基于单片机和DS18B20的空调温控系统设计（硬件）

湘潭大学兴湘学院目录第一章 绪论11.1 课题研究背景11.1.1 空调的工作原理11.1.2 空调的功能11.2 控制技术介绍21.3 总体方案设计3第二章 空调温度控制系统硬件设计52.1 单片机的选择52.1.1 AT89S52单片机简介52.1.2 AT89S52单片机引脚介绍52.1.3 AT89S52单片机的外围电路62.2 温度传感器的选择72.3 键盘的设计82.3.1 行列式键盘和独立键盘的接口设计82.3.2 矩阵键盘和独立键盘的工作原理92.4 液晶显示的设计92.4.1液晶1602的接口电路92.4.2 液晶1602工作原理92.4.3 液晶1602的其他参数102.5 DA转换电路设计112.5.1 DA转换器的选择112.5.2 DAC0832简介122.5.3 DAC0832结构12第三章 空调温度控制设计133.1 PID调节器控制原理133.2 位置式PID算法143.3 数字PID参数的整定143.3.1 采样周期选择的原则153.3.2 PID参数对系统性能的影响153.3.3 PID计算程序16第四章 空调温度控制系统软件设计194.1 系统部件的软件设计方案194.2 系统软件设计框图194.3 主程序和子程序流程图设计204.3.1 主程序流程图204.3.2 液晶1602流程图214.3.3 温度转换子程序流程图214.3.4 键盘处理子程序流程图22结束语23参考文献24第一章 绪论1.1 课题研究背景温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一。温度的变化会给我们的生活、工作、生产等带来重大影响，因此对温度的测量至关重要。其测量控制一般使用各式各样形态的温度传感器。随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输相处理的功能器件，温度传感器的作用日显突出，已成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其应用已遍及工农业生产和日常生活的各个领域。空调即空气调节器(room air conditioner)，是一种用于给空间区域（一般为密闭）提供处理空气的机组。它的功能是对该房间（或封闭空间、区域）内空气的温度、湿度、洁净度和空气流速等参数进行调节，以满足人体舒适或工艺过程的要求。而空调温度控制系统是空调的核心。1.1.1 空调的工作原理压缩机将气态的氟利昂压缩为高温高压的气态氟利昂，然后送到冷凝器（室外机）散热后成为常温高压的液态氟利昂，所以室外机吹出来的是热风。 然后到毛细管，进入蒸发器（室内机），由于氟利昂从毛细管到达蒸发器后空间突然增大，压力减小，液态的氟利昂就会汽化，变成气态低温的氟利昂，从而吸收大量的热量，蒸发器就会变冷，室内机的风扇将室内的空气从蒸发器中吹过，所以室内机吹出来的就是冷风；空气中的水蒸汽遇到冷的蒸发器后就会凝结成水滴，顺着水管流出去，这就是空调会出水的原因。然后气态的氟利昂回到压缩机继续压缩，继续循环。 制热的时候有一个叫四通阀的部件，使氟利昂在冷凝器与蒸发器的流动方向与制冷时相反，所以制热的时候室外吹的是冷风，室内机吹的是热风。 其实就是用的初中物理里学到的液化（由气体变为液态）时要排出热量和汽化（由液体变为气体）时要吸收热量的原理。 1.1.2 空调的功能(1)降温在空调器设计与制造中，一般允许将温度控制在16-30之间。如若温度设定过低时，一方面增加不必要的电力消耗，另一方面造成室内外温差偏大时，人们进出房间不能很快适应温度变化，容易患感冒。(2)除湿空调器在制冷过程中伴有除湿作用。人们感觉舒适的环境相对湿度应在40-60%左右，当相对湿度过大如在90%以上，即使温度在舒适范围内，人的感觉仍然不佳。(3)升温热泵型与电热型空调器都有升温功能。升温能力随室外环境温度下降逐步变小，若温度在-5时几乎不能满足供热要求。(4)净化空气空气中含一定量有害气体如NH3、SO2等，以及各种汗臭、体臭和浴厕臭等臭气。空调器净化方法有：换新风、过滤、利用活性碳或光触媒吸附和吸收等。(5)增加空气负离子浓度空气中带电微粒浓度大小，会影响人体舒适感。空调上安装负离子发生器可增加空气负离子度，使环境更舒适，同时对降低血压、抑制哮喘等方面有一定医疗效果。1.2 控制技术介绍控制理论的发展也经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等；而自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构加在被控系统上，控制系统的被控量经过传感器、变送器通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器和执行机构都不一样。PID控制及其控制器或智能PID控制器已经很多，产品已在工程实际中得到广泛的应用，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID调节器参数是自动调节是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现，有利用PID调节控制实现压力、温度、流量、液位的控制。能实现PID控制功能的有PLC和一些PC机。本恒温自动控制系统的设计中应用AT89S52的单片机进行数字PID运算，能充分发挥软件系统的灵活性，在必要时针对PID算法进行修正，使其更加完善，可满足不同功率制冷系统的需要。随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机来代替人工测量,这样既省时又省力。