通用性,我们采用将待测信号转化为单级性电压测量的方法,这种方法就是将待测的双极性电压信号首先转化成单级性电压信号进行测量。整个电路主要包括极性转换电路和输入处理电路。其中,单极性转换电路主要是由运算放大电路组成,在此运算放大器我们采用MCP601运放芯片。MCP601芯片的引脚如图3.1所示。图3.1 MC
14、P601芯片管脚Vcc管脚:电源管脚GND管脚:接地管脚VIN-管脚:负输入端管脚VIN+管脚:正输入端管脚OUT管脚:输出管脚a 极性转换电路设计:在系统进行A/D转换时,我们采用芯片的工作电压作为数/模转换的参考电压。由于大部分芯片的工作电压都为正电压,但我们在这里要测量的信号为交流电压信号,所以我们要对输入的交流电压信号进行极性转换,将双极性转变成单级性。极性转换电路如图3.2所示。 3.2 极性转换电路在上面电路中,我们可以知道输出信号是在输入信号的基础上增加了一个直流分量,如果我们调节3引脚上的输入电压使直流分量的值为1.5V,并且此时输入信号是幅值为1.5V的交流正弦信号,那么输出
15、信号就为最大值为3V,最小值为0V的单级性正弦信号。在极性转换电路基础上我们将很容易设计出我们要的输入电路。输入处理电路:在极性转换电路的基础之上,输入处理电路需要将220V的交流电压信号转变为幅值为1.5V左右的交流电压信号,此外,还需要为MCP601提供合适的参考电压信号,其电路图如3.3所示。图3.3 输入处理电路从以上电路中我们可以看到,此电路的工作过程是首先通过变压器将220V的待测交流电压信号转变成8V的交流电压信号,然后此信号经过上面的极性转换电路我们可以将待测的双极性交流电压信号转换为所需的单级性交流电压信号。上面的电路中R405电位器的作用是调节参考电压,R404电位器的作用
16、是调节交流电压输入的幅度。我们可以通过调整R404与R405的电阻值,就可以将输入的待测交流电压信号转换成03V的单级性交流电压信号。3.2 电流处理电路类比电压处理电路,可设计出电流处理电路,但其也具有一些不同,电流处理电路在电流互感器之后应接一个精密电阻,这样可以将电流信号转化为03V的单级性交流电压信号,之后部分与电压处理方法相同,其转换电路如图3.4所示。图3.4 电流转换电路3.3温度采集部分本设计的温度采集部分选用温度传感器DS18B20来实现。DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司生产的,其具有一线总线接口,它优点有微型化、功耗低、性能高、抗干扰能力强、易配微处理器
17、等,另外该传感器可以直接将温度模拟信号转化成串行温度数字信号供处理器处理。DS18B20引脚如图3.5所示。图3.5 DS18B20引脚图 DS18B20的性能及特点:(1)该传感器适应电压范围较宽,该电压范围为3.05.5V,并且可由数据线供电。(2)其接线方式为单线接口方式,它与单片机相连接时,只需要一根线即可实现传感器与单片机互联,并且可以双向通信。 (3)具有点组网功能,即多个DS18B20可以并联在一条三线上,实现组网多点同时测温。(4)传感器工作时不需要任何外接元件,该传感元件及转换电路集成在一个集成电路里。(5)温度测量范围为-55+125,在-10+85时精度为0.5。(6)分
18、辨率为912位,该分辨率对应的可分辨温度为0.5到0.0625, 可实现高精度的温度测量。(7)转换速度较快,当分辨率为9位时,最多在93.75ms内把温度转换完成;分辨率12位时,最多在750ms内把温度值转换为数字。(8)电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但此时该芯片不能正常工作。系统温度测量电路如图3.6所示。 图3.6 DS18B20温度采集电路3.4 A/D转换电路1、ADC0808主要特性:(1)分辨率: 8位。(2)该AD转化具有一定的不可调误差: 其不可调误差为LSB。(3)AD转换时间: 该转换时间主要取决于芯片内部的时钟频率,例如 CLK=500kHz时,TCONV=1
19、28s。(4)单一电源: +5V。(5)模拟信号输入电压范围: 单极性信号为05V;双极性电压信号为5V,10V(此种情况需外加一定电路)。(6)具有可控三态输出缓存器。(7)AD转换启动控制信号为正脉冲信号,即控制信号为上升沿时所有内部寄存器将会被清零,为下降沿时A/D转换启动。(8)该AD转换不需进行零点和满刻度调节。2、ADC0808引脚功能ADC0808引脚如图3.7所示。 图3.7 ADC0808管脚图(1)IN0IN7:8路模拟量的输入引脚,可进行8路模拟量输入,通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来控制具体选通通道。(2)D7D0:为数字信号输出引脚,可直接与单片机端口
20、相连接。8位输出端排列顺序为D0最低位,D7最高位。(3)ADDA、ADDB、ADDC:为模拟通道选择地址信号输入端,其中ADDA为低位,ADDC为高位。该地址信号与所选通道的对应关系如表4-1所示。(4)VR(+)、VR(-):为正、负参考电压的输入端,若进行单极性输入,则VR(+)=5V,VR(-)=0V;如果进行双极性输入,则VR(+)、VR(-)分别接正、负极性的参考电压。表3.1 ADC0808地址信号与选中通道地 址选中通道ADDCADDBADDA000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7(5)ALE:为地址锁存允许信号输入端,
21、该端口输入信号为高电平时有效。当此输入信号为高电平时,A、B、C三个地址信号将会被锁存,通过译码器来完成模拟通道的选通。在具体使用时,该信号常与START输出端连接,以便同时控制通道地址锁存和A/D转换开始。(6)START:为A/D转换开始信号控制端,该输入端输入信号为正脉冲时有效。即该输入端上的脉冲信号为上升沿信号时逐次逼近寄存器清零,为下降沿信号时A/D转换启动。但是若芯片正在进行A/D转换时又接收到了新的启动脉冲信号,则原来正在进行的转换中止。(7)EOC:转换结束信号输入端,该输入端为高电平时有效。该输入端在进行A/D转换过程中为低电平,不进行转换时为高电平。该信号可作为被单片机查询
22、的状态信号,也可作为对CPU的中断请求信号。如果需要对一个模拟量进行不断采样与转换,EOC端也可作为启动信号输出端接到START端上,此时则需要在刚加电时由外电路提供第一次启动时的启动信号。(8)OE:为输出允许信号输入端,该端输入信号为高电平时有效。当单片机送出该信号时,ADC0808的输出门开启,使A/D转换结果通过转换结果输出端被单片机读取。在中断工作条件下,该信号往往作为CPU发出的中断请求响应信号。ADC0808为逐次逼近型A/D转换器,该转换器由八路模拟开关、地址锁存器与译码器、比较器、控制电路、D/A转换器、寄存器以及三态输出锁存器等构成。ADC0808的内部结构如图3.8所示。
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