基于AVR的空调温控系统设计

1、武汉理工大学毕业设计（论文）目 录摘 要1Abstract21 绪论31.1 论文研究内容31.2 空调温控系统研究意义32 空调温控系统设计整体思路52.1 硬件设计整体思路52.2 功能设想63 空调温控系统核心硬件简介73.1 AVR单片机综述73.2 空调温控系统单片机选型83.3 DS18B20介绍124 空调温控系统硬件系统设计154.1 温度信号采集电路设计154.2 键盘设计164.3 LED显示设计184.4 电源设计195 空调温控系统智能控制策略探索205.1 空调温控系统PID控制205.2 空调温控系统模糊控制235.3 复合FUZZY-PID控制原理276 空调温控

2、系统软件设计286.1 主程序模块286.2 温度信号采集子程序模块296.3 按键扫描处理子程序模块296.4 数码管显示模块306.5 复合Fuzzy-PID控制系统算法子程序模块306.6模糊控制、数字PID控制子程序模块317 结束语32参考文献33附录：程序34致 谢4242摘 要本文“基于AVR的空调温控系统设计”，系统采用AVR单片机ATmega16作为系统的中央处理器；采用美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20作为系统的温度采集传感器；七段数码管显示相应功能，按键完成功能设置。本论文探索了PID控制、模糊控制用于温控系统中，并探索了复合FUZZY-PID控

3、制原理，以提高空调温控精度、提高人体的舒适感，同时降低噪声，节约能源。本论文研究的内容具有较强的现实意义。论文主要研究了基于AVR的空调温控系统，实现基本温度控制功能后，引入了智能控制的概念。本文的特色在于：温度的智能控制，PID控制和模糊控制的探索。 关键词：AVR单片机；DS18B20；空调温度控制；PID调节；模糊控制Abstract"A design of AVR-based air-conditioning temperature control system " is introduced in this paper. AVR single-chip micro

4、computer ATmega16 is used as the systems CPU. American DALLAS company's single-bus digital temperature sensor DS18B20 is used as a system of temperature acquisition sensors; Seven-Segment LED display function, button to complete function set. This paper explores the PID control, fuzzy control fo

5、r temperature control system. And explore the complex FUZZY - PID control principle. To improve the accuracy of air-conditioning temperature control, improve the body's comfort. At the same time, noise reduction, energy conservation. The contents of this paper'research have strong practical

6、significance.This paper mainly researched air-conditioning temperature-controlled system based on the AVR.After the basic temperature control feature, introduced the concept of intelligent control.In this paper, the characteristics are: temperature of the intelligent control, the exploration of PID

7、control and fuzzy control .Key Words：AVR Single Chip；DS18B20；Air-conditioning temperature control；PID regulator；Fuzzy Control1 绪论随着科技的不断发展，社会在不断进步，人民生活水平在不断提高，空调器已经逐渐成为家庭生活的必需品。空调最基本的功能为每个人所熟知，就是调节室内温度，炎热的夏天让人们感到一丝凉意，寒冷的冬天送给人们温暖。1.1 论文研究内容本文“基于AVR的空调温控系统设计”，采用AVR单片机ATmega16作为系统的中央处理器；采用美国DALLAS公司生产的

8、单总线数字温度传感器DS18B20作为系统的温度采集传感器；空调具有定时功能；七段数码管显示房间温度和设定温度，并指示制热/制冷及其它功能。本论文探索PID控制、模糊控制用于温控系统中，并探索复合FUZZY-PID控制原理。本文将阐述AVR单片机的性能与优点，并与以前课堂上学过的51单片机作出相应的对比。在毕业设计过程中，弄明白ATmega16单片机的I/O端口的特点和使用方法，中断系统的特点及使用方法，重点学习AVR单片机的C语言编程。1.2 空调温控系统研究意义单片机无论在工业控制还是在日常生活家电中都发挥着举足轻重的作用，当一种家用电器用上一个单片机后往往会被冠上“智能”的美誉。作为测控

