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主要内容：
本系统采用AVR单片机实现汽车空调的自动控制（双位控制），具有电路结构简单、分立元件少、系统界面友好、操作简单等优点，能满足一般精度要求的公交车空调的自动控制。
基本要求：
1、认真完成系统需求分析，明确数据要求和处理要求；
2、设计出系统的概念模型，画出系统流程图；
3、设计的硬件电路图与程序流程图；
4、源程序代码；
5、系统运行结果符合课程设计要求；
主要参考资料：
[1]王幸之，钟爱琴，王雷，王闪 《AT89系列单片机原理与接口技术》 北京航空航天大学出版社 2004
[2]周爱武,汪海威,肖云.数据库课程设计[M].北京:机械工业出版社,2016
[3]李光才,楼然笛《单片机课程设计实例指导》北京航空航天大学出版社,2017.
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摘要
近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
而51系列单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种，通过本次课程设计进一步对单片机学习和应用，从而更熟悉单片机的原理和相关设计并提高了开发软、硬件的能力。本设计主要设计一个基于80C51单片机的空调控制电路，并在LED上显示控制的结果，通过两个控制键和4x4键盘来实现时间的调节功能。应用Proteus软件实现单片机空调控制系统系统的设计与仿真。
关 键 词:单片机；空调控制；LED
目录
摘要 III
1 概述 2
1.1 课程设计选题 2
1.2 项目背景 2
1.3课程设计环境 2
2 工作原理 3
2.1 热电阻温度采集 3
2.2 运行状态显示 5
2.3 继电器控制 7
2.4 键盘输入 8
2.5 风向步进电机控制 9
3 仿真 11
4 详细设计 12
总结 25
参考文献 26
1 概述
1.1 课程设计选题
本次课程设计我选的题目是空调控制电路。
1.2项目背景
随着人们生活水平的不断提高，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中空调控制电路就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。仿真测试时对空调进行控制
1.3课程设计环境
Atmega16是美国ATMEL公司的高档8位单片机，采用Flash存储器，可以擦写10000次以上、内部集成、四通道PWM、集成8路10位精度ADC、片内经过标定的RC振荡器、采用精简指令集，具有32个通用工作寄存器，具有只需两个时钟周期的硬件乘法器，运算速度快等。由于其集成度高、处理速度快，使得利用AVR单片机进行系统开发只需很少（甚至没有）的外部器件即可实现强大的功能，逐渐在各种场合得到广泛应用，取代其它8位单片机。利用它来开发汽车空调控制系统，只需热电阻、液晶显示模块和一些继电器及其驱动芯片即可实现。
2 工作原理
本系统可以分为五大部分：热电阻温度采集、运行状态显示、继电器控制、键盘输入、风向步进电机控制。
2.1 热电阻温度采集
热电阻传感器以其温度特性稳定、测量精用。
采用Pt1000热电阻作为温度传感器的测量电路原理图如图1 所示。热电阻Rt与三个电阻接成电桥。当温度变化时，使得运算放大器的同相输入端的电位发生变化，经过运算放大器放大之后输入到Atmega16单片机进行AD转换。由于单片机采用5V电压作为ADC的参考电源，而电桥在温度变化为0～100°C时，输出电压范围为0～0.7V，所以确定运算放大电路的放大倍数为7,以获得最佳的测量结果。运算放大电路的电阻按以下公式确定：
取。输出电压变化范围大致是0～5V。
由于ADC的转换精度为10,故当输入电压为5V时，其采样值为1023,根据电桥平衡原理，可得到以下公式：
（1）
其中，N——ADC数据寄存器的值，
U——电桥电源电压，
——Pt1000在0°C时的电阻1000。
Pt1000热电阻的阻值按以下公式计算：:
（2）
Rt——温度为t时铂热电阻的电阻值，Ω；
t——温度，℃；
——Pt1000在0°C时的电阻1000。
A——分度常数，A＝0.0038623139728
B——分度常数，B＝-0.00000065314932626
用Visual Basic.Net根据以上公式（1）、（2）生成用N来查找温度t的程序表格，其代码如下：
Private Sub Pt1000()
Me.Cursor = Cursors.WaitCursor
txtTab.Clear()
Dim U As Integer = 9 '电桥电源电压
'热电阻0度时的电阻值
Dim Pt1000_R0 As Integer = 1000
Dim n As Integer
Dim sngT As Single
Dim sngRt As Single
txtTab.AppendText(“const float Pt1000Tab[]={” & Chr(13) & Chr(10))
For n = 0 To 1023
sngRt = (10000 * n + 7161000 * U) / (7161 * U - 10 * n)
sngT = (-const_A + Sqrt(const_A ^ 2 - 4 * const_B * (1 - sngRt / Pt1000_R0))) / (2 * const_B)
If n < 1023 Then txtTab.AppendText(Format(Abs(sngT), “0.0”) & ", /* " & n & " /")
