本科毕业论文---基于智能用电的空调控制器设计设计.doc

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
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目 次

1 绪论 3
1.1 选题的背景 3
1.2 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 5
2 系统总设计原理 6
2.1 方案论证与比较 6
2.2 系统工作过程 7
3 系统硬件电路设计 8
3.1 电压转换电路设计 8
3.2 电流处理电路 9
3.3 温度采集部分 10
3.4 AD转换电路 11
3.5 地址锁存 14
3.6 按键设计 15
3.7 单片机部分 16
3.8 晶振及复位电路 19
3.9 单片机电源部分 20
3.10 液晶屏显示 20
3.11 空调控制部分 22
3.12空调用电信息上传 22
4 系统软件设计 24
4.1 交流采样单片机计算方法 24
4.2 系统软件结构框图 25
结论 28
致谢 29
参考文献 30
附录 32

1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0~5A工频电流，因此该系统首先需要将交流220V大电压、0~5A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 0～5V 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 0～5V）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 MCP601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0～3V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0～3V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3.0~5.5V，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=128μs。
（4）单一电源： +5V。
（5）模拟信号输入电压范围： 单极性信号为0～5V；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）IN0～IN7：8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）D7～D0：为数字信号输出引脚，可直接与单片机端口相连接。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
ADDC
ADDB

ADDA
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7

（5）ALE：为地址锁存允许信号输入端，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。

图3.8 ADC0808内部结构
3、工作时序与使用说明

图3.9 ADC0808工作时序
ADC0808的工作时序如图3.9所示。当通道地址输入端输入信号有效时，ALE中一出现高电平信号，地址信号马上就会被锁存器锁存。START输入端出现上升沿信号，寄存器SAR将会被复位，在START上升沿结束后的一小段时间内，EOC信号端将会下降为低电平信号，通过这种方式表示系统转换过程正在进行，直到EOC再次上升为高电平表示该待测信号转换完成。单片机接收到上升为高电平的EOC信号后，会立即传出OE信号，这个时候系统就会将三态门打开来读取待测信号的转换数据。
3.5地址锁存
地址锁存器74LS373管脚如图3.10所示。

图3.10 74LS373管脚图
74LS373是常用的地址锁存器，其与ADC相连接时可以通过地址锁存器和译码器控制ADC的8路模拟量输出。3根地址线与ADC的A、B、C 引脚直接相连，通过单片机的ALE锁存。其地址的改变可以实现8路模拟通道的切换，其选通通道的地址码见表3.2。
表3.2 74LS373通道地址表
地址编码

被选中的通道
C
B
A
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7

3.6按键设计
键盘采用4×3 的行列式键盘，又叫矩阵式键盘。用系统I/O 口线组成行、列相交结构，系统按键分别设置在行列的交叉点上。4×3 的行列结构可组成12 个键的键盘。因此，在按键数量较多时，可以节省I/O 口线。本例中还有3 个独立按键。行列式键盘和独立按键在本设计中直接接于单片机的P2口上，按键接线图如图3.11所示。

图3.11按键输入电路
该电路中，S0至S9分别为0到9十个数字输入；S10为数字加；S11为数字减；S12为设置键；S13与S14为温度升与降。
3.7单片机部分
89C51单片机引脚如图3.12所示。

