物联网中央空调温控面板的设计[20191213092958]
摘 要
随着经济的发展，人们生活水平日趋提高，家庭的智能化也逐渐走入我们的视野，给人们的日常生活带来极大的方便和享受。人们越来越关注豪华的装修和精美的工艺品时，似乎还缺少了一些创意。我们的目标就是让家庭智能化，让智能艺术化，让艺术节能化，让节能普及化。
智能家居主要包括解决家庭安全防范、家庭智能照明、家庭环境智能控制和家庭电器智能化，这些系统部署在统一平台，实现家庭中的所有设备智能控制、集中控制及网络控制。本文主要介绍中央空调温控面板在物联网时代的新型设计，满足智能家居的时代要求。
本系统控制板是以高性价比，高稳定性的STM8S单片机为核心，通过段码LCD进行显示，使用先进的电容式触摸按键作为系统输入，温度采集则用成本低廉的NTC热敏电阻，其中还包括Modbus通讯以及EEPROM掉电存储等功能。在实现系统功能的同时，提高了系统的高端性，且降低了系统的成本，有利于其市场化。
系统通过STM8S单片机内部AD采集NTC电阻值，转化为对应温度；通过电容式触摸按键输入设置信息，并进行模式选择；采用单片机内部EEPROM存储设置的相关信息，掉电保存；此外，在物联网智能家居的新型应用中，该系统还添加了基于RS485的Modbus通讯功能，这样就可以通过上位机进行相关信息的设置，并且也将手动设置的信息进行反馈，实现真正的远程监控。集中控制，实现智能家居化，具有广阔的应用前景和市场前景。
摘 要 Ⅰ
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关键字:物联网；智能家居；Modbus通讯；温度；成本低
目 录
ABSTRACT Ⅱ
第1章 绪论 1
1.1设计的目的和意义 1
1.2国内外相关技术发展概况 1
1.2.1温控设备的发展概况 2
1.2.2中央空调温控面板的发展现状 3
1.3物联网中央空调温控面板的应用前景 4
1.4研究内容和研究方法 5
1.5论文的结构主要分四个部分： 5
第2章 方案的对比和论证 6
2.1温度传感器的选择 6
2.2 系统通讯实现方案 8
第3章 系统硬件的设计 11
3.1主控模块 12
3.2段码LCD显示模块 14
3.3电容触摸按键模块 15
3.4液晶驱动模块 16
3.5基于RS485的Modbus通讯模块 17
3.6温度采集电路 23
第4章 系统软件的设计 26
4.1 物联网中央空调温控面板软件的设计 26
4.2本章小结 29
第5章 测试与总结 30
总结和展望 31
结 束 语 32
参考文献 33
致 谢 36
第1章 绪论
1.1设计的目的和意义
随着社会的进步,人民生活水平的提高,中国居民的空调普及率越来越高。空调的普及调高了人们生活的舒适性，此外物联网作为当今社会的热点项目，智能家居作为家庭信息化的实现方式，已成为社会信息化发展的重要组成部分。从个人、公共服务以及政府需求来看，凸显出发展智能家居产业的迫切性。在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网将是智能家居产业发展过程中一个比较现实的突破口，对智能家居产业的发展具有重大意义[2]。物联网技术的发展与成熟，使得跨产业、跨领域技术和业务融合成为现实，并成为智能家居行业的产业化加速器。在物联网给智能家居产业带来机遇的同时，物联网和智能家居所面临的问题同样是不可忽视的，挑战与机遇并存[7]。因此,研究物联网中央空调温控面板具有重要意义,但是目前针对建筑物内中央空调的控制，大都通过普通的温控面板单独进行控制，缺乏系统的解决方案。针对问题，本课题研发了基于物联网的中央空调温控面板设计[1]。
本文提出了一种物联网中央空调温控面板设计是基于单片机并采用数字化技术的温度测控系统的中央空调温控系统设计方案，主要针对系统中央空调、多联机。中央空调系统的设计是以室内空气参数为基本依据，通过对整个空调系统新风、回风的温度、湿度、送风风机运行状态、初效过滤段的压差等现场信号的采集，根据所设计的控制策略控制送风风机的变频调速、加湿器的加湿、冷、热水阀门的开度大小来达到设定的空气状态，且根据室内、外空气的状态(温度、湿度)确定系统的运行工况，在保证生产工艺的要求的前提下，使空调系统运行合理、安全、可靠、能耗低等，使控制效果达到最优。通过对压缩机电路通、断的工作状态的控制来控制温度的升降，再由温度传感器来测出升降后的温度并精确到一定的值。
