空调温度单片机控制系统方案.doc

. . . . .摘要本课设设计了一个基于AT89S52单片机的空调温度控制系统。阐述了系统的工作原理、硬件电路以及软件设计。详细论述了数字PID控制器的原理及其在温度控系统中的应用。此外本系统采用DS18B20 新型单总线数字温度传感器集温度测量和A/D 转换于一体，直接输出数字量，与单片机接口电路简单。本系统由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等模块组成。由于涉及到PID调节所以采用c语言编程。系统的显示模块由六个七段数码管组成，分别显示环境监测温度和温度设定值，温度值分为三位有一位的小数。控制电路与电动机的220v低压电路中间加光电隔离装置。保证了系统的可靠性。本课设主要完成成对电热培养箱箱内的温度测量、显示；手动设置温度；温度智能PID调节等功能，由于时间紧张最后空调设计成只升温不降温的单向温度调节器，降温硬件和程序可类比升温完成，原理相同。通过本课设可以温习大学期间学过的关于数电、单片机、微机原理、c语言、模电等方面的知识，对我将来的工作大有裨益。关键词：温度控制 AT89S52单片机 DS18B20 PID控制目录第一章 绪论3第二章 参数计算和选型5 2.1参数计算5 2.2选型6 2.2.1温度传感器DS18B2052.2.2温度显示电路7 2.2.3 独立式键盘工作原理8 2.2.4 电源9 2.2.5光电隔离电路10 2.2.6 AT89S5211第三章 系统设计12 3.1硬件设计133.2 软件设计14 3.2.1 主程序14 3.2.2键盘扫描电路程序14 3.2.3 PWM控制波程序16 3.2.4 PID算法程序17第四章 结论17参考文献19第一章 绪论空调即空气调节器(room air conditioner)，是一种调节室内温度的装置。现在得空调一般都由单片机来控制的。微型单片机系统以其体积小、性能价格比高，指令丰富、提供多种外围接口部件、控制灵活等优点，广泛应用于各种家电产品和工业控制系统中，在温度控制领域的应用也十分广泛。 上个世纪电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么单片机技术的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。目前，单片机在工业控制系统诸多领域得到了极为广泛的应用。特别是其中的C51系列的单片机的出现，具有更好的稳定性，更快和更准确的运算精度，大大加速了工业的自动化进程。随着微电子技术和微型计算机的迅猛发展，微机测量和控制技术以其逻辑简单、控制灵活、使用方便及性能价格比高的优点得到了迅猛发展和广泛应用。它不仅在航空、航天、铁路交通、冶金，电力、石油化工等领域获得了广泛应用，而且其技术在日常生活小诸如电梯、微波炉、电冰箱、智能照相机、电动玩具、全/半自动洗衣机、智能空调、携带式心脏监护机等高科技产品中也具有广阔的使用前景，尤其是许多智能仪表和测控系统中引入电脑控制技术后，使传统仪器、仪表设备发生了根本变化，为工业生产的自动化、智能化奠定了坚实的技术基础。温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使资源失去应有的作用，从而造成资源的巨大浪费。特别是在当前全球能源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对温度的控制，把身边的能源好好地利用起来。在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，温度是极为重要而又普遍的热工参数之一。在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对温度进行测、显示、控制，使之达到工艺标准，以单片机为核心设计的箱温控制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。那么无论是哪种控制，我们都希望温度控制系统能够有很高的精确度（起码是在满足我们要求的范围内），帮助我们实现我们想要的控制，解决身边的问题。在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会.而今，空调等家用电器随着生产技术的发展和生活水平的提高越来越普及，一个简单，稳定的温度控制系统能更好的适应市场。而本次设计就是要通过以MCS-51系列单片机为控制核心，实现空调机温度控制器的设计。系统CPU根据按键输入的命令,对采集和设置的温度进行智能判断，做出空调是否制冷的命令，即是否使电动机转动，相应的采集和设置的温度通过LED显示出来告诉用户现在的室温和设置温度。 第二章 参数计算与选型2.1参数计算温度PID控制原理是先求出实测温度与设定温度的偏差值。然后对偏差值进行比例积分与微分数值处理，得到的控制输出信号用来控制加热，使温度控制在设定的温度范围内。温控系统采用的数字PID算法，具体算法采用的是增量式PID算法，增量PID算法的优点是编程简单，数据可以递推使用，占用存储空间少，运算快用软件来实现。所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量u(K)，增量式PID控制系统的系统如图所示。图14 增量式PID控制系统框图通过离散化过程，可得离散的PID表达式为： 式中：k为采样序号，k=O、1、2、3、；u(k)为第k次采样时刻的计算机输出值；e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)为第k-1次采样时刻输入的偏差值；Ki=Ts/Ti；KD=TD/Ts。 