PIC16C72單片機(jī)的空調(diào)控制系統(tǒng)的研制

熱泵式分體壁掛空調(diào)以其優(yōu)越的性能，已越來越被廣大家庭所選用，其功能更是日新月異，而對(duì)其功能的提高起核心作用的其控制系統(tǒng)。本文介紹一種基于PIC16C72控制的空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

　　該系統(tǒng)具有制冷、制熱、除濕、自動(dòng)4種工作模式，包括定時(shí)、睡眠、風(fēng)向、智能化霜、應(yīng)急運(yùn)轉(zhuǎn)、試運(yùn)轉(zhuǎn)以及5種可調(diào)室內(nèi)風(fēng)速等控制功能；在定時(shí)開機(jī)時(shí)，可根據(jù)訪間溫度作智能判斷，自動(dòng)調(diào)整定時(shí)開機(jī)時(shí)間，避免開機(jī)時(shí)太冷或太熱；另外，可對(duì)設(shè)定溫度和房間溫度兩種溫度的10個(gè)溫度值進(jìn)行同時(shí)指示，以及完整的抗干擾和系統(tǒng)保護(hù)功能。

　　本系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單可靠，軟件具有更完善的控制功能和抗干擾能力。系統(tǒng)具有很高的性能價(jià)格比。

　　1 控制器原理

　　系統(tǒng)CPU根據(jù)遙控器或按鍵輸入的命令，對(duì)采集到的溫度進(jìn)行智能判斷，然后作出相應(yīng)的制冷、制熱或除溫運(yùn)行。再通過接口電路，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)、換向閥、風(fēng)向電機(jī)和室內(nèi)風(fēng)機(jī)作相應(yīng)動(dòng)作，并對(duì)溫度用LED指示。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　進(jìn)行系統(tǒng)硬件框圖設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮編寫程序的方便、又要充分利用軟件的功能來簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，即做到“軟硬兼施”。

　　2 
.1 單片機(jī)的選擇

　　系統(tǒng)有3路溫度模擬信號(hào)輸入，還有1路電壓和1路電流模擬輸入，共5路模擬輸入要求；而模擬信號(hào)要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)才能用單片機(jī)CPU處理。為提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比，應(yīng)采用含有A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)。經(jīng)過各方面的綜合比較，我們選用了美國Microchip公司的PIC16C72單片機(jī)作為控制核心。它具有5路模擬量輸入的A/D轉(zhuǎn)換器，恰好滿足系統(tǒng)的模擬輸入要求。另外，它在1塊芯片上集成了1個(gè)8位邏輯運(yùn)算單元和工作寄存器、2KB程序存儲(chǔ)器、128個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、3個(gè)端口（A口、B口、C口）共22條I/O線、3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。另外，只有35條易學(xué)易用而高效的RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）指令，同時(shí)，芯片具看門狗功能，并提供對(duì)軟件運(yùn)行出錯(cuò)的保護(hù)。

　　2.2 模擬輸入電路

　　本系統(tǒng)直接用熱敏電阻進(jìn)行測(cè)溫，再加一級(jí)電容濾波。對(duì)外交換溫度檢測(cè)電路，因其干擾較大，特加上二極管限幅保護(hù)。對(duì)傳感器的不同電阻值，將其所對(duì)應(yīng)的不同分壓值輸入至PIC單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口，在單片機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。該檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能價(jià)格比高。又因采用的單片機(jī)為8位，所以溫度轉(zhuǎn)換精度高，可為0.5℃，完全滿足了空調(diào)的信號(hào)檢測(cè)精度要求。

　　對(duì)過流信號(hào)的檢測(cè)，不用經(jīng)過比較器，節(jié)約了資源；而是采用模擬信號(hào)整流分壓后直接輸入，通過單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，每500μs對(duì)其進(jìn)行一次檢測(cè)，并進(jìn)行軟件比較，以確認(rèn)是否過流。

　　對(duì)過零電壓信號(hào)的檢測(cè)，也是采用模擬信號(hào)整流分壓后直接輸入。因兩個(gè)電壓半波的過零點(diǎn)都要檢測(cè)，所以用橋式整流。模擬輸入電路如圖2所示。

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　　2.3 溫度指示電路

　　該電路可對(duì)設(shè)定溫度和房間溫度兩種溫度的10個(gè)溫度值進(jìn)行同時(shí)指示，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅占用2根I/O線和使用1個(gè)八位移位寄存器74LS164。方法是對(duì)設(shè)定溫度進(jìn)行穩(wěn)定指示，對(duì)房間溫度進(jìn)行1s間隔閃爍指示。每秒取出溫度信號(hào)。如果是21℃或30℃，則直接將相應(yīng)位置成低電平，使相應(yīng)LED燈亮，如果上22～29℃，則將溫度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)顯示碼，通過RB6產(chǎn)生CLOCK信號(hào)，RB7串行送出顯示碼至8位移位寄存器74LS164，再進(jìn)行LED指示。