Else txtTab.AppendText(Format(Abs(sngT), “0.0”) & " / " & n & " /" & Chr(13) & Chr(10) & “};”)
End If
If n Mod 5 = 0 Then
txtTab.AppendText(Chr(13) & Chr(10))
End If
Next
txtTab.SelectAll()
txtTab.Copy()
Me.Cursor = Cursors.Default
End Sub
生成的程序常数表格（1024个值）部分如下：
const float Pt1000Tab[]={
0.0, / 0 / 0.1, / 1 /0.2, / 2 /0.2,
……
63.4, / 696 /63.5, / 697 /
……
99.3, / 1022 /99.4 / 1023 */
};
图1 Pt1000热电阻温度测量电路
2.2 运行状态显示
本系统采用一块16×4的字符型液晶模块，这种类型的LCD应用很广泛，其控制驱动主芯片为HD44780及其扩展驱动芯片HD44100（或兼容芯片），少量阻、容元件，结构件等装配在PCB板上而成。字符型液晶显示模块目前在国际上已经规范化，无论显示屏规格如何变化，其电特性和接口形式都是统一的。因此只要设计出一种型号的接口电路，在指令设置上稍加改动即可使用各种规格的字符型液晶显示模块。odeVisionAVR集成开发环境集成这种类型LCD的函数，可方便实现LCD的读写，其部分函数及功能简单介绍如下，更详细的资料可查阅各种文献。
函数原型：void lcd_init(unsigned char lcd_columns)
功能：初始化LCD模块，清屏并把显示坐标设定在0 列0 行。LCD模块的列必须指定（例如：16）。这时不显示光标。在使用其它高级LCD函数前，必须先调用此函数。
函数原型：void lcd_clear(void)
功能：清屏并把显示坐标设定在0 列0 行。
函数原型：void lcd_gotoxy(unsigned char x, unsigned char y)
功能：设定显示坐标在x 列y行。列、行。
函数原型：void lcd_putchar(char c)
功能：在当前坐标显示字符c 。
函数原型：void lcd_puts(char *str)
功能：在当前坐标显示SRAM 中的字符串str 。
函数原型：void lcd_putsf(char flash *str)
功能：在当前坐标显示FLASH 中的字符串str 。
在对LCD进行写入显示数据之前，需要对它进行初始化，设定显示参数。
#include <lcd.h>
/使用PORTB连接LCD模块/
#asm
.equ __lcd_port=0x18 ;PORTB
#endasm
void main(void){
//定义字符数组
uchar arr[5];
//初始化,指定列数为16
lcd_init(16);
//设定显示坐标为（0,1）
lcd_gotoxy(0,1);
/在（0,1）显示字符串,注意：此字符串存储在Flash只读存储器中/
lcd_putsf(“Run Mode:”);
/*调用“浮点数转换成字符串”函数，
函数原型：void ftoa(float n, unsigned char decimals, char str)
data为浮点数/
ftoa(data,1,arr);
//设定显示坐标为（0,2）
lcd_gotoxy(0,2);
//显示RAM中字符串数组arr的内容
lcd_puts(arr);
while(1);
}
2.3 继电器控制
Atmega16输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流，直接驱动LED，但是仍然不能直接驱动更大电流的器件，如继电器，所以必须接入较大功率的驱动器。常用的驱动方法有74系列功率集成电路驱动、MOC系列光耦合过零触发双向晶闸管驱动、固态继电器驱动等。
本系统采用ULN2003芯片来驱动继电器。其内部结构如图2所示。
ULN2003是达林顿阵列，是专门用来驱动继电器的芯片，甚至在芯片内部做了一个消线圈
图2 ULN2003内部结构图
反电动势的二极管。ULN2003的输出端允许通过IC 电流200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。采用集电极开路输出，输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡，共可以驱动7路，减少了电路板的连线数量，成本较低，广泛应用于各种工控板，其驱动原理如图3所示。
图3 驱动原理
压缩机离合器继电器采用RS触发器和ULN2003一起控制，这样做的好处是：当单片机受到外界干扰而不断复位或看门狗超时复位时，保证压缩机始终处于开启或关闭状态，有助于延长压缩机的寿命。
2.4 键盘输入
本系统采用3×3矩阵式键盘。通过键盘可以控制系统工作方式（关闭、送风、制冷）、风向步进电机（水平送风、倾斜送风、扫风）、温度设定等。
键盘的行由PD0、PD1、PD2（使能内部上拉电阻）控制，而列则由PC3、PC4、PC5控制，如图4所示。采用程序扫描的方式识别键码，其工作过程如下：
(1)判断键盘中有无键按下。通过以下代码实现：
PORTC&=~0x20;
if((PIND&0x07)!=0x07) {//……}
首先置PC5为“0”，再判断PD0、PD1、PD2是否都为“1”。如果全为“1”,则表明第3列无键按下，否则有键按下,进入消除抖动程序；再置PC4为“0”，再判断PD0、PD1、PD2是否都为“1”。如果全为“1”,则表明第2列无键按下，否则有键按下,进入消除抖动程序；再置PC3为“0”，再判断PD0、PD1、PD2是否都为“1”。如果全为“1”,则表明第1列无键按下，否则有键按下,进入消除抖动程序。