而PID控制技术在现在最为成熟，控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型就可以调节，所以在恒温控制系统中通常采用PID算法。PID是比例（proportional）、积分（intergal）和微分(derivative)三者的缩写。PID调节器的三个基本参数kp(比例系数)、ki（积分系数）、kd(微分系数)是选择非常重要，它将直接影响一个控制系统的准确性。三个环节在实际控制中的作用：1、比例调节作用：比例反映系统的偏差，系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用，用于减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但过大的比例使系统的稳定性下降，甚至造成系统不稳定；2、积分调节作用：是使系统消除静态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节就停止。积分调节输出为一常值，积分作用的强弱取决于积分时间常数 Ti. Ti越小，积分时间就越强；反之Ti越大，积分时间就越弱。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢，积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节或PID调节；3、微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势。因此能产生超前的控制作用。在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此微分调节可以改善系统的动态性能。在为时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪音干扰有放大作用，因此过强的加微分环节，对系统抗干扰不利。此外微分反映的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用的输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PI调节器或PID调节器。大多数温度控制系统均建立在模型上，难以满足加工工艺要求，故引入模糊控制，采用模糊PID算法，运用AT89S52单片机对电阻炉温度实现智能控制，可以解决上述种种不足，从而实现高精度的控制。因此本次设计应用PID控制技术最为有效。1.3 总体方案设计选用89S52单片机为中央处理器，通过温度传感器DS18B20对室内的温度进行实时精确测量,将采集到的温度信号传输给单片机，再由单片机控制液晶显示器，并比较采集温度与设计温度是否一致，然后驱动空调机的加热或降温循环对空气进行处理，从而模拟实现空调温度控制单元的工作情况。温度的设定部分，采用4*3矩阵键盘设计，键盘包括0-9数字键，而不是传统的+，-键，可以方便快速地输入想要设定的温度。同时包含+-键，两种输入方式并存，更加人性化。有三个独立按键，分别为设置，加温和降温三个。空调器通电后，制冷系统内制冷剂的低压蒸汽被压缩机吸入并压缩为高压蒸汽后排至冷凝器。同时轴流风扇吸入的室外空气经冷凝器，带走制冷剂放出的热量，使高压制冷剂蒸汽凝结为高压液体。高压液体经过过滤、节流机构后喷入蒸发器，并在相应的低压下蒸发，吸取周围的热量。同时贯流风扇使空气不断进入蒸发器的肋片间进行热交换，并将放热后变冷的空气送向室内。如此室内空气不断循环流动，达到降低温度的目的。总体方案结构如图2.1：89S52DA转换温度传感器空气键盘输入液晶显示压缩机动作图1 总体方案结构实现方案的技术路线为：用按钮输入标准温度值，用LCD实时显示环境空气温度，通过PID运算，同标准温度值进行比较，然后用驱动电路控制压缩机完成加热和制冷调节，第二章 空调温度控制系统硬件设计2.1 单片机的选择考虑到尽量降低成本和避免与复杂的电路，此系统所用到的元器件均为常用的电子器件。而主控器采用低功耗、高性能、片内含8kb可反复檫写的Flash 、只读程序器的CMOS8位单片机AT89S522.1.1 AT89S52单片机简介89S52有40个引脚，如图2所示，有32个输入端口（I/O），有2个读写口线，可以反复擦除。所以可以降低成本。主要功能特性： （1）兼容MCS51指令系统（2）32个双向I/O口线（3）3个16位可编程定时/计数器中断（4）2个串行中断口 （5）2个外部中断源（6）2个读写中断口线（7）低功耗空闲和掉电模式（8）8k可反复擦写(1000次)Flash ROM（9）256x8 bit内部RAM（10）时钟频率0-24MHz（11）可编程UART串行通道（12）共6个中断源（13）3级加密位（14）软件设置睡眠和唤醒功能。图2 89S52引脚图2.1.2 AT89S52单片机引脚介绍输入输出口线 口8位双向口线 口8位双向口线 口8位双向口线 口8位双向口线ALE：地址锁存控制信号 在系统扩展时,ALE用于控制把口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来,以实现低位地址和数据的分时传送。此外由于ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出正脉冲,因此可作为外部定时脉冲使用。：外部程序存储器读选通信号在读外部ROM时, 有效(低电平),以实现外部ROM单元的读操作。：访问程序存储趋控制信号但信号为低电平时,对ROM的读操作限定在外部程序存储器； 而当信号为高电平时,则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始,并可延续至外部程序存储器。