9、技术与仪器专业的本科生，在毕业设计中以单片机为核心，研究某一产品，具有非常重要的现实意义。在本次毕业设计中除了完成基本的温控控制功能后，更需要我去探索如何朝着智能化的角度思考问题，让单片机的作用发挥得更加淋漓尽致。第一代空调温控器主要是电气式产品，温度传感器采用双金属片或气动温包，通过“给定温度盘”调整预紧力来设定温度，风机三速开关和季节转换开关为泼档式机械开关。这类产品普遍存在“温度设定分度值过粗”、“时间常数太大”、“机械开关易损坏”等问题。第二代空调温控器为电子式产品，温度传感器采用热敏电阻或热电阻，部分产品的温度设定和风速开关通过触摸键和液晶显示屏实现人机交互界面，冷热切换自动完成，运

10、算放大电路和开关电路实现双位调节。这类产品改善了人机交互界面，解决了“温度设定分度值过粗”等问题，但仍存在“控制精度不高”、“时间常数大”、“操作较复杂”等问题。目前国内外生产厂家正在研究开发第三代智能型室温控制器，应用新型控制模型和数控芯片实现智能控制。现在已有国内厂家生产出了智能型室温控制器，并已应用于实际工程。我们知道空调精度越高，人体感觉舒适性越好，过调能量损失越少。但由于传统控制方法的控制精度越高，自控系统的造价就越高，出于经济性考虑，一般舒适性空调系统对空调精度不做严格要求。本论文在完成基本温控功能的前提下，将探索PID调节、模糊控制用于温控系统中，并将探索复合FUZZY-PID控

11、制原理，以提高空调温控精度、提高人体的舒适感；同时节约能源，降低噪声，延长空调压缩机寿命。2 空调温控系统设计整体思路根据任务书的要求和前期的资料查阅，以及对现成空调的观察，在脑海中有了一个大概的轮廓。但是由于我本科所学知识的有限和个人能力的有限，所设计的温控系统肯定没有公司生产的产品那么完善。2.1 硬件设计整体思路以ATmega16单片机作为所设计的温控系统的核心。负责温度数据的采集，查询按键，输出数据到LED数码显示管，控制风机和压缩机。控制部分采用的是5V的直流电，所以要将220V的交流电转换成5V的稳压直流电。整体设计思路如图2.1所示。 图2.1 整体思路图单片机采用AVR单片机中

12、性价比比较高的ATmega16，关于它的介绍将在下一章中进行，本章不做详细阐述。指示灯分为电源指示灯、工作指示灯，电源指示灯为红色发光二极管，工作指示灯为绿色发光二极管。当电源接通，红色指示灯即亮，风机或压缩机两者之一工作时，工作指示灯亮，否则灭。温度采集部分将比较传统模拟传感器与单总线数字传感器的优缺点，总之这部分的功能是将房间的温度信号传到单片机，单片机将比较采集到的房间的温度与用户设定的温度进行比较，然后发出相应的指令。晶振则选用12MHz，为单片机提供时钟频率。键盘则是人机接口的基本部分，用户向温控系统输入相应的参数，包括温度设定，冷暖模式选择，风机风速，定时功能等。显示部分则选用7段

13、LED数码管，其中第一位是功能/模式位，第二三四位为温度位，还可以显示风速等级等，这部分的具体设计将在后面的章节阐述。风机和压缩机的部分由于我的有力有限，不在我的任务范围内，但是会以我查阅的资料稍作阐述。2.2 功能设想我们知道空调精度越高，人体感觉舒适性越好，过调能量损失越少。但由于传统控制方法的控制精度越高，自控系统的造价就越高，出于经济性考虑，一般舒适性空调系统对空调精度不做严格要求。这就造成一般舒适性空调系统缺乏有效的室温自动控制手段，只能依靠运行管理或操作人员凭经验手动调节，主观性强，过调冷/热损失大，能源浪费重。所以在本次毕业设计中，在完成空调温控系统的基础上，探索一下智能控制。以

14、达到既节能又使人体舒适感更好。作为人机接口的键盘，设置四个按键，其中一个M键，代表功能键，也就是用于模式选择；一个OK键，用于确认；一个“+”键，一个“-”键，用于模式的上下选择和温度的具体设定。当用键盘调到当数码管第一位显示为“1”时，则后三位显示当前房间温度，精确到0.5。当调到第一位显示为“2”时，此时可以通过“+”、“-”键设定用户需要的温度，设定完成按“OK”键，此时显示的就是设定的温度。当调到第一位显示为“3”时，中间两位熄灭，最后一位显示“1”时，代表制冷，最后一位显示“2”时，代表制热。也是可以通过“+”、“-”来设定，设定完成同样按下“0K”键。当调到第一位显示“4”时，中间

