浅析智能空调温度变频控制系统设计

方予琪

（第七一五研究所，浙江 杭州 310000）

智能家居是在互联网影响之下物联化的体现。智能家居以住宅为平台通过物联网技术将家中的各种设备连接到一起，提供家电控制、照明控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，提升家居的便利性、舒适性、安全性等，甚至为各种能源费用节约资金。

1 系统硬件构成

根据智能空调温度控制系统的设计要求，将其分为五个模块，如图1 所示。

图1 系统硬件构成图

1.1 主控部分模块：用MSP430FG4618 单片机完成系统的初始化，控制各模块工作。

1.2 温度检测模块：用温度传感器DS18B20 检测室内温度并采集，并与设定温度作对比，调整室内温度与设定温度相同。

1.3 电机驱动模块：通过单片机控制电机转动并调节PWM 的占空比从而调节电机转速。

1.4 按键设定模块：通过此模块来完成对温度的设定。

1.5 红外线检测模块：用人体红外传感器HC-SR501判断屋内是否有人，从而决定是否对室内温度进行采集。

2 系统硬件原理及设计

该设计是以MSP430FG4618 单片机为主控制模块的智能空调温度控制系统。主要分为三部分，分别为DS18B20 温度检测电路、直流小电机电路和HC-SR501红外线检测电路。主控模块完成模块初始化后，其按键用来人为设定空调温度，有增温和减温两个按键。首先HC-SR501 电路检测附近是不是有人来决定空调机器的开启与关闭。如果附近有人，那么HC-SR501 传感器将人体热源信号经由放大电路传递给单片机，设置在板子上的管脚置高，然后人为按键设定空调温度，然后单片机控制温度检测电路采集室内温度需要与设定温度相比较，室内温度高于设定温度，则电机驱动电路驱动电机转动降温；反之则升温。同时根据设定温度和室内温度的大小差值来控制电机的转速，温差越大，转速越快，以达到变频的目的。

2.1 主控部分模块

MSP430FG4618 单片机CPU 与别的CPU 基本类似，设计上区别于其他CPU 为控制结构和指令系统。其内核中央处理器设计目的为精简指令和透明性高，采用内核和仿真指令，均基于硬件执行。该操作不仅能增强CPU处理的实时性，还可以提高指令执行速度和效率。

存储器用于对外围模块信息、数据、程序的存储，分为程序和数据两类。对前者的代码以字的形式取得，后者则为字或字节形式。

外围模块经由MDB、MAB、中断服务及请求线与中央处理器相连。该产品系列包含：时钟模块，WDTDOG，Timer_A，Timer_B，DMA，Basic Timer，端口，Compare_A，Port0、1，模数、数模转换，液晶模块，硬件乘法器等中的各个部分，种类繁多，数目丰富。其原理图如图2 所示。

图2 MSP430FG4618 单片机原理图

2.2 温度检测模块

DS18B20 通过1-Wire 总线进行通信，根据定义，只需一条数据线（和地）即可与中央微处理器进行通信。测温范围为从-55°C 到+ 125°C，精度为±0.5°C。除此之外，DS18B20 可以直接用数据线对器件进行供电。

64 位ROM 存储设备的唯一序列码。便笺式存储器包含存储温度传感器数字输出的2 字节温度寄存器。除此之外，TH 和TL 与配置寄存器（可调节分辨率为9、10、11、12 位）均为一字节，它们均通过暂存器访问。 TH，TL 和配置寄存器是非易失性（EEPROM），所以它们将在器件断电时保留数据。并且该器件还有一个优点是不需要外部供电即可正常运行。

2.3 电机驱动模块

PWM 是通过调节开关频率固定的直流电源电压的占空比来改变负载两端电压的平均值而达到控制要求的一种电压调整方法。通过改变直流电机的输出PWM波来调节电机的转速。设计根据用户已设定的温度和实时温度的差值来设置PWM 来控制直流电机转速的快慢，其差值越大，电机转速越快。反之电机转速就越慢。

从而达到智能控制空调的要求。

2.4 红外线检测模块

人类为恒温动物，体温趋于一个稳定的区间内，因此会发射出一种波长在10UM 附近红外射线，该射线经由HC-SR501 接收到后，首先由菲泥尔滤光片加大光线的强度，使感应更灵敏。然后汇聚到感应源上，感应源采用热释电元件，该元件温度改变后电荷失衡，向外发射电荷，再由后续处理加工后输出高电平。