图3.12 89C51单片机引脚图
主要引脚功能介绍
VCC：供电电压。
GND：接地。
P0口：89C51单片机的P0口为8位双向I/O接口，每个接口可接收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次被输入1时，我们定义其为高阻输入状态。P0口可以用作外部程序数据存储器，它一般被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口一般被作为原码输入接口，如果FIASH进行校验，则P0口输出原码，即为低电平信号，因此在这种状态下P0口外部必须接上拉电阻才能工作。
P1口：P1口是一个内部自带上拉电阻的8位双向I/O接口，P1口缓冲器能够用来接收输出4TTL门电流。当P1接口被写入1时，该接口由于内部上拉电阻的缘故被提升为高电平，此管脚可以用于系统输出端，当P1口外部信号为低电平时，此接口将输出电流信号。在FLASH进行编程和校验时，P1口可以作为低八位地址接收端口。
P2口：与P1口相同，P2口同样内部自带上拉电阻，当P2口被写入1时，通过内部上拉电阻的作用使得信号被提升为高电平，并且被作为输入端口。当用此引脚作为输入端口时，P2口的管脚将会被外部低电平拉低，该管脚将输出电流。P2口在FLASH编程和校验时可以用来接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚为8个内部自带上拉电阻的双向I/O端口，可以用来接收输出4个TTL门电流信号。当P3端口被写入1时，通过内部上拉电阻该端口将会被提升为高电平，并用作输入端口。若该管脚被用作输出端，由于该管脚外部为低电平，因此该管脚会被下拉为低电平信号，此时P3口将输出电流（ILL）。
P3口同时也可以被用作AT89C51的一些特殊功能接口，其特殊功能接口如下表所示：
口管脚 备选功能
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 T0（计时器0外部输入）
P3.5 T1（计时器1外部输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器的写选通控制端）
P3.7 /RD（外部数据存储器的读选通控制端）
P3口同时也可以作为闪烁编程和编程校验接口，可以用来接收一些控制信号。
RST：复位输入端口。当振荡器发出复位信号时，需要保持RST脚至少有两个机器周期的高电平信号。
ALE/PROG：当单片机访问外部存储器时，地址锁存器用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程时，此引脚可以用作编程脉冲信号输入。在其他时间里，ALE端会以一定的频率周期向外部输出正向脉冲信号，此输出信号的频率为单片机晶振频率的1/6。因此利用他可以达到对外部输出脉冲或者定时目的。但是我们需要注意的是：每当该管脚用作外部数据存储器时，其会跳过一个ALE脉冲信号。如果想要禁止ALE的输出，则可以在SFR8EH地址上置0。这个时候， ALE端口只有是在执行MOVX，MOVC指令时ALE才会起到作用。并且，该引脚将会被略微拉高。
/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期中会有两次/PSEN有效。但系统在访问单片机外部数据存储器时，该信号将不会出现。
/EA/VPP：当/EA端口输入保持为低电平时，外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管该系统是否拥有内部程序存储器， /EA端口将单片机内部信号锁定为RESET。在FLASH编程过程中，此引脚也可提供12V编程电源（VPP）。
XTAL1：振荡放大器的反向输入。
XTAL2：来自反向振荡器的输出。
3.8晶振及复位电路
3.8.1晶振电路
单片机晶振电路如图3.13所示。

图3.13 单片机晶振电路
晶振电路:一般的单片机晶振取频率为11.0592MHz(因为这种情况下可以准确地得到9600波特率和19200波特率,可以 用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作)。
3.8.2复位电路
单片机复位电路如图3.14所示。

图3.14 单片机复位电路

系统自动复位电路:由电容串联电阻回路构成,其中电容电压不会突变，从图中我们可以知道,当系统上电时,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.一般教科书推荐C 取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平.
手动复位：当系统需要进行手动复位时，可按下复位按钮，此时电路中+5V电源经由按钮，电阻R7与GND构成回路，此时单片机RST管脚输入为高电平，因为单片机RST端输入为高电平时复位，因此此时单片机即进行复位。
3.9单片机电源部分
电源产生电路如图3.15所示。

图3.15 +5V稳压电源产生电路
图3.15电路为+5V电压的稳压电源产生电路。其工作过程为：首先220V交流电流经变压器，使220V交流电变压为低压交流信号，然后经过桥式整流电路转换为不太稳定的直流电压信号。但该直流电压经过LM7805的稳压和电容C3的滤波后，便会在稳压电源的输出端输出高精度，稳定度好的+5V输出电压，可以为单片机提供合适的电源信号。
3.10液晶屏显示
液晶一般从表面上看只是表现为一种液体，但它的分子结构又表现出了固体的形态。其分子形态就像是处于磁场中的金属粒子一样，一旦外界出现磁场其粒子就会按照磁场的方向有序排列。如果对磁场加以控制，那么这些粒子就会按照我们心中所想的那样排列出我们需要的图形。此时液晶分子内部允许光线穿透出来；光线穿透液晶所显示的图样可以根据之前液晶排列的图形而定，这种特性又表现为固体的性质。液晶其实是一种有机物，其分子形状为长棒性。在没有任何干扰下，这些分子的长轴基本保持平行。液晶屏正常工作的第一个特点是必须将液晶处于两个列有细槽的平面之间。同时这个平面上的槽必须要互相垂直，也就是说，如果一个平面上的液晶分子是东西方向排列，那么另一平面上的分子必须南北方向排列，而处于这两个平面之间的分子就会扭转处90度。由于光线是沿着液晶分子排列的方向传播的，因此光线穿过液晶时也会与液晶分子一样呈现被扭转90度的状态。
但是当我们在液晶上加一个电压信号时，就可以使液晶分子不发生扭转，同时光线透过液晶时可以直射过去。LCD的另一个特点就是它工作过程中依赖于光线本身属性还有液晶本身的滤光片质量，极化滤光片的实际就是一系列越来越细的平行线。这些线会形成一张网，这张网可以阻断一切不与这些线平行的光线，极化滤光片的线正好与第一个互相垂直，所以可以将已经极化的光线完全阻断。 因此在这个时候只有两个滤光片线完全的相互平行或者光线被扭转到与第二个极化滤光片相匹配时，光线才能完全穿透。所以在正常情况下应当阻断所有试图穿过液晶的光线穿过。其引脚如图3.16所示。