RST：复位信号当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位操作。和：外接晶体引线端当使用芯片内部时钟时，此二引线端用语外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。：地线：+5V电源2.1.3 AT89S52单片机的外围电路(1)时钟电路图3.时钟电路单片机内部有一个高增益反向放大器，输入端为芯片引脚，输出端为引脚。而在芯片外部和 之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。晶体震荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快，但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高，所以，这里使用震荡频率为6MHz的石英晶体。震荡电路产生的震荡脉冲并不直接是使用，而是经分频后再为系统所用，震荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号。在设计电路板时，振荡器和电容应尽量靠近单片机以避免干扰。需要注意的是：电路板时，振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近，以减小寄生电容的存在更好的保障振荡器稳定、可靠的工作电路图如图3所示(2)复位电路单片机的复位电路分上电复位和按键复位两种方式。图4 按键复位电路上电复位是指在加电之后通过外部复位电路的电容充电来实现的。当的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的初始化电路原理图。RST上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间，满足复位操作的要求。按键复位是指程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需按复位键以重新启动RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效。按键复位又分按键脉冲复位和按键电平复位。电平复位将复位端通过电阻与相连，按键脉冲复位是利用RC分电路产生正脉冲来达到复位的。(3)注意因为按键脉冲复位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位的。所以电平复位要将复位端通过电阻与相连.如复位电路中R、C的值选择不当，使复位时间过长，单片机将处于循环复位状态。故本设计采用按键复位。2.2 温度传感器的选择温度测量转换部分是整个系统的数据来源，直接影响系统的可靠性。传统的温度测量方法是：温度传感器例如AD590，将测量的温度转换成模拟电信号，再经过A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，单片机再对采集的数字信号进行处理3。这种模拟数字混合电路实现起来比较复杂，滤波消噪难度大系统稳定性不高，鉴于这些考虑，本设计采用数字式温度传感器DS18B20。DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度的范围为-55C+125C，现场温度直接以“一线总线”的数字式传输，大大的提高了系统的抗干扰性。DS18B20为3引脚， DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。图5 温度采集模块温度采集电路模块如图5所示。DSB8B20的2脚接系统中单片机的INT1口，用于将采集到的温度送入单片机中处理，2脚和3脚之间接一个4.7K上拉电阻，即可完成温度采集部分硬件电路。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20中的数据转换如下表2.1。表1 DS18B20温度数据转换表LS ByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0232221202-12-22-32-4MS ByteBit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS262524这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。2.3 键盘的设计键盘采用43的行列式键盘，又叫矩阵式键盘。用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。43的行列结构可组成12个键的键盘。因此，在按键数量较多时，可以节省I/O口线。本例中还有三个独立按键。2.3.1 行列式键盘和独立键盘的接口设计行列式键盘和独立按键的接口方法，直接接口于单片机的P1口上，如图6所示，其中S0-S9为数字键输入，S10和S11为加减键。最下面三个为独立按键。图6 行列式键盘和独立键盘的接口设计2.3.2 矩阵键盘和独立键盘的工作原理键盘设置在行、列线的交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接5V，被拉在高电平状态。独立键盘为按键S12-S14，分别对应“设置”“升温”“降温”三个功能，按键的一端接+5V，一端接地，当有按键按下时，对应的口被拉低电平。对键盘的工作过程可分两步：第一步时CPU首先检查独立按键上是否有键按下；如果按了设置键，表明开始设置温度，进入温度设置状态，开始扫描矩阵键盘。当扫描到设置键按下时，退出设置温度及退出矩阵键盘扫描。2.4 液晶显示的设计2.4.1液晶1602的接口电路 液晶显示的接口方法，直接接口于单片机的I/O口上，如图7所示。