15、两位熄灭，最后一位显示1、2、3、4，分别代表着风速的大小，“1”代表最小风速，“4”代表最大风速，以此类推，此时风速可由用户设定。当调到第一位显示“5”时，中间两位熄灭，最后一位显示1、2、3、4，同样代表着风速的大小。但不同的是此时的风俗大小不能由用户自己设定，而是单片机根据设定温度与房间实际温度的差值，自动选择风速。当调到第一位显示“6”时，第二位可调，当为“1”时，定时启用，当为“2”时定时功能关闭。最后两位是定时的时间长短，从0.5小时到4小时，中间的间隔为每0.5小时。在实现这些基本功能后，探索PID控制与模糊控制应用于此温控系统中，自动实现压缩机的变频控制和风机的风速控制，达到既

16、节能又高精度控制的效果。3 空调温控系统核心硬件简介由本次毕业设计的题目“基于AVR的空调温控系统设计”可以看出，AVR单片机在本次毕业设计中的地位不可撼动。在本次毕业设计开始前，对陌生的AVR单片机进行了认真的学习。单片机又称单片微控制器，其实质是把一个计算机系统集成到一个芯片上。世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，现在通用的单片机按位数可以分为4位机、8位机、16位机、32位机等。目前我国常用的单片机有Intel、Atmel、Zilog、Philips、Siemens、NEC、凌阳、TI、ST等公司的产品。3.1 AVR单片机综述可靠性高，功能强，速度快，功耗低和价位低，一直是衡量

17、单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。早期的单片机主要由于工艺及设计水平不高，功耗高和抗干扰能力差等原因，大多采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。以后的CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但是这种状态并未被彻底改观。AVR单片机的推出，彻底打破了这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃了复杂指令集CPU(Reduced Instruction Set CPU,CISC)追求完备的做法；采用精简指令集CPU（Reduced Instruction Set CPU,RISC），以字作为指令长度完备的做法，将内容丰富的操作数与操作码安排在

18、一字之中（指令集中占大多数的单周期指令都是如此），取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可告诉执行指令。当然，这种速度上的升越，是以高可靠性为其后盾的。AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆（32个寄存器文件）和单体高速输入/输出的方案（即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑）。提高了指令执行速度（1MIPS/MHz）,克服了瓶颈现象（32个寄存器全部直接与运算逻辑单元ALU相连，且每个寄存器都可以作为累加器工作），增强了功能，同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故AVR单片机在软硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得

19、了优化平衡，是高性价比的单片机。下面介绍AVR单片机的各个优势：ØAVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产及更新。内嵌长寿命的EEPROM可长期保存关键数据，避免断电丢失。片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并且部分机器可像MCS51单片机那样外露总线扩展外部RAM。ØAVR单片机的I/O线全部带有可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可设定（原始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性，使得I/O口资源灵 活、功能强大、可充分利用。ØA

20、VR单片机内具备多重独立的时钟分频器，分别供UART、IIC、SPI使用。其中与8/16位定时器配合的具有多大10位的预分频器，可通过软件设定分频系数提供多种档次的定时时间。AVR单片机独有的“以定时器/计数器（单）双向计数形成三角波，在与输出比较匹配寄存器配合，生成占空比可变、频率可变、相位可变方波的设计方法（即脉宽调制输出PMW）”更是令人耳目一新。Ø增强型的高速同步/异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能打打超过MCS

21、51单片机的串口，加之AVR单片机速度快，中断响应时间短，可实现高波特率通信。Ø面向字节的高速硬件串行接口TWI、SPI。TWI与IIC接口兼容，具备应答ACK信号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主/从机的收/发全部4种组合的多机通信。SPI支持主/从机等4种组合的多机通信。ØAVR单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路BOD，多个复位源（自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位），可设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。ØAVR单片机还具有多种省电休眠模式，且可超宽电压运行（1.85.5V，不同单片机略有