图3.16 LCD引脚图
1602采用16脚接口，其中：
第1脚：VSS为电源地
第2脚：VCC接5V电源正极
第3脚：V0为液晶显示屏对比度调整输入端口，该端口与正电源直接相连时对比度最弱，屏幕显示最淡；接地时对比度最高，屏幕显示最浓(但是也不可将对比度调节过高，如果对比度过高则会 产生“鬼影”，看不清屏幕数据)。
第4脚：RS为寄存器选择输入端口，该端口输入为高电平0时选择指令寄存器，为低电平1时选择数据寄存器。
第5脚：RW为读写信号输入端，若输入为高电平1时则进行读操作，若输入为低电平(0)时则进行写操作。
第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,该端口为高电平(1)时读取信息，负跳变时执行指令。
第7～14脚：D0～D7为一个8位双向数据控制端。
LCD液晶显示电路如图3.17所示。

图3.17 LCD液晶显示电路
单片机P3.4～P3.5口作为LCD的控制口，P0口作为LCD的并行数据口,由于单片机P0口输出始终为低电平信号，因此需接一个上拉电阻转化为高电平信号输入LCD显示。
3.11 空调控制部分
在各种自动控制电路中，都存在一个高压电路与一个低压电路：低压电路称为控制电路，高压电路称为主电路。为了安全起见，一般利用低压控制电路来控制高压主电路一方面要使低压的电子电路的控制信号能够控制高压电气电路。该系统继电器模块的电路图如图3.18。
图3.18 空调控制电路
该控制电路原理为当单片机P3.7口输出为高电平时，NPN型三极管的基极为高电平，基极与发射极导通，从而使得集电极与发射极导通形成回路，继电器动作，空调启动。当单片机P3.7口输出为低电平，三极管基极与发射极未导通，集电极与发射极不构成回路，继电器还原，空调关闭。
3.12 空调用电信息上传
用电信息上传网络互动使人们可以实现远程控制，信息传递的关键部分。该部分技术大大提升了生活的智能化，是实现智能化用电信息管理的关键技术。用电信息上传网络结构一般可分为三个部分。
感知层。该部分可以识别物理信号，通过传感器，单片机等设备，实现对空调电流，电压，功率，功率因数，用电量等信息识别。
网络层。该部分主要将感知层中的数据进行传递，提供高可靠，高安全的数据传输，其主要由接入网与核心网组成。网络核心网是以光线网络为主，并以数字微波网为辅，接入网是以光纤网，230MHz无线数传电台为主，主要实现将感知层数据传输到应用层。
应用层。应用层是将感知层数据进行不同的应用与用户进行互动，主要包括应用基础设备，中间件等，利用基础设施为网络提供数据处理，计算等基础设施，能以资源调用接口，并以此实现人机互动，用电信息远程监控，远程管理等。
依据任务需求，本设计将利用无线传感网，载波通信，光纤通信等通信手段实现对空调用电信息的网络上传与远程管理，该系统主要功能有:用电信息采集，双向互动服务，用户用电信息管理，空调智能控制，互联网功能等，根据三层体系结构，构建系统逻辑架构如图3.19所示。
图3.19 系统网络结构框架4系统软件设计
4.1交流采样单片机计算方法
将电压有效值公式（4.1）
（4.1）
离散化，之后可以用一个周期所测得一个个瞬时值来代替一个周期内正弦电压函数值，则
（4.2）
式（4.2）：表示相邻两次采样的时间差；为第m-1个时间间隔所测得的电压采样瞬时值；N表示1个周期的采样点个数。
　　若相邻的两个采样时间间隔是相等的，即为常数，我们考虑到N=(T/)+1，
则有　　
（4.3）
式（4.3）表示利用一个周期内各采样点的采样瞬时值与每个周期采样点的个数来计算出的电压信号有效值。类比这种方法，电流有效值计算公式如下：
（4.4）
计算有功功率的公式
（4.5）
离散化后为
（4.6）
式（4.6）： 、表示同一时间下电流、电压的采样值。则功率因数可以通过下面公式计算出来：
（4.7）