图4 3×3矩阵式键盘
(2),消除抖动。当发现有键按下时，延时一段时间再判断键盘状态，若仍有键保持按下状态，则可以确定有键按下，否则认为是抖动。通过以下代码实现：
delay();
if((PIND&0x07)!=0x07) {//……}
(3)判断键码。以下是识别为“Key2-3”（ 第2行第3列）的程序代码，其它按健类似。
if((PIND&0x07)==0x05)
{ // Key 2-3
// uchar key_num[]=“K23”;
// 等待按键释放
while((PIND&0x07)0x05);
//判断换气风机是否在运行
if(ventilator_state1)
{
ventilator_state=0;
//关闭换气风机
stop_ventilator();
//在LCD上的(12,3)显示“OFF” lcd_gotoxy(12,3);
lcd_putsf(“OFF”);
}
else
{
ventilator_state=1;
//开启换气风机
start_ventilator();
//在LCD上的(12,3)显示“Run”
lcd_gotoxy(12,3);
lcd_putsf(“Run”);
}
return;//识别完毕，返回主程序
}
2.5 风向步进电机控制
Atmega16的定时器能够输出PWM，编程简单，精度高。编程让定时器2工作于相位可调模式，产生高精度的PWM波形输出，调节占空比，以达到控制步进电机不同转角的目的。初始化设置如下：
ASSR=0x00;
/* 相位可调PWM模式，比较匹配时清零OC2,计数为0xff时置位OC2 */
TCCR2=0x64;
TCNT2=0x00;
OCR2=0x00;
TIMSK=0x80; //使能匹配中断
图5 相位可调PWM 模式的时序图
图6 水平送风模式下的PWM波形
图7 倾斜送风模式下的PWM波形
图7 换气风机、压缩机、蒸发器风机处于工作状态
3 仿真
Proteus是目前最好的模拟单片机及外围器件的仿真软件，可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU及其外围电路,如LED、LCD、RAM、ROM、键盘、马达、继电器、AD/DA、部分SPI器件、部分器件、74系列、 COMS 4000系列芯片等。利用Proteus可以大大提高开发效率、降低投资，在没有硬件的情况下让开发人员能像Pspice仿真模拟/数字电路那样仿真MCU及外围电路。Proteus提供的可调电阻是“十级可调”而不是“无级可调”，所以本系统采用三个可调电阻模拟Pt1000热电阻,以实现“粗调”、“中调”、“细调”，更真实反映热电阻阻值的细微变化。
图8 LCD显示结果
4 详细设计
具体代码：
#include <mega16.h>
#include <stdlib.h>
#include "Pt1000Tab.h"
#include "inc.h"
#asm
.equ __lcd_port=0x18 ;PORTB
#endasm
#include <lcd.h>
bit boolean;
uchar ventilator_state;
uchar fan;
uchar blow;
uchar run_mode;
uchar temp;
uchar setting_value;
interrupt [TIM2_COMP] void timer2_comp_isr(void)
{
//产生PWM,控制步进电机
if (fan==1)
{
OCR2=64;
}
else if(fan==2)
{
OCR2=128;
}
}
#define FIRST_ADC_INPUT 0
#define LAST_ADC_INPUT 1 //最后一通道 ，最大值为7,共8个通道
unsigned int adc_data[LAST_ADC_INPUT-FIRST_ADC_INPUT+1];
#define ADC_VREF_TYPE 0x40
// ADC中断服务程序
// 自动扫描模拟量输入端口，
interrupt [ADC_INT] void adc_isr(void)
{
register static unsigned char input_index=0;
// 读取转换结果
adc_data[input_index]=ADCW;
// 选择转换通道
if (++input_index > (LAST_ADC_INPUT-FIRST_ADC_INPUT))
input_index=0;
ADMUX=(FIRST_ADC_INPUT|ADC_VREF_TYPE)+input_index;
//启动AD转换
ADCSRA|=0x40;
}
void main(void)
{
float current_temp;//保存当前温度
// Port A 初始化
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In
// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T
PORTA=0x00;
DDRA=0x00;
PORTB=0x00;
DDRB=0x00;
PORTC=0x38;
DDRC=0x38;
PORTD=0x1f;
DDRD=0xF8;
ASSR=0x00;
TCCR2=0x64;
TCNT2=0x00;
OCR2=0x00;
ACSR=0x80;
SFIOR=0x00;
ADMUX=FIRST_ADC_INPUT|ADC_VREF_TYPE;
ADCSRA=0xEE;
SFIOR&=0x1F;
lcd_init(16);