图7 液晶1602的接口电路 2.4.2 液晶1602工作原理显示采用DMC1602A LCM，采用标准的14脚接口，其中：第1脚：GND为地电源第2脚：VCC接5V正电源第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：EN端为始能端，当E端由高电平变成低电平时，液晶模块执行命令第714脚：D0D7为8位双向数据线第15脚：背光源正极第16脚：背光源负极1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置指令2：光标复位，光标返回到地址00H指令3：光标和现实模式设置I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S：屏幕上所有文字是否左移或右移。高电平有效，低电平则无效指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B:控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁指令5：光标或显示以为S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平双行显示 指令7：字符发生器RAM地址设置指令8：DDRAM地址设置指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志，高电平表示忙，此时模块不能接受命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据指令11：读数据2.4.3 液晶1602的其他参数（1）RAM地址映射及标准字库表液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图4.3.2是1602的内部显示地址。图4.3.2 1602LCD内部显示地址在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。（2）一般初始化（复位）过程延时15mS写指令38H（不检测忙信号）延时5mS写指令38H（不检测忙信号）延时5mS写指令38H（不检测忙信号）以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号写指令38H：显示模式设置写指令08H：显示关闭写指令01H：显示清屏写指令06H：显示光标移动设置写指令0CH：显示开及光标设置2.5 DA转换电路设计2.5.1 DA转换器的选择 温度数据经过DS18B02传给单片机后，通过PID运算得出相应的数据，然后送到DA转换器变成模拟量输出来控制压缩机的转速。此次选择美国国家半导体公司生产的DAC0832芯片。2.5.2 DAC0832简介DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。2.5.3 DAC0832结构D0D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)；ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；图8 DAC0832引脚WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V；VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V；AGND：模拟信号地DGND：数字信号地第三章 空调温度控制设计在控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID控制。PID控制系统原理框图如图9所示。系统由PID控制器和被控对象组成。3.1 PID调节器控制原理图9 PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器,一种它根据给定值rin(t)与实际输出值yout(t)构成控制偏差：E (t)=rin(t)-yout(t)PID控制就是对偏差信号进行比例、积分、微分运算后，形成一种控制规律。即，控制器的输出为： 或写成传递函数的形式： 左中， kp比例系数；Ti积分时间常数；T d微分时间常数。简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号error(t),偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。比例控制： Gc(s)= Kp 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。积分控制： Gc(s) = Kp/T is微分环节：反偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分控制： Gc(s) =KpT ds3.2 位置式PID算法 基本PID控制器的理想算式为 式中u(t)控制器(也称调节器)的输出；e(t)控制器的输入（常常是设定值与被控量之差，即e(t)=r(t)-c(t)）；Kp控制器的比例放大系数；Ti 控制器的积分时间；Td控制器的微分时间。设u(k)为第k次采样时刻控制器的输出值，可得离散的PID算式式中 ， 。由于计算机的输出u(k)直接控制执行机构（如阀门），u(k)的值与执行机构的位置（如阀门开度）一一对应，所以通常称式(2)为位置式PID控制算法。