1.2国内外相关技术发展概况
中央空调温控系统主要应用于控制环境空间的温度，从系统控制的角度来看，属于纯滞后控制。技术已经非常成熟。从提高可靠性、灵活性和降低成本的要求来看，国内外的温湿度测控系统仍然不断地在改进，系统结构已经普遍采用网络连接的现场总线技术(FCS)有些需要的场合，则连接到INTERNET上，实现远程控制、远程诊断[3]。另一方面，构成系统整体的测控技术和管理，无论是硬件和软件，国内外已普遍采用相应的标准模块集成，并且早已实现组态。传统的机械式温度检测仪表已经有上百年的历史了，一般均具有指示温度的功能，由于测温原理不同，不同的仪表在报警、记录、控制信息远传等方面有较大的差别。今年来由于微电子的进步以及计算机应用的日益广泛，智能化测量仪表已经取得巨大的进步，以单片机为主体的温度控制器取代了传统的仪器仪表。常规电子线路，可以容易地将计算机技术与测量技术结合起来[8]。智能仪表在测量过程自动化，测量结果的数据处理以及功能的多样化方面都取得了巨大的进展。目前，在研制高精度，高性能，多功能的中央空调温控面板时，几乎没有不考虑使用单片机使之成为智能高端的温控面板[6]。此外结合近几年非常热点的物联网，中央空调温控器在当今社会需要进行新的升级，集中控制，智能控制，简单控制是当今时代的需求。目前各国物联网行业如雨后春笋般发展，基于物联网的中央空调温控面板的提出适应了时代的需求[4]。
1.2.1温控设备的发展概况
最早的温度测量仪表，是意大利人伽利略于1592年创造的。它是一个带细长颈的大玻璃泡，倒置在一个盛有葡萄酒的容器中，从其中抽出一部分空气，酒面就上升到细颈内[5]。当外界温度改变时，细颈内的酒面因玻璃泡内的空气热胀冷缩而随之升降，因而酒面的高低就可以表示温度的高低，实际上这是一个没有刻度的指示器[27]。
1709年，德国的华伦海特于荷兰首次创立温标，随后他又经过多年的分度研究，到1714年制成了以水的冰点为32度、沸点为212度、中间分为180度的水银温度记录仪，即至今仍沿用的华氏温度计[28]。
1742年，瑞典的摄尔西乌斯制成另一种水银温度计，温湿度记录仪以水的冰点为100度、沸点作为 0度。到1745年，瑞典的林奈将这两个固定点颠倒过来，这种温度计就是至今仍沿用的摄氏温度计。
早在1735年，就有人尝试利用金属棒受热膨胀的原理，制造温度计，到18世纪末，出现了双金属温度计；1802年，查理斯定律确立之后，气体温度计也随之得到改进和发展，其精确度和测温范围都超过了水银温度计。
1821年，德国的塞贝克发现热电效应；同年，英国的戴维发现金属电阻随温度变化的规律，这以后就出现了热电偶温度计和热电阻温度计。1876年，德国的西门子制造出第一支铂电阻温度计。
国际现代通用的温标是1967年第13次国际权度大会通过的 ，1968年国际实用温标。它以13个纯物质的相变点，如氢三相点，即氢的固、液、气三态共存点(-259．34℃)；水三相点(0.01℃)和金凝固点(1064.43℃)等，作为定义固定点来复现热力学温度的[29]。
温度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时准确获得目标的温度、湿度信息是十分重要的，近年来，温湿度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。
健康我们追求的目标之一，现在很多家庭装修都大量采用建筑复合材料、石材、粘接剂等，这些物质在很长的时间内都将会释放大量有害气体，如甲醛、丙酮、氡及其蜕变物等 年一季度上海市有关部门对该市使用一年以上的商品房进行了抽查，抽查结果是甲醛严重超标，如果房间内没有通风换气装置及时将这些物质排出或补充新鲜空气的话，这些物质会对人体造成很大危害。而住宅中央空调要顺应人们的这种要求，不仅改善室内空气的温湿度，还能明显改善室内空气品质，具有十分显著的效益和发展前景。但我国的目前大部分中央空调的压缩机都是从国外进口的，而它的价格占整个机组造价的1/3-1/4 ，加之一些关键阀件也需要进口，所以中央空调价格还是很高。而且单纯依赖国外进口压缩机绝不是根本出路。只有在引进国外先进技术的同时发展我们自己的空调制造业，才是百年大计。因此研制具有自主知识产权的物联网中央空调具有十分重大的意义[9]。