#asm("sei")
dis_character();
setting_value=25;
run_mode=0;
ventilator_state=0;
lcd_gotoxy(12,3);
lcd_putsf("OFF");
while (1)
{
scan_key(); //扫描键盘
blow_mode(); //设定送风方式
display(); //显示状态参数
if(run_mode==2)
{
current_temp=Pt1000Tab[adc_data[0]];
if (current_temp<setting_value)
{
stop_compressor();
//lcd_gotoxy(10,1);
//lcd_putsf("Blast");
}
else
{
start_compressor();
//lcd_gotoxy(10,1);
//lcd_putsf("Cool");
}
}
}
}
void start_compressor(void){
//Start
PORTD|=0x18;
PORTD&=~0x10;
PORTD|=0x18;
}
void stop_compressor(void){
//Stop
PORTD|=0x18;
PORTD&=~0x08;
PORTD|=0x18;
}
void start_ventilator(void) {
PORTD|=0x40;//换气风机运行
}
void stop_ventilator(void){
PORTD&=~0x40;//换气风机停止
}
void start_evaporator_fan(void){
PORTD|=0x20;//蒸发器风机运行
}
void stop_evaporator_fan(void){
PORTD&=~0x20;//蒸发器风机停止
}
/*---------------------------键盘扫描--------------------------*/
void scan_key(void){
/*
K11 K12 K13
K21 K22 K23
K31 K32 K33
*/
//K13 K23 K33
PORTC&=~0x20;
if((PIND&0x07)!=0x07)
{
delay();
if((PIND&0x07)!=0x07)
{
if((PIND&0x07)==0x06)
{ //Key 3-3
//uchar key_num[]="K33";
while((PIND&0x07)==0x06);
switch(blow)
{
case 0:
{
blow=1;
lcd_gotoxy(10,2);
lcd_putsf("Mode0");
break;
}
case 1:
{
blow=2;
lcd_gotoxy(10,2);
lcd_putsf("Mode1");
break;
}
case 2:
{
blow=3;
lcd_gotoxy(10,2);
lcd_putsf("Mode2");
break;
}
case 3:
{
blow=0;
lcd_gotoxy(10,2);
lcd_putsf("Mode3");
break;
}
}
return;
}
if((PIND&0x07)==0x05)
{ //Key 2-3
//uchar key_num[]="K23";
while((PIND&0x07)==0x05);
if(ventilator_state==1)
{
ventilator_state=0;
stop_ventilator();
lcd_gotoxy(12,3);
lcd_putsf("OFF");
}
else
{
ventilator_state=1;
start_ventilator();
lcd_gotoxy(12,3);
lcd_putsf("Run");
}
return;
}
if((PIND&0x07)==0x03)
{ //Key 1-3
//uchar key_num[]="K13";
while((PIND&0x07)==0x03);
switch(run_mode)
{
case 2:
{ //关闭模式
stop_evaporator_fan();
stop_compressor();
lcd_gotoxy(10,1);
lcd_putsf("OFF ");
run_mode=0;
break;
}
case 0:
{
//送风模式
start_evaporator_fan();
stop_compressor();
lcd_gotoxy(10,1);
lcd_putsf("Blast");
run_mode=1;
break;
}
case 1:
{
//制冷模式
start_evaporator_fan();
start_compressor();
lcd_gotoxy(10,1);
lcd_putsf("Cool ");
run_mode=2;
break;
}
}
return;
}
}
}
PORTC|=0x20;
//K12 K22 K32
PORTC&=~0x10;
if((PIND&0x07)!=0x07)
{
if((PIND&0x07)==0x06)
{ //Key 3-2
//uchar key_num[]="K32";
while((PIND&0x07)==0x06);
return;
}
if((PIND&0x07)==0x05)
{ //Key 2-2
//uchar key_num[]="K22";
while((PIND&0x07)==0x05);
if (setting_value<=18)
{
setting_value=18;
}
else
{
setting_value--;
}
return;
}
if((PIND&0x07)==0x03)