位置式PID控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要对e(k)进行累加，运算量大；而且控制器的输出u(k)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。3.3 数字PID参数的整定 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。本设计采用PID归一整定法把对控制台三个参数（Kc、Ti、Td,）转换为一个参数， 从而使问题明显简化。以达到控制器的特性与被控过程的特性相匹配,满足某种反映控制系统质量的性能指标。3.3.1 采样周期选择的原则1.根据香农采样定理，系统采样频率的下限为fs=2fmax，此时系统可真实地恢复到原来的连续信号。 2.从执行机构的特性要求来看，有时需要输出信号保持一定的宽度。采样周期必须大于这一时间。3.从控制系统的随动和抗干扰的性能来看，要求采样周期短些。 4.从微机的工作量和每个调节回路的计算来看，一般要求采样周期大些。 5.从计算机的精度看，过短的采样周期是不合适的。 6.当系统滞后占主导地位时，应使滞后时间为采样周期的整数倍下表4.1列出了几种常见的被测参数的采样周期T的经验选择数据。表4.1 采样周期的经验数据表被测参数采用周期T（s）备注流量15s优先选用1s压力310s优先选用5s液位68s温度1520s或纯滞后时间成分1520s3.3.2 PID参数对系统性能的影响表4.2 PID参数对系统性能的影响参数图作用缺点P加快调节，减少稳态误差稳定性下降，甚至造成系统的不稳定I因为有误差，积分调节就进行，直至无差.消除稳态误差，提高无差度。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。D反映系统偏差信号变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规蓄料目结合，组成PD或PID控制.综上所述，（Kp、Ti、Td,）对系统的性能影响如表4.3所示：表4.3 Kp、Ti和Td对系统的影响影响KpTiTd稳态性能可以减少静差，但不能消除消除静差，但不能太大配合比例控制，可以减少静差动态性能加快系统速度，但会引起震荡太小会不稳定，太大会影响性能太大和太小都会引起超调量大，过渡时间长。3.3.3 PID计算程序 PID调节规律的基本输入输出关系可用微分方程表示为： （4.5）式中为调节器的输入误差信号，且 （4.6）其中：为给定值，为被控变量； 为调节器的输出控制信号； 为比例系数；为积分时间常数；微分时间常数。计算机只能处理数字信号，若采样周期为T第n次采样的输入误差为，且，输出为，PID算法用的微分由差分代替，积分由代替，于是得到 （4.7）写成递推形式为= = = = 其中： 显然，PID计算只需要保留现时刻以及以前的两个偏差量和。初始化程序初值通过采样并根据参数、以及、和计算。根据输出控制增量，可求出本次控制输出为 += 本设计采用Ziegler-Nichols提出的 PID归一调整法，调整参数，主要是为了减少在线整定参数的数目，常常人为假定约束条件，以减少独立变量的个数，令： 式中称为临界周期。在单纯比例作用下（比例增益由小到大），是系统产生等幅振荡的比例增益，这时的工作周期为临界周期，则可以得到 = = 式中=0.2，=1.258 从而可以调节的参数只有一个。可设计一个调整子程序，通过键盘输入改变值，改变运行参数，使系统满足要求。下面对PID运算加以说明：1、 所有的数都变成定点纯小数进行处理。2、 算式中的各项有正有负，以最高位作为符号位，最高位为0表示为正数，为1表示负数。正负数都是补码表示，最后的计算以原码输出。3、 双精度运算，为了保证运算精度，把单字节8位输入采样值和给定值都变成双字节16位进行计算，最后将运算结果取成高8位有效值输出。4、 输出控制量的限幅处理。为了便于实现对晶闸管的通断处理，PID的输出现在在0250之间。大于250或小于0的控制量都是没有意义的，因在算法上对进行限幅，即 = PID的计算公式采用位置式算法，计算公式为+ = 第四章 空调温度控制系统软件设计4.1 系统部件的软件设计方案一、每个模块的程序结构简单，任务明确，易于编写、调试和修改。二、程序可读行好，对程序的修改可局部进行，其它部分可以保持不变，便于功能扩充。三、对于使用频繁的子程序可以建立子程序库，便于多个模块调用。4.2 系统软件设计框图主 程 序温 度 采 集模块液晶显示模块键盘扫描模块温度控制模块图9 系统软件设计框图如图9所示，根据设计要求，首先要确定软件设计方案，即确定该软件应该完成那些功能；其次是规划为了完成这些功能需要分成多少个功能模块，以及每一个程序模块的具体任务是什嫫。一般划分模块应遵循下述原则：1）每个模块应具有独立的功能，能产生一个明确的结果 。2）模块之间的控制参数应尽量简单，数据参数应尽量少。控制参数是指模块进入和退出的条件及方式，数据参数是指模块间的信息交换方式、交换量的多少及交换的频繁程度。3）模块长度要适中。模块太长时，分析和调试比较困难，失去了模块化程序结构的优越性；模块太短则信息交换太频繁，也不合适。4.3 主程序和子程序流程图设计4.3.1 主程序流程图采集温度查询温度温度采集和比较调显示程序键盘输入设定值PID数据处理温度控制程序要控制温度？与设定值相等？否是是否主程序开始图10 主程序设计框图4.3.2 液晶1602流程图测试显示屏幕是否忙清除屏幕送显示地址送显示数据返回图11 显示程序设计框图4.3.3 温度转换子程序流程图延时初始化读取温度值启动温度转换开始初始化DS18B20跳过读序列号跳过读序列号图12 温度转换子程序设计框图4.3.4 键盘处理子程序流程图升温键降温键Y设置键YN开 始检测独立按键矩阵键盘扫描程序升高温度降低温度液晶显示检测设置键是否按下N图13 键盘处理子程序设计框图结束语在刘老师的耐心指导下,经