　　2.4 室內(nèi)風(fēng)向電機(jī)控制電路

　　本控制系統(tǒng)的室內(nèi)風(fēng)向葉片有自動(dòng)、擺動(dòng)以及5種固定角度等運(yùn)行狀態(tài)。為得到高精度的角度控制，我們采用DC12V四相八拍步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)控制電路中采用單片機(jī)的RB2、RB3、RB4、RB5作為四相（A、B、C、D）八拍環(huán)行分配時(shí)序，經(jīng)電流放大器件ULN2003功率放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。控制方法是根據(jù)目標(biāo)位置和當(dāng)前位置的角度差，輸出相應(yīng)數(shù)量的脈拍數(shù)，并通過輸出脈拍的不同時(shí)序來控制正反轉(zhuǎn)。

　　2.5 室內(nèi)風(fēng)機(jī)控制電路

　　制冷和制熱量的大小與室內(nèi)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有著密切的關(guān)系。本系統(tǒng)中室內(nèi)風(fēng)機(jī)采用雙向晶閘管移相控制，使其產(chǎn)生電壓調(diào)速。控制電路如圖3所示。在單片機(jī)內(nèi)部，根據(jù)RA5口檢測(cè)到的電壓過零點(diǎn)為同步信號(hào)，再通過定時(shí)器控制產(chǎn)生所需脈沖的相位和寬度，從RC1口輸出，然后經(jīng)晶體管放大、脈沖變壓器隔離輸出，再觸發(fā)雙向晶體管導(dǎo)通。為了減小脈沖變壓器的容量，輸出的是幾個(gè)連續(xù)的窄脈沖序列。

　　單片機(jī)系統(tǒng)RA3口對(duì)室內(nèi)風(fēng)機(jī)的速度反饋脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并與給定值進(jìn)行比較，然后進(jìn)行積分調(diào)節(jié)，對(duì)速度進(jìn)行閉環(huán)控制。

　　2.6 繼電器實(shí)時(shí)控制電路

　　控制信號(hào)從單片機(jī)的通用雙向I/O端口RB1、RC4和RC5經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器ULN2003放大，控制繼電器，使壓縮機(jī)、室外風(fēng)機(jī)和換向閥按要求狀態(tài)動(dòng)作。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)采用模擬化處理，主控程序包括以下幾個(gè)部分：程序的初始化、試運(yùn)轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)和信號(hào)的采集與處理、溫度LED指示、室內(nèi)風(fēng)機(jī)的閉環(huán)積分控制、室內(nèi)風(fēng)向電機(jī)的步進(jìn)控制。功能子程序包括制冷、制熱、除濕、自動(dòng)四種運(yùn)行模式。中斷程序包括遙控接收。各種定時(shí)的中斷查詢處理、速度檢測(cè)等。系統(tǒng)的主控程序流程如圖4所示。

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　　系統(tǒng)資源分配：定時(shí)器0用于對(duì)速度反饋脈沖計(jì)數(shù)，定時(shí)器1用于遙控處理，定時(shí)器2用于其它所有定時(shí)處理。由于定時(shí)器2處理的定時(shí)有20多個(gè)，時(shí)間長短更是千變?nèi)f化，短的只有500μs，長的可達(dá)24h(小時(shí))。根據(jù)現(xiàn)實(shí)生活中一塊手表可處理多個(gè)事件的啟示，我們?cè)O(shè)計(jì)出口斷式查詢定時(shí)法，即將基準(zhǔn)中斷時(shí)間設(shè)為最小公約數(shù)500μs，每個(gè)事件分配1個(gè)時(shí)間寄存器、1個(gè)開始定時(shí)標(biāo)志和1個(gè)定時(shí)時(shí)間到標(biāo)志，在需要定時(shí)的時(shí)候，將其開始定時(shí)標(biāo)志1置。每次500μs中斷時(shí)，對(duì)各定時(shí)標(biāo)志位進(jìn)行檢測(cè)，如果為1，則對(duì)相應(yīng)的時(shí)間寄存器進(jìn)行定時(shí)處理，如果定時(shí)時(shí)間到，則將相應(yīng)的定時(shí)時(shí)間到標(biāo)志置1。

　　軟件系統(tǒng)的制冷、制熱、除濕和自動(dòng)功能子程序模塊，主要功能是根據(jù)房間溫度和設(shè)定差值，并綜合考慮其他條件，然后對(duì)壓縮機(jī)和 
室內(nèi)外風(fēng)扇的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能控制。同時(shí)，在各模塊里進(jìn)行了睡眠和保護(hù)處理。