计算用电量公式
W=Pt （4.8）

4.2系统软件结构框图
软件是系统灵魂，软件系统设计是系统功能实现的关键。基于空调智能用电的控制器设计软件系统可以采用标准C语言 编写,。该软件系统主要由系统初始化、数据采集、数据处理、温度采集、按键设置、温度控制六大模块组成，该结构如图4.1所示。 图4.1系统软件设计框图
系统流程顺序为：开始，LCD初始化，温度传感器初始化，启动电压电流采样，LCD显示各个参数，启动温度传感器读取温度，扫描键盘，比较温度值与设定值，超过设定值则空调开始制冷，不超过则继电器断开，延时后返回程序初始化，其详细流程如图4.2所示。

图4.2 系统主程序设计框图

（2）液晶显示流程图如图4.3所示。

图4.3 液晶显示流程图

（3）温度采集流程图如图4.4所示。

图4.4 温度采集流程图

（4）键盘处理子程序流程图如图4.5所示。

图4.5键盘处理程序流程图

结 论

本论文对智能用电做了一些详细介绍，并在此基础上采用交流采样的方法，设计出了以AT89C51单片机为核心部件的空调智能用电的控制器。主要工作如下所示：
第一,分析了国外家电智能化技术发展现状，同时分析了国内在智能用电方面一些现有技术以及存在的问题。
第二，列举出了多种系统方案，并对其进行比较，确定了一个相对确定系统方案。
第三，对系统设计中所用的各个应用芯片做出了引脚介绍，功能介绍，并对硬件设计电路的工作原理及工作过程做出详细说明。
第四，对系统中AT89C51单片机工作过程中进行了说明，并设计出了软件设计框图。
通过该系统可以实现对空调用电参数（包括电压，电流，功率，功率因数，用电量）的实时测量，并能通过温度传感器DS18B20对当前室内温度进行测量，通过室内温度来控制空调的运行状态，同时可以将空调的用电参数，运行状态上传网络，但本设计中也存在一些干扰因素，例如系统工作时出现，单片机会受到其他高频信号影响，具有随机性，若采用硬件抗干扰措施，由于其局限性，只能抑制一些频率范围的干扰信号。
软件抗干扰方面，其一是采用抑制叠加在模拟输入信号上噪声的影响；其二是由于干扰而使运行程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环时，可以利用软件冗余、软件陷阱“看门狗”等技术使程序纳入正轨。

致 谢

历时四个月的毕业设计结束了。在毕业设计的整个过程中，我查阅了好多资料和书籍，不仅去之前学过的课程有了更加深入的了解，同时又学到了很多新的知识。为以后走向工作奠定了基础。
首先我要衷心的感谢陈老师。从最初的论文选题、信息收集到论文的撰写工作陈老师都给与了我很大的帮助。在做毕业设计的前期，陈老师耐心的为我讲解了本设计要达到的要求，让我明白总体框架，以及，以及特别细心的修改论文，陈老师这种踏实的工作作风和严谨的治学态度备受感激。同时再设计中，李学长也对提供了很大的帮助在此，特向陈老师和李学长表达我深深的感谢。
同时，感谢学校为我提供了极好的学习条件，学到了知识，使我能顺利的完成毕业设计；感谢电气工程学院的各位老师对我曾经的关心与支持；感谢给过我帮助的所有朋友们，祝你们前程似锦！
鉴于本人的水平有限，错误之处在所难免，希望各位老师赐教，在此向大家表示由衷的感谢。

参 考 文 献
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