22、不同），抗干扰能力强，可降低一般8位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。可以看出，AVR单片机博采众长，又具独特技术，充分体现了单片机技术向“片上系统SOC”方向发展需求，性价比极高，广泛应用于工农业和消费类电力等各个领域，不愧为8位机中的佼佼者。AVR单片机分类：ATtiny 系列：如 tiny13、 tiny15、 tiny26，属于低档，适合功能相对单一的系统；AT90S 系列： AT90S8515、8535，属于中档，适合一般系统开发；ATmega 系列：Mega8、 Mega16，属于高档，适合各种具有较高要求的系统。3.2 空调温控系统单片机选型由于之前本科的教学中用的是51

23、单片机，AVR单片机对我来说是陌生的，在查阅AVR单片机相关资料，尤其是AVR论坛后，决定选用ATmega16单片机，很有幸的是下载到了哈尔滨工程大学研究生尹延辉主讲的AVR单片机软硬件设计教程-入门篇学单片机就要学AVR！，视频教材中选用的AVR单片机正是ATmega16。在这个视频教材中，让我对ATmega16从零开始学习，可以说学完这部视频教程，已经掌握了该单片机的基础应用。图3.1 ATmega16单片机的内核结构及片上资源ATmega16单片机性能概况：Ø高性能、低功耗的 8 位AVR微处理器Ø先进的RISC 结构 131 条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期

24、 32个8 位通用工作寄存器 全静态工作 工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器Ø非易失性程序和数据存储器 16K 字节的系统内可编程Flash擦写寿命: 10,000 次 具有独立锁定位的可选Boot 代码区通过片上Boot 程序实现系统内编程真正的同时读写操作 512 字节的EEPROM擦写寿命: 100,000 次 1K字节的片内SRAM 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密Ø JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容) 符合JTAG 标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试功能 通过JTAG 接口实现对Flash、E

25、EPROM、熔丝位和锁定位的编程Ø外设特点 两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器 具有独立振荡器的实时计数器RTC 四通道PWM 8路10 位ADC8 个单端通道TQFP 封装的7 个差分通道2 个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行USART 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器Ø特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的RC 振荡器 片内/ 片外中断

26、源 6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby 模式Ø I/O 和封装 32 个可编程的I/O 口 40引脚PDIP 封装, 44 引脚TQFP 封装, 与44 引脚MLF 封装Ø工作电压: ATmega16L：2.7 - 5.5V ATmega16：4.5 - 5.5VØ速度等级 0 - 8 MHz ATmega16L 0 - 16 MHz ATmega16ØATmega16L 在1 MHz, 3V, 25°C 时的功耗 正常模式: 1.1 mA 空闲模式: 0.35 mA

27、 掉电模式: < 1 AATmega16采用PDIP40引脚封装、44引脚TQFP封装和44引脚MLF封装。本毕业设计中采用PDIP40引脚封装。其引脚图如图2.2所示。图3.2 ATmega16引脚图引脚说明：VCC 数字电路的电源GND 地端口A(PA7.PA0) 端口A 做为A/D 转换器的模拟输入端。端口A 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A 处于高阻状态。端口B(PB7.PB0) 端口B 为8 位双向

28、I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。端口C(PC7.PC0) 端口C 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口

29、D(PD7.PD0) 端口D 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D 处于高阻状态。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能。RESET 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2 反向振荡放大器的输出端。AVCC AVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用

30、ADC时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。AREF A/D 的模拟基准输入引脚。其四个I/O口为双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻，其缓冲输出具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起震，I/O口保持为高阻态。采取了各个功能引脚复用的方式应用I/O。3.3 DS18B20介绍DS18B20是美国Dallas公司生产的单线数字温度传感器,可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。 DS18B20的主要特性：Ø适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据

31、线供电。Ø独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。Ø支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。Ø在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。Ø温范围55125，在-10+85时精度为±0.5。Ø可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。Ø在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在75

32、0ms内把温度值转换为数字，速度更快。Ø测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。Ø负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。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。 图3.1配置寄存器 图3.2 DS18B20内部结构DS18B20的4个主要的数据部件：Ø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

33、（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。Ø温度传感器。可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。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，

34、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。 Ø存储器。DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPROM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。高速暂存存储器由9个字节组成。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如表1所示。对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。第九个字节是冗余检验字节。Ø配置寄存