可由式(1)导出提供增量的PID控制算式，根据递推原理可得：用式(1)减去式(2)，可得：可见。控制系统的输出仅仅与最近3次的偏差有关。在确定了Ts、Ti、TD、Kc之后，根据最近3次的偏差即可求出控制增量。PID参数的整定 PID参数的设定决定了升温速度和系统的稳定性。面对不同的控制对象参数都不相同。根据这些参数在整个PID控制过程中的作用。根据实验现象具体调节。1)温度很迅速就能达到目标值，但是过冲很大。出现这种现象的可能原因是：比例系数太大，致使在达到设定值之前温度上升比例过高；微分系数过小，致使对控制对象的反应不够灵敏。2)温度经常达不到目标值，小于目标值的时间较长出现这种现象的可能原因是：比例系数过小，升温比例不够；积分系数过小，对恒定偏差补偿不足。3)基本上能够控制在目标温度上，但上下偏差很大经常波动出现这种现象的可能原因是：微分系数过小，对即时变化反应不够迅速；积分系数过大，使微分反应被淹没钝化；设定的基本控制周期过短，加热没来得及传到测温点上。PID参数的调整步骤一般为先比例，后积分，再微分的整定步骤编程时先设定他们的大概数值。然后通过反复实验调试，根据实验现象最终选定比较理想的参数值。对温度控制系统，通过实验测量，被控对象的纯滞后时间为120秒。=120s。测得加热炉丝的温度相对时间的阶跃响应曲线由阶跃响应曲线可以确定T=240s，K=O5，对象的数学模型为一阶惯带延迟的近似环节特性：2.2 选型2.2.1温度传感器DS18B20 本系统选用的是数字式的温度传感器DSl8B20。DSl8B20是美国Dallas半导体公司生产的新一代数字式温度传感器，采用TO一92封装。它具有独特的单总线接口方式，将地址线、数据线、控制线复用为一根信号线。输入输出均为数字信号。这使得其与单片机接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的AD转换器及其它复杂外围电路的缺点，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高。DSl8B20供电电压范围为3055V。测温范围：-55125，测量分辨率为00625，在-1085范围内，精度为05；从DSl8B20中读取数据和向DSl8B20写人命令仅需要一根信号线就可完成。采用单根信号线，既可以传输时钟信号，又能传输数据，并且数据的传输是双向的；在温度采集的通道上省去了模数转换电路可以直接让单片机与温度传感器的数据引脚相连，通过指令控制传感器测量温度。采用这种方法简化了系统的硬件结构。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的管脚排列如图9所示，DQ为数字信号输入/输出端；GND 为电源地；VDD为外接供电电源输人端(在寄生电源接线方式时接地)。光刻ROM 中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20 的地址序列码。64 位光刻ROM 的排列是：开始8位(28H)是产品类型标号，接着的48 位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。光刻ROM 的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。DSI81320的内部结构DS18B20的管脚排列本设计DS18B20采用外接电源方式，其VDD端用3V5 5V电源供电。DS18B20与微处理器的典型连接图2.2.2温度显示电路本系统采用因为本系统采用的是共阳极LED显示器，位选应接高电平， P2口输出的段选信号，通过74LS245芯片接LED段码引脚，74LS245的高电平输出电流在15毫安左右，可以驱动LED显示。另外74LS245的输出接上拉电阻，帮助驱动显示器。LED显示器是由发光二极管显示子段组成的显示器件。在单片机系统中通常使用的是七段LED显示器，这种显示器有共阴极共阳极两种，在这次设计中选用阳极LED显示器。共阳极七段LED显示器的管脚表1共阴极LED显示器七段码显示字符共阴极七段码显示字符共阴极七段码0C05921F96832A47F83B0880499998 温度由来自单片机P20(RXD)口输出的数据，通过串入并出移位寄存器74L5164来驱动3位七段LED数码显示，显示温度值的十位、个位、小数位。显示范围为0.099.0。AT89S51P2.0三位七段数码显示串入并出移位寄存器74L5164显示模块的组成框图2.2.3 独立式键盘工作原理因为键盘较少所以用简单的独立式键盘，它的优点是编程简单，缺点是占用I/O口多，适用于键盘较少的电路。键盘的工作原理是按键的一端高电平，另一端已单片机的某个I/O口相连，当按键闭合时，即相当于该I/O口通过按键已电源相连，变成高电平，程序一旦检测到I/O口变为高电平则说明在年间被按下，然后执行相应的指令。这是基本原理，在具体实现时还要考虑键盘的延时去抖，去抖的原理是，当检测到有键按下时，单片机先不动作，延时10毫秒以后，单片机再次检测按键是否按下，如果还是按下，就说明此键确实是按下状态，单片机执行相应操作2.2.4电源 由于本设计由+5V电压供电，并且+5V是主电源。变压器分别采用220/8的变压器，稳压电路分别采用集成稳压器件7805进行稳压。2.2.5光电隔离模块执行信号输出通道的原理图如图所示，AT89S52的输出信号经过光电耦合器，直接控制双向可控硅的门极，从而控制电热丝的平均加热功率。这样使输出通道省去了D/A转换器和可控硅移相触发电路，大大的简化了硬件。