家用空调节电控制器
家用空调节电控制器[20191215165741]
摘 要
由于全球变暖问题，空调已经在我们的生活中得到广泛的使用，其极大地改善了人们的生活品质。但同时也带来了诸多问题，例如氟利昂的使用导致臭氧层出现空洞，大量电能的浪费等。目前氟利昂的替代物正在研制当中，因而在短期无法被替换，但是电能的浪费是我们当前就能着手解决的。在生活中不乏因短期的气温骤升而频繁使用空调的现象，这就造成了不必要的能源消耗。
本作品可以便捷地实现温度的采集与实时显示功能，并且能够根据需要任意设定温度上下限，具有精度高、灵敏度强、体积小、功耗低等优点，特别适合于我们的日常生活和工作中。作品采用了一块MSP430F149单片机作为主控部分，NRF24L01无线模块作为两块单片机之间的传输工具，DS18B20传感器能实时采集室内温度，同时在12864液晶上显示当前温度、设定范围及温度曲线。而另一块单片机与继电器模块、ADE7755功率测量模块相连，能测量出当前已消耗的电功率并根据无线模块收到的信号控制空调电源的通断。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:节能；空调；控制器；
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 问题的提出及研究意义 1
1.1.1 问题提出 1
1.1.2 课题研究意义 1
1.2 作品的主要组成部分 2
本章小结 2
第2章 系统总体设计 3
2.1 设计思路 3
2.2 方案比较与选择 4
2.2.2 单片机的选择 4
2.2.3 温度采集模块的选择 4
2.2.4 无线通信模块的选择 4
第3章 硬件部分设计 5
3.1 主控模块 5
3.1.1 MSP430F149单片机 5
3.1.2 独立按键 6
3.2 液晶显示模块 6
3.3 温度采集模块 8
3.3.1 DS18B20简介 8
3.3.2 DS18B20通信 9
3.4 NRF24L01无线模块 10
3.4.1 NRF24L01简介 10
3.4.2 SPI协议 10
3.5 继电器驱动模块 11
3.5.1 MSP430F149单片机 11
3.5.2 继电器部分 11
3.6 功率采集模块 12
3.6.1 ADE7755简介 12
3.6.2 ADE7755工作原理 12
本章小结 13
第4章 软件设计部分 15
4.1单片机主程序 15
4.2液晶显示 16
4.2.1 驱动程序 16
4.2.2 应用程序 18
4.3 温度采集 22
4.4 无线通信 22
4.4.1 发送模式 23
4.4.2 接收模式 25
本章小结 26
第5章 系统调试 27
5.1 硬件调试 27
5.1.1 MSP430单翻译 片机调试 27
5.1.2 继电器部分调试 27
5.1.3 硬件总体调试 27
5.2 软件调试 29
5.2.1 温度采集模块调试 29
5.2.2 无线通信模块调试 30
5.2.3 软件总体调试 31
本章小结 31
第6章 总结与展望 32
参考文献 33
致谢 35
附录一 实物图 36
附录二 源程序 37
中英翻译 59
第1章 绪论
1.1 问题的提出及研究意义
1.1.1 问题提出
电子科技是20世纪法阵最迅速、应用最广泛的技术，使我们的日常生活发生了根本的变革[1]。以电子科技为基础的智能电器已经得到广泛的使用，它们在给人类的生活带来极大的便利同时，也对能源造成了极大的消耗，其中不可小视的一部分来自于能源的浪费。这种现象不仅存在于大型工厂之中，其实在我们的身边常常发生，例如，在中小型公司、事业单位、普通家庭中，空调的使用已经十分普遍，但是，由于天气的骤变或是个人原因，人们总是不自觉地滥用空调，更严重地，一个人开着一层楼的中央空调，这样长久下来是个不小的开支，对于目前能源的浪费也是不可忽视的。因此，为合理地使用空调，更为节约即将枯竭的能源，我想到了作品设计思路。