35、器 。 低五位一直都是“1”，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如右表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）。图3.2 实际温度与转换数值对照图4 空调温控系统硬件系统设计本次毕业设计“基于AVR的空调温控系统设计”的整体思路在第二章已经做了阐述。各个芯片及其功能和用法在第三章做了介绍。本章将完成各个模块的硬件设计，最后作出整体的硬件系统设计，用Protel 99SE画出硬件电路图。整体硬件电路图见附图。4.1 温度信号采集电路设计本论文采用DS18B20作为温度采集传感器。单

36、线数字温度传感器,可把温度信号直接转换成串行数字信号供单片机处理。 传统的模拟温度传感器如LM35或者AD590，其出来的是模拟量，而且信号比较微弱，首先要进行放大滤波，然后电平移动，再输入到A/D转换芯片，如ADC0809，进行模数转换，将得到的数字量送入单片机。图4.1 传统温度信号采集电路在传统的模拟温度传感器，传感器输出的为模拟信号（电流或者电压，图中AD590为电流型的温度传感器），而且信号微弱，不标准。首先需要放大及电平移动，如图4.1所示，由于存在50Hz工频的干扰，还需要设计低通滤波器。然后送出的标准信号才能输入到模数转换器（如ADC0809）。使用这种方法不仅硬件成本高，而且

37、浪费单片机的IO口，相应的软件成本也提高，且温度的精度也较难达到预定值。而DS18B20单线数字温度传感器,可把温度信号直接转换成串行数字信号供单片机处理。从DS18B20读出或写入的信息仅需要一根口线。在单总线工作方式下,允许一条信号线上挂接多个DS18B20,特别适合于构成远距离多点温度测控系统,从而大大简化了系统布线,提高了可靠性,降低了成本。与上述模拟的相比，显得体积更小、更灵活、更经济。也使设计系统更加灵活、方便。用图4.1与图4.2对比，就可以很直接的观察到使用DS18B20的方便了。 图4.2 DS18B20管脚图在本次设计中，采用类似三极管的封装方式的芯片，其GND接地，VDD

38、接+5V电源，DQ接到ATmega16的PA6口。4.2 键盘设计键盘是微型计算机最常见输入设备，也是几乎所有微控制器必不可少的设计单元，用户可以通过键盘向计算机输入指令、地址和数据。一般单片机系统中采用非编码键盘，非编码键盘是由软件来识别键盘上的闭合键，它具有机构简单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于嵌入式计算机系统中。在本次毕业设计中，由于按键的数目较少（只设计了4个按键），可将各个按键直接连接在单片机上。由于每个按键单独占有一个端口称为独立式键盘。在按键没按下时，端口为高电平；当某个按键按下时，对应端口就变成低电平。只要读取各个端口的信息就可以获得各个按键的状态，其接口程序非常简单。其硬

39、件设计电路图如图4.3所示。图4.3 按键设计图设置四个按键，其中一个M键，代表功能键，也就是用于模式选择；一个OK键，用于确认；一个“+”键，一个“-”键，用于模式的上下选择和温度的具体设定。当用键盘调到数码管第一位显示“1”时，后三位显示当前房间温度，精确到0.5。当调到第一位显示为“2”时，此时可以通过“+”、“-”键设定用户需要的温度，设定完成按“OK”键，此时显示的就是设定的温度。当调到第一位显示为“3”时，中间两位熄灭，最后一位显示“1”时，代表制冷，最后一位显示“2”时，代表制热。也是可以通过“+”、“-”来设定，设定完成同样按下“0K”键。当调到第一位显示“4”时，中间两位熄灭

40、，最后一位显示1、2、3、4，代表着风速的大小，“1”代表最小风速，“4”代表最大风速，以此类推，此时风速可由用户设定。当调到第一位显示“5”时，中间两位熄灭，最后一位显示1、2、3、4，同样代表着风速的大小。但不同的是此时的风速大小不能由用户自己设定，而是单片机根据设定温度与房间实际温度的差值，自动选择风速。当调到第一位显示“6”时，第二位可调，当为“1”时，定时启用，当为“2”时定时功能关闭。最后两位是定时时间长短，从0.5小时到4小时，中间的间隔为每0.5小时。4.3 LED显示设计发光二极管LED显示器是单片机应用产品中最常见的廉价输出设备。控制不同组合二极管的导通显示不同的的字符。关