而且可控硅在工作在过零触发状态，提高了设备的功率因数，减轻了对电网的干扰。 光电耦合器的光敏三极管所能通过的电流足以触发5A的双向可控硅，其间不必功放环节。可控硅门极回路与220V电源相通，光电耦合器的绝缘耐压，能有效地把微机系统与220V强电隔离。 第三章 系统设计2.2.6 AT89S52AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用Atmel 公司制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。3.1硬件设计由于掌握知识有限，又有考试占用课设时间。本次课设的选型尽量选择设计简单功能单一的原件，以完成设计任务为前提。本次课设主要用了单片机的p1和p2口。P1.0接温度采集，p1.2和p1.3接键盘加减，p1.4接信号输出也就是制热压缩机，p2端口则用来连接七段数码管显示温度。AT89S52是整个系统的CPU测量的温度由DSl8B20数字温度传感器检测并直接转换成数字信号，单片机将该温度值与被控制值(设定温度值)进行比较，计算出温度偏差，根据其偏差值的大小，然后采用PID控制算法并计算出相应的控制输出量，最后通过DA转换电路(这里采用PWM调功方式，相当于DA转换器)控制固态继电器在控制周期内的通断占空比(即控制电阻炉平均功率的大小)，将控制输出量输出，控制加热器工作，进而达到对温度进行控制的目的。基于PID算法的温度测控系统由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等模块组成。控制执行模块采用PID数字控制算法。温度采用3个七段数码管显示。温度测控系统总框图如下图所示核心处理模块（单片机）温度采集模块键盘显示模块控制执行模块 系统接线图：P0.0P0.7为七段数码管的片选输出端 P2.0P2.5为七段数码管的位选输出端 P1.0为温度信号输入端P1.2为设定温度“+”键的输入端 P1.3为设定温度“-”键的输入端 P1.4为信号输出端3.2 软件设计3.2.1 主程序流程图和程序 主函数：void main()/主函数uchar i;TMOD=V_TMOD; /定时器初始化 TH0=V_TH0; TL0=V_TL0; ET0=1; EA=1; while(1) keyscan(); /按键调整温度的设定值tempchange();/温度转换函数for(i=10;i0;i-) dis_temp(get_temp();/获取实际温度并显示 dic_temp(wendu_c); /设定温度显示3.2.2键盘扫描电路程序其中S1为温度加键，S2为温度减键，当按S1键时，设置温度加0.5度。当按S2键时，设置温度减0.5度。但是由于系统要求在5度至70度之间所有在减到15或加到30后就不在进行加减。图8所示为键盘扫描子程序的流程图。实现程序如下：void keyscan()/键盘扫描if(key_up=0)/数字加按键按下 delay(5);/延时消除按键抖动if(key_up=0)/确认数字加按键按下 if(wendu_c=200) wendu_c=200;else wendu_c=wendu_c+5;/温度初始值加0.5度 while(key_up=0)dic_temp(wendu_c);/显示的方式等待按键松开if(key_down=0)/数字减按键按下 delay(5);/延时消除按键抖动if(key_down=0)/确认数字减按键按下 if(wendu_c=200) wendu_c=200;else wendu_c=wendu_c+5;/温度初始值加0.5度 while(key_down=0)dic_temp(wendu_c);/显示的方式等待按键松开dic_temp(wendu_c); /显示调整后的温度初始值 3.2.3 PWM控制波的软件实现PWM控制采用软件定时器实现，定时器以工频周期为基本计数周期进行加法定时。定时器采用工作方式0，时基定为100毫秒。这里假定P W M波的周期为10秒，把每个周期分成M=100份，由PID算法得到一个0100之间整数形式的输出控制量N。一个周期开始时M=0，P11脚输出高电平，加热器停止加热，每100毫秒M加l，当M小于等于由PID算法得出的控制量时，P11脚电平翻转输出低电平，这时加热器开始加热，直到M加到100，重新开始下一个控制周期。等到下一周期开始P 11脚电平又被置为高电平，如此反复进行便产生温度控制的PWM波。具体实现程序如下：#define V_TH0 0X3C #define V_TL0 0XB0 #define V_TMOD 0X01void timer0(void) interrupt 1 TH0=V_TH0; /恢复定时器初始值 TL0=V_TL0; ET0=1; EA=1; TR0=1; click+; if (click=100) /判断采样周期是否到？ click=0; zhouqi=1; if (click=95)zkc=95; kkk=(int)zkc ; if(t=wendu_c) /大于设定值 shuchu=0; /输出高电平void deal(uint t) /压缩机控制函数 TR0=1; if(zhouqi=1) /进行PID算法，求新的占空比 zhouqi=0; ek=wendu_c-t; /计算偏差 u_k=kp*(ek-ek1)+ki*ek+kd*(ek-2*ek1+ek2); /计算增量 uk=uk1+u_k; zkc=100*uk/uc; if (zkc=95)zkc=95; kkk=(int)zkc ; if(t=wendu_c) /大于设定值 shuchu=0; /输出高电评else/小于设