1.1.2 课题研究意义
目前社会中大家普遍忽视空调节能这种微小问题，为了获得短暂的舒适而单独将空调开启使用，当室内温度过低时，仍然开启空调大功率制冷，这造成了很大的电能浪费。另外，即使有人想到应该节能了，在市场上也没有专门用于家庭、小企业的节电控制器，而本作品采用小巧的MSP430单片机，12864液晶，NRF24L01无线模块，DS18B20传感器等，解决了节能问题。
另外，本作品采用了廉价而实用的芯片及传感器进行功能的实现。例如，在温度采集部分，传统的测温模块都是用的模拟温度传感器，这种采用模拟传感器设计的电路因存在滤波不彻底，容易受到外界干扰等问题，采集的数据并不精确。而本作品采用DS18B20温度传感器，能够高精度地采集外界温度，自带模数转换电路，并且只有三个引脚，分别是电源、地、数据线，其单根数据通信方式十分方便快捷。在无线通信方面，采用的NRF24L01无线模块能很好地完成无线通信功能，距离适中能满足作品要求，同时十分廉价，编程不复杂，较易上手使用。因此本作品能完美地完成节能的任务，并且具有一定的广泛性、实用性。
1.2 作品的主要组成部分
当今社会，随着半导体技术的迅速发展，运算器、控制器可以集成与一个芯片中，使得以微处理器为核心的微型计算机成为现实[2]。本设计系统包括由MSP430F149单片机构成的主控模块，DS18B20测温模块，12864液晶显示模块、NRF20L01无线传输模块、继电器驱动模块、ADE7755功率测量模块组成。作品的大体实现思路是：单片机将DS18B20传输过来的温度数据进行处理，并在12864液晶上显示，当室内温度在设定的温度范围之内时，MSP430单片机通过NRF24L01模块发送信号给另一片MSP430F149单片机，此单片机输出电平控制继电器闭合，空调电源得电正常工作。
本章小结
随着社会的不断进步，我们的生活也随之焕然一新，但是科技带给我们便利的同时，也消耗了大量的地球资源，而其中不可小视的一部分来自于不合理使用电器而造成的能源浪费，这必须引起我们的重视。本作品在一定程度上为小型公司、普通家庭提供了节能措施。
第2章 系统总体设计
2.1 设计思路
本作品采用Protel软件开发商Altium公司开发的Altium Designer电子产品开发系统作为电路设计软件。这个软件把原理图设计、PCB绘制编辑等功能完美地融合在一起，用户从最初的项目模块规划到最终生成数据都可以完全由自己完成，更能让用户方便快捷地绘制出电路图，极大地提高了电路设计的质量与效率[3]。此外，Altium Designer上手简单，设计方便，适合不同程度的电路设计者。
设计软件选择完成后，就需要确定系统的各个功能模块，其实就是如何让各个功能模块相互协调配合，完成系统所要求的功能[4]。当今社会，集成电路的应用已渗透到许多领域，集成电路芯片可能小到不大于指甲，但在上面有成千上万个晶体管相互连接成为一个电路或系统[5]。而本作品采用的单片机就属于集成电路的一种。经过思考整理后，主控芯片为MSP430单片机，主要模块为主控模块、液晶显示模块、无线通信模块、继电器驱动模块、功率采集模块。其中，12864液晶、DS18B20以及MSP430F149单片机模块为一个部分，接收信号的MSP430F149单片机、继电器驱动模块、功率采集模块为另一部分，而这两大部分的通信桥梁便是NRF24L01无线模块。温度采集之后，单片机判断室温是否在设定范围之内，如在范围之内，单片机通过无线模块发送信号给接收单片机，单片机控制继电器闭合，从而空调得电正常工作，整个系统的框架图如下所示：
图2.1整体框架图
2.2 方案比较与选择
2.2.2 单片机的选择：
方案一：51单片机。51单片机因其简单IO口位操作，方便的编程方式等而受到广大电子爱好者的青睐。但是其也有明显的不足之处，如处理速度不够快，功耗较大，体积占PCB面板较大，而且不支持SPI等协议。