{ //Key 1-2
//uchar key_num[]="K12";
while((PIND&0x07)==0x03);
if (setting_value>=28)
{
setting_value=28;
}
else
{
setting_value++;
}
return;
}
}
PORTC|=0x10;
//K11 K21 K31
PORTC&=~0x08;
if((PIND&0x07)!=0x07)
{
delay();
if((PIND&0x07)!=0x07)
{
if((PIND&0x07)==0x06)
{ //Key 3-1
//uchar key_num[]="K31";
while((PIND&0x07)==0x06);
return;
}
if((PIND&0x07)==0x05)
{ //Key 2-1
//uchar key_num[]="K21";
while((PIND&0x07)==0x05);
return;
}
if((PIND&0x07)==0x03)
{ //Key 1-1
//uchar key_num[]="K11";
while((PIND&0x07)==0x03);
return;
}
}
}
PORTC|=0x08;
}
void blow_mode(void){
switch(blow)
{
case 0:
{
fan=0;
break;
}
case 1:
{
fan=1;
break;
}
case 2:
{
fan=2;
break;
}
case 3:
{
temp++;
if(temp==5)
{
boolean=~boolean;
}
if (boolean==1)
{
fan=1;
}
else
{
fan=2;
}
break;
}
}
}
void delay(void){
uint i,j;
for (i=0;i<10;i++)
{
for (j=0;j<10;j++)
{}
}
}
void dis(uchar channel,uchar x,uchar y){
uchar arr[5];
ftoa(Pt1000Tab[adc_data[channel]],1,arr);
lcd_gotoxy(x,y);
lcd_puts(arr);
}
void display(void){
uchar setting[3];
dis(0,2,0);
itoa(setting_value,setting);
lcd_gotoxy(12,0);
lcd_puts(setting);
}
void dis_character(void){
lcd_gotoxy(0,0);
lcd_putsf("T:");
lcd_gotoxy(8,0);
lcd_putsf("Set:");
lcd_gotoxy(0,1);
lcd_putsf("Run Mode:");
lcd_gotoxy(10,1);
lcd_putsf("OFF ");
lcd_gotoxy(0,2);
lcd_putsf("Blow Mode:");
lcd_gotoxy(10,2);
lcd_putsf("Mode0");
lcd_gotoxy(0,3);
lcd_putsf("Ventilator:");
}
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
#define ulong unsigned long
void blow_mode(void);
void start_compressor(void);
void stop_compressor(void);
void start_ventilator_fan(void);
void stop_ventilator_fan(void);
void start_evaporator_fan(void);
void stop_evaporator_fan(void);
void dis(uchar channel,uchar x,uchar y);
void display(void);
void delay(void);
void scan_key(void);
void dis_character(void);
总结
《单片机》这门课程我已经学了一个学期了，在这一个学期的学习过程中，我一开始不怎么懂得编程，但慢慢的我现在已经不仅会读程序还会写程序了。真为自己一个学期来努力学到的单片机知识只是而感到高兴。怎么学单片机？也常看到有人说学了好几个月可就是没有什么进展。当然，受限于每个人受到的教育水平不同和个人理解能力的差异，学习起来会有快慢之分，但我感觉最重的就是学习方法。一个好的学习方法，能让你事半功倍，这里说说我学习单片机的经历和方法。我觉得学习单片机首先要懂得C语言，因为单片机大多说都是靠程序来实现的，如果看不懂程序或则不懂的编程是很难学会单片机的。学习单片机首先要明白一个程序是怎么走的，要完全懂得程序每一个步骤的意思。其次要懂得每一条指令的意思，不能盲目地去靠背指令，这是记得不牢靠的，最主要的还是靠了解。学习单片机最主要的对89C51芯片内部结构有全方面的，只要了解了89C51才能知道单片机实现什么样的功能和作用，才能对单片机有更深一步的了解。通过一个学期《单片机》这门课程的学习，我对单片机也有了一些理解。 在本次单片机课程设计中，使我对单片机的认识有了更深刻的理解。系统以51单片机为核心部件，利用汇编软件编程，通过键盘控制和数码管显示实现了基本功能，能实现本设计题目的基本要求和发挥部分。由于于时间有限和本身知识水平的限制，本系统还存在一些不够完善的地方，在接下来的学习中应该努力改善。
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