鉴于此，本设计主要完成以单片机为控制核心的物联网空中央空调温控面板的原理和设计方案。
1.2.2中央空调温控面板的发展现状
中央空调控温精准的秘诀在于中央空调的温控器。空调温度控制器是对空调房间的温度进行控制的电开关设备。中央空调温控器分为电子式和机械式两种，不同类型的中央空调温控器，工作原理有所不同[10]。
中央空调温控器工作原理-机械式温控器 机械式温控器可以分为蒸气压力式温控器、液体膨胀式温控器、气体吸附式温控器和金属膨胀式温控器。其中蒸气压力式温控器又分为充气型、液气混合型和充液型。家用空调机械式都以这类温控器为主。下面我们以蒸气压力式温控器为例来看机械式温控器的工作原理。蒸气压力式温控器工作时，波纹管的动作作用于弹簧，弹簧的弹力是由控制板上的旋钮所控制的，毛细管放在空调机的室内吸入空气的风口处，对室内循环回风的温度起反应[11]。当室温上升至调定的温度时，毛细管和波纹管中的感温剂气体膨胀，使波纹管伸长并克服弹簧的弹力把开关触点接通，此时压缩机运转，系统制冷，直到室温又降至设定的温度时，感温包气体收缩，波纹管收缩与弹簧一起动作，将开关置于断开位置，使压缩机的电动机电路切断。以此反复动作，从而达到控制房间温度的目的[30]。
中央空调温控器工作原理-电子式温控器
电子式分为电阻式温控器和热电偶式温控器。这里我们以电阻式温度控制器为例来分析电子式温控器的工作原理。
电子式温度控制器（电阻式）是采用电阻感温的方法来测量的，一般采用白金丝、铜丝、钨丝以及半导体（热敏电阻等）为测温电阻，这些电阻各有其优缺点。家用空调的传感器大都是以热敏电阻式。因此，在构成温控器时，可以很容易地通过选择适当的热敏电阻来改变温度调节范围和工作温度[12]。
1.3物联网中央空调温控面板的应用前景
如今家用中央空调已经被大众接受，与分体式空调相比，家用中央空调显然更有优势。实现舒适送风，独立控制自然少不了中央空调温控器。在中央空调控制系统中，控制某一房间温度使用的是温控器，所谓温控器是通过程序编辑，用程序来控制并向执行器发出各种信号，可以自由调节室内温度，并能按用户要求设定各种时间段的开关和各种预设好的模式下自动运行调节室温；使之达到舒适的温度。物联网中央空调温控面板则在此基础上顺应时代的需求，加强智能控制，集中控制，简单控制为一体。增加Modbus通讯协议，使其能够与工控主机或者PC主机进行通讯，从而达到通过PC终端或者手机终端进行远程控制的功能，增强生活的智能化，简单化，是当今社会发展的方向[13]。因此推广物联网中央空调温控面板具有一定的市场规模，应用前景被社会看好。
1.4研究内容和研究方法
物联网处于起步阶段,关键技术有待突破,应用和市场有待于发展。未来10年中物联网技术和应用将会获得长足进步。智能家居的主要内容：电器智能化控制实现空调、微波炉等设备的智能化、网络化、定时化控制，给您的生活带来极大的方便[31]。
应满足智能家居的时代号召，本文即介绍一种物联网的中央空调温控面板设计。该中央空调温控面板在满足普通面板的需求之外，增加Modbus通讯功能，使其能够得到集中控制和管理，真正实现智能化。此外该温控面板采用先进的低成本触摸按键技术，在有效降低成本的同时，使产品高端化。
1.5论文的结构主要分四个部分：
1、绪论。主要介绍物联网中央空调温控面板的背景、意义、现状以及本系统的研究方法。
2、部分芯片选型及方案论证。
3、系统开发工具。主要介绍系统设计需要的技术工具。
4、硬件设计。主要介绍系统功能需求性。
5、软件部分设计。主要介绍系统各个部分设计。
第2章 方案的对比和论证
物联网中央空调空调温控面板的核心是STM8S单片机，当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。
传感器是实现测量与控制的首要环节[32]，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。

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