方案二：MSP430F149单片机。MSP430单片机最大的特点就是其超低功耗，以及较快的处理速度，而且支持SPI等协议，体积较小，同时还有着丰富的外围模块。缺点就是编程方面比51单片机复杂，尤其是无法对IO口进行位操作。
由于系统需要在较长的时间内稳定地工作，而且作品的主要目标是为了节能，因此选用MSP430F149单片机作为核心处理器。
2.2.3 温度采集模块的选择：
方案一：传统热敏电阻，加上AD转换芯片构成温度采集模块[6]。此方案的优点是思路直接且简单，调试起来也相对容易。缺点就是采集的温度信息不太精确可靠，以及存在电源干扰、滤波不可靠等问题。
方案二：DS18B20温度传感器。DS18B20内部自带模拟数字转换电路，具有较高的转换精度，而且体积小，占用的PCB部分也较小，只有一根数据通信线，方便简单。
由于DS18B20传感器的诸多优点，因此选择其作为温度采集模块的核心部分。
2.2.4 无线通信模块的选择：
方案一：ZigBee无线模块。ZigBee协议规定的技术是一种低功耗，距离较短的无线通信技术。其模块主要适用于控制等许多领域，而且有着数据完整性检查和健全功能，传输速率也很快。缺点就是价格较昂贵。
方案二：NRF24L01无线模块。该模块电路简单，功耗较低，具有多个通信通道，而且传输速率很快。缺点就是距离相对较短，编程较为复杂。
因考虑到无线模块的成本，选择NRF24L01无线模块。
第3章 硬件部分设计
3.1 主控模块
3.1.1 MSP430F149单片机
MSP430系列单片机是美国德州仪器从1996年就推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集 的混合信号处理器[7]。称之为混合信号处理器的原因是它能针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路 、数字电路 模块和微处理器 集成在一个芯片上，以提供“单片机 ”解决方案[8]。MSP430系列单片机是一种高性能、低功耗的绿色单片机，其代码存储空间从1K至60K不等[9]。
摘 要
由于全球变暖问题，空调已经在我们的生活中得到广泛的使用，其极大地改善了人们的生活品质。但同时也带来了诸多问题，例如氟利昂的使用导致臭氧层出现空洞，大量电能的浪费等。目前氟利昂的替代物正在研制当中，因而在短期无法被替换，但是电能的浪费是我们当前就能着手解决的。在生活中不乏因短期的气温骤升而频繁使用空调的现象，这就造成了不必要的能源消耗。
本作品可以便捷地实现温度的采集与实时显示功能，并且能够根据需要任意设定温度上下限，具有精度高、灵敏度强、体积小、功耗低等优点，特别适合于我们的日常生活和工作中。作品采用了一块MSP430F149单片机作为主控部分，NRF24L01无线模块作为两块单片机之间的传输工具，DS18B20传感器能实时采集室内温度，同时在12864液晶上显示当前温度、设定范围及温度曲线。而另一块单片机与继电器模块、ADE7755功率测量模块相连，能测量出当前已消耗的电功率并根据无线模块收到的信号控制空调电源的通断。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:节能；空调；控制器；
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 问题的提出及研究意义 1
1.1.1 问题提出 1
1.1.2 课题研究意义 1
1.2 作品的主要组成部分 2
本章小结 2
第2章 系统总体设计 3
2.1 设计思路 3
2.2 方案比较与选择 4
2.2.2 单片机的选择 4
2.2.3 温度采集模块的选择 4
2.2.4 无线通信模块的选择 4
第3章 硬件部分设计 5
3.1 主控模块 5