41、于LED七段数码管的具体介绍详见第三章，这里不再赘述。在本毕业设计中，用到4个七段数码管，每个都有一个小数点。LED显示有动态显示和静态显示两种显示方式，其中静态显示方式的编程较容易，但占用口线资源较多。在本论文的设计中，四位七段LED显示器采用动态显示方式。由于各位的段选线并联，段选码的输出对各位来说都是相同的，在同一时刻，如果各位的位选线都处于选通状态的话，四位LED将显示同样的字符；如果采用扫描显示方式，在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，其他各位处于关闭状态，同时在段选线上输出该位要显示的字符的字型码，这样在此时四位LDE中只有选通的那一位显示出字符，而其他三位是熄灭的。同样在

42、下一时刻只让下一位处于选通状态，其他的处于关闭状态，同时段选线输出该位要显示字符的字型码，在这一时刻只有选通的位有输出。如此循环下去，就可以使各位显示出要显示的字符，虽然这些字符不是同时出现，但由于人的视觉留现象，只要各位的显示间隔足够短，则会造成同时显示的假象。其硬件电路设计如图4.4所示。图4.4 单片机与4位数码管连接图在图4.6中，四个数码管的段选线a、b、c、d、e、f、g分别并接起来，然后依次与单片机的PB0、PB1、PB2、PB3、PB4、PB5、PB6、PB7口相连。四个数码管的位选线M1、M2、M3、M4依次与PA4、PA5、PA6、PA7口相连接。通过软件编程，可以实现扫描

43、显示方式，在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，此时该位显示，其它位都不显示，出于熄灭状态。但是由于人的视觉暂留现象，加上扫描的时间很快，所以我们看到的是四个数码管都同时处于显示状态。其具体的显示内容与其代表的功能由第一章整体设计思路中作了详细的阐述，这里不再赘述。4.4 电源设计市电供电电压为220V的交流电，而单片机等相关芯片的供电电压为+5V的直流电，某些芯片对电压的稳定性要求比较高。所以需要设计一个220V交流输入，恒压+5V直流电输出的供电系统。传统的电源设计为经一个变压器降压，然后滤波整流。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二

44、极管是构成整流电路的关键元件。滤波电路用于滤去整流输出电压中的波纹，一般由电抗元件组成。其过程原理图如图4.5所示。图4.5 直流稳压电路原理图由上图可知，经过滤波之后之后的电压还是会有波动，即还不是恒压。而后续电路元器件的供电电压要求是稳定的电压，所以还需要稳压这一环节。经过稳压后的电压才是恒定的。稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳定系数、输出电阻、温度系数及纹波电压等。采用7805、7905两个稳压芯片，稳压输出+5V和-5V电压。综合以上分析，所设计的稳压电路图如图4

45、.6所示。图4.6 稳压电源电路5 空调温控系统智能控制策略探索我们知道空调精度越高，人体感觉舒适性越好，过调能量损失越少。在本章就如何提高空调温控系统的精度，以降低能耗，提高人的舒适感进行探索。PID控制是最早发展起来的应用经典控制理论的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制。然而PID控制往往需要在了解受控系统的函数特性才能得到有效的控制，对于那些很复杂，非线性的系统它需要花太多时间进行拟合。而近年来日益流行的模糊控制，其作为其中一种最广泛应用的智能控制技术，具有鲁棒性好，不需要知道控制目标和对象的精确数学模型，适于具有大滞后和非线性时变系统等优点，但容

46、易因控制规则的粗糙而引起稳态误差。所以，对于空调采用单纯的模糊控制方法也很难达到满意的结果。本文提出将复合Fuzzy-PID控制这一新型的智能控制方法，应用到空调系统的温度自动控制中。把模糊控制与PID控制两者结合起来后，能扬长避短，既具有模糊控制的灵活、响应快和适应性强的优点，又具有PID控制精度高，克服稳态误差能力强的特点。其主要思想是：设计一种模糊控制器，当系统处于过渡过程时采用模糊控制；进入稳态过程后，如有稳态误差则切换到PID控制。这样，当滞后和参数变化比较大及有干扰时，复合Fuzzy-PID控制方法仍能取得较好的控制效果。5.1 空调温控系统PID控制在使用计算机来实现自动控制的系