3 系统软件设计

3.1 主程序设计

主程序的主要功能为：关闭看门狗定时器，防止程序跑飞。配置2MHZ 的时钟，配置14pf 匹配电容。

对照原理图选择P2.3 置为红外输入，上升沿捕获，开启P2.3 中断和P2 口总中断。

中断P2 为红外中断，用IR=1 表示来人，用IR=2 表示人离开。检测到来人后，IR=1，将P1.2 置为电机输出口，然后进行液晶初始化，液晶清屏。接着调用测温函数，将测得的温度取整作为初始设定温度。如果初始测得的室温大于31 度，则初始设定温度定为30 摄氏度；如果初始测得的室温小于16 度，则初始设定温度定为16摄氏度，然后将室温和设定的温度显示出来。检测到人离开后，IR=2，则关液晶，将P1.2 置为输入，即将电机关闭，然后将IR 清零，准备下一个周期循环。最后清零中断标志位，返回断点处。主程序流程图如图3 所示。

图3 主程序流程图

3.2 温度检测程序设计

温度检测程序设计的核心部件为DS18B20，因为DS18B20 为单总线结构，故对时隙的要求十分严格，因此读写时序十分重要，MSP430 对DS1820 的处理必须完全按照时序概念来进行。为使读出的温度更加准确，在程序设计中进行了五次读取，并且去除最大值和最小值，再对剩下的三个数值取平均作为返回值。

3.3 电机驱动程序设计

首先引用了全局变量室温和设定温度，接着对电机进行初始化：将P1.2 选择为第二功能，将TA 定时器设为增量计数模式，选择ACLK 作为时钟源，选择高电平PWM 输出，周期定为328，即100HZ。然后判断室温和设定温度的大小，温差越大，电机输出占空比越大。

3.4 液晶显示程序设计

定义一个液晶专用延时函数，用于完成液晶初始化。将P5.4、P5.3、P5.2 选择为第二功能并置为输出。将液晶频率进行128 分频。选择4 工作模式。打开液晶总开关和液晶管脚开关。在液晶.h 文件中，查阅了MSP430 相关型号的数据手册，对液晶显示段脚进行了规范的定义，并且将数字0-9 也用段脚表示出来，存放在数组中。

4 系统硬件调试

4.1 调试方法

首先检查各个模块完整性，然后对照各模块数据手册进行接线焊接，然后对各个模块进行功能性测试。发现问题后对照原理图或数据手册继续排查问题，重新进行接线焊接，直至功能性测试完成。

4.2 完整硬件电路调试

问题一：无人情况下完整硬件电路调试

问题描述：左边为主控部分模块，右边最下方为红外感应模块，中间为温控模块，最上面为电机模块，实际测试结果如图4 所示。测试结果：无人情况下，红外模块未感应，单片机上液晶显示屏未显示室温和设定温度，温控模块未测定温度，同时电机未驱动。

图4 无人完整硬件电路调试图

问题二：有人情况下完整硬件电路测试

问题描述：实际测试结果如图5 所示。

图5 有人完整硬件电路调试图

测试结果：红外模块检测到人存在，温控模块测温后通过液晶模块显示出来，图中显示两个数字：左边为测得的室温，右边为初始设定温度定为室温的整数部分。电机根据温差选择转速转动。

问题三：有人情况下调温电机转速调试

问题描述：在完成问题二调试情况下，通过按键改变设定温度并通过液晶显示屏显示，然后观察电机转速变化。测试结果：为保证调试效果明显，将设定温度与室温温差调至五度以上，发现电机转速明显加快。

5 结论

基于MSP430FG4618 单片机的智能空调温度变频控制系统设计，先用人体红外传感器HC-SR501 检测是否有人进出家门，然后将MSP430 内按键模块输入的温度值与DS18B20 温度传感器测得的室内温度相比较，按键模块输入的温度值可以通过液晶显示模块显示出来并修改，同时实时显示室温。根据输入的温度值与室温差值的大小来设置不同的PWM 的占空比，从而控制直流电机的转速。据此达到对空调温度变频智能控制的目的。