3.1.1 MSP430F149单片机 5
3.1.2 独立按键 6
3.2 液晶显示模块 6
3.3 温度采集模块 8
3.3.1 DS18B20简介 8
3.3.2 DS18B20通信 9
3.4 NRF24L01无线模块 10
3.4.1 NRF24L01简介 10
3.4.2 SPI协议 10
3.5 继电器驱动模块 11
3.5.1 MSP430F149单片机 11
3.5.2 继电器部分 11
3.6 功率采集模块 12
3.6.1 ADE7755简介 12
3.6.2 ADE7755工作原理 12
本章小结 13
第4章 软件设计部分 15
4.1单片机主程序 15
4.2液晶显示 16
4.2.1 驱动程序 16
4.2.2 应用程序 18
4.3 温度采集 22
4.4 无线通信 22
4.4.1 发送模式 23
4.4.2 接收模式 25
本章小结 26
第5章 系统调试 27
5.1 硬件调试 27
5.1.1 MSP430单翻译 片机调试 27
5.1.2 继电器部分调试 27
5.1.3 硬件总体调试 27
5.2 软件调试 29
5.2.1 温度采集模块调试 29
5.2.2 无线通信模块调试 30
5.2.3 软件总体调试 31
本章小结 31
第6章 总结与展望 32
参考文献 33
致谢 35
附录一 实物图 36
附录二 源程序 37
中英翻译 59
第1章 绪论
1.1 问题的提出及研究意义
1.1.1 问题提出
电子科技是20世纪法阵最迅速、应用最广泛的技术，使我们的日常生活发生了根本的变革[1]。以电子科技为基础的智能电器已经得到广泛的使用，它们在给人类的生活带来极大的便利同时，也对能源造成了极大的消耗，其中不可小视的一部分来自于能源的浪费。这种现象不仅存在于大型工厂之中，其实在我们的身边常常发生，例如，在中小型公司、事业单位、普通家庭中，空调的使用已经十分普遍，但是，由于天气的骤变或是个人原因，人们总是不自觉地滥用空调，更严重地，一个人开着一层楼的中央空调，这样长久下来是个不小的开支，对于目前能源的浪费也是不可忽视的。因此，为合理地使用空调，更为节约即将枯竭的能源，我想到了作品设计思路。
1.1.2 课题研究意义
目前社会中大家普遍忽视空调节能这种微小问题，为了获得短暂的舒适而单独将空调开启使用，当室内温度过低时，仍然开启空调大功率制冷，这造成了很大的电能浪费。另外，即使有人想到应该节能了，在市场上也没有专门用于家庭、小企业的节电控制器，而本作品采用小巧的MSP430单片机，12864液晶，NRF24L01无线模块，DS18B20传感器等，解决了节能问题。
另外，本作品采用了廉价而实用的芯片及传感器进行功能的实现。例如，在温度采集部分，传统的测温模块都是用的模拟温度传感器，这种采用模拟传感器设计的电路因存在滤波不彻底，容易受到外界干扰等问题，采集的数据并不精确。而本作品采用DS18B20温度传感器，能够高精度地采集外界温度，自带模数转换电路，并且只有三个引脚，分别是电源、地、数据线，其单根数据通信方式十分方便快捷。在无线通信方面，采用的NRF24L01无线模块能很好地完成无线通信功能，距离适中能满足作品要求，同时十分廉价，编程不复杂，较易上手使用。因此本作品能完美地完成节能的任务，并且具有一定的广泛性、实用性。
1.2 作品的主要组成部分
当今社会，随着半导体技术的迅速发展，运算器、控制器可以集成与一个芯片中，使得以微处理器为核心的微型计算机成为现实[2]。本设计系统包括由MSP430F149单片机构成的主控模块，DS18B20测温模块，12864液晶显示模块、NRF20L01无线传输模块、继电器驱动模块、ADE7755功率测量模块组成。作品的大体实现思路是：单片机将DS18B20传输过来的温度数据进行处理，并在12864液晶上显示，当室内温度在设定的温度范围之内时，MSP430单片机通过NRF24L01模块发送信号给另一片MSP430F149单片机，此单片机输出电平控制继电器闭合，空调电源得电正常工作。
本章小结
随着社会的不断进步，我们的生活也随之焕然一新，但是科技带给我们便利的同时，也消耗了大量的地球资源，而其中不可小视的一部分来自于不合理使用电器而造成的能源浪费，这必须引起我们的重视。本作品在一定程度上为小型公司、普通家庭提供了节能措施。
第2章 系统总体设计
2.1 设计思路
本作品采用Protel软件开发商Altium公司开发的Altium Designer电子产品开发系统作为电路设计软件。这个软件把原理图设计、PCB绘制编辑等功能完美地融合在一起，用户从最初的项目模块规划到最终生成数据都可以完全由自己完成，更能让用户方便快捷地绘制出电路图，极大地提高了电路设计的质量与效率[3]。此外，Altium Designer上手简单，设计方便，适合不同程度的电路设计者。
设计软件选择完成后，就需要确定系统的各个功能模块，其实就是如何让各个功能模块相互协调配合，完成系统所要求的功能[4]。当今社会，集成电路的应用已渗透到许多领域，集成电路芯片可能小到不大于指甲，但在上面有成千上万个晶体管相互连接成为一个电路或系统[5]。而本作品采用的单片机就属于集成电路的一种。经过思考整理后，主控芯片为MSP430单片机，主要模块为主控模块、液晶显示模块、无线通信模块、继电器驱动模块、功率采集模块。其中，12864液晶、DS18B20以及MSP430F149单片机模块为一个部分，接收信号的MSP430F149单片机、继电器驱动模块、功率采集模块为另一部分，而这两大部分的通信桥梁便是NRF24L01无线模块。温度采集之后，单片机判断室温是否在设定范围之内，如在范围之内，单片机通过无线模块发送信号给接收单片机，单片机控制继电器闭合，从而空调得电正常工作，整个系统的框架图如下所示：
图2.1整体框架图
2.2 方案比较与选择
2.2.2 单片机的选择：
方案一：51单片机。51单片机因其简单IO口位操作，方便的编程方式等而受到广大电子爱好者的青睐。但是其也有明显的不足之处，如处理速度不够快，功耗较大，体积占PCB面板较大，而且不支持SPI等协议。
方案二：MSP430F149单片机。MSP430单片机最大的特点就是其超低功耗，以及较快的处理速度，而且支持SPI等协议，体积较小，同时还有着丰富的外围模块。缺点就是编程方面比51单片机复杂，尤其是无法对IO口进行位操作。
由于系统需要在较长的时间内稳定地工作，而且作品的主要目标是为了节能，因此选用MSP430F149单片机作为核心处理器。
2.2.3 温度采集模块的选择：
方案一：传统热敏电阻，加上AD转换芯片构成温度采集模块[6]。此方案的优点是思路直接且简单，调试起来也相对容易。缺点就是采集的温度信息不太精确可靠，以及存在电源干扰、滤波不可靠等问题。
方案二：DS18B20温度传感器。DS18B20内部自带模拟数字转换电路，具有较高的转换精度，而且体积小，占用的PCB部分也较小，只有一根数据通信线，方便简单。
由于DS18B20传感器的诸多优点，因此选择其作为温度采集模块的核心部分。
2.2.4 无线通信模块的选择：
方案一：ZigBee无线模块。ZigBee协议规定的技术是一种低功耗，距离较短的无线通信技术。其模块主要适用于控制等许多领域，而且有着数据完整性检查和健全功能，传输速率也很快。缺点就是价格较昂贵。
方案二：NRF24L01无线模块。该模块电路简单，功耗较低，具有多个通信通道，而且传输速率很快。缺点就是距离相对较短，编程较为复杂。
因考虑到无线模块的成本，选择NRF24L01无线模块。
第3章 硬件部分设计
3.1 主控模块
3.1.1 MSP430F149单片机
MSP430系列单片机是美国德州仪器
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