47、统中，PID控制算法也是应用十分广泛的一种控制规律。这不仅是由于PID控制是连续系统理论中技术成熟、应用广泛的一种方法，而且也是因为PID控制的参数整定方便、结构改变灵活、操作人员容易掌握，对于大多数控制对象都能获得满意的控制效果。在系统设计时由于各种原因很难得到精确的数学模型，理论设计的控制器参数往往不得不依靠现场调试。PID控制正具备了这种灵活性和适应性。PID控制器，即由比例、积分及微分三种控制规律组合成的控制器，如图3-1所示。其作用是将给定值r(t)与被控参数的实际输出值之差作为控制器的输入，控制器按偏差比例加积分加微分形成控制量。比例控制环节的作用是使输出u(t)与输入偏差e(t)

48、成正比。因此，只要偏差e (t)一出现，控制器立即产生控制作用，使被控参数朝着减少偏差的方向变化，具有控制及时的特点。控制作用的强弱取决于比例系数Kp，的大小。但比例控制会产生静态偏差(简称静差)，静差是指控制过程稳定时，给定值与被控参数测量值之差。图5.1 模拟PID控制系统原理图为了消除比例控制的静差，可在比例控制的基础上加上积分环节。只要偏差e (t)不为零，它将通过积分作用影响控制量u(t)，以求减小偏差，直至偏差为零，控制作用不再变化，系统达到稳定。积分控制作用的加入，虽然可以消除静差，但它是以降低响应速度为代价的。为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，不但对偏差量做出即时

49、反应(即比例控制作用)，而且还要对偏差量的变化做出反应，使偏差消灭在萌芽状态。为了达到这一目的，在上述比例、积分控制的基础上加入微分环节，得到式(5.1)描述的PID控制规律： （5.1）式中： e (t)调节器输入函数，即给定量r与输出量y (t)的偏差； u (t)调节器输出函数； KP比例系数； Tl积分时间常数； TD微分时间常数。PID控制器，在阶跃信号的作用下，首先是比例和微分作用，使其控制作用加强。然后再进行积分，直到最后消除静差为止。因此，采用PID控制器，无论从静态、还是从动态的角度来说，控制品质都得到了很好的改善。因而PID控制器成为一种应用最为广泛的控制器。在工业控制中，

50、模拟PID控制器有电动、气动、液压等多种形式。它们都是由硬件来实现P功控制规律的。自从电子计算机进入控制领域以来，用计算机软件来实现PDI控制算法不仅成为可能，而且提供了更大的灵活性，从而得到广泛的应用。但是式(5.1)表示的调节器的输入函数及输出函数均为模拟量，所以计算机是无法对其进行直接运算的。为此，必须进行离散化处理。离散方法如下：取T为采样周期，k为采样序号(k=0，1，2，3i)，因采样周期T相对于信号变化的周期是很小的，这样可以用求和的形式代替积分，用增量的形式代替微分，即：于是式(5.1)可写成： （5.2）式中：u(k)采样时刻K时的输出值；e(k)采样时刻K时的偏差值；e (

51、k-1)采样时刻K-1时的偏差值。式(5.2)中的输出量u (k)为全量输出。它对应于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置，因此，式(5.2)称为PID位置控制离散化算式。应当指出的是，按式(5.2)计算u (k)时，输出值与过去所有状态有关，计算时要对e(k)进行累加，计算机运算工作量大、占用内存多，而且，因为计算机输出的u (k)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，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式控制的控制算法。所谓增量式是指数字控制器的输出值只是控制量的增量u (k)

52、： （5.3）t=kT时的控制量为： （5.4）由式(5. 3)可以看出控制增量u (k)的计算非常简单，只需要把t=(k-1) T和t= (k-2) T的历史数据e (k-1)和e(k-2)保存起来即可。u (k)计算简单，即使需要位置输出也可用式(5. 4)计算u (k)。增量式控制虽然只作了一点改进，却带来了不少优点。因此，在实际控制时，增量式算法比位置式算法应用更为广泛。式(5. 3)可以表示为：其中：； 又因为积分系数KI=KPT/Tl,，微分系数KD=KPTD/T，故系数A, B和C也可表示如下：A=KP+KI+KD； B=2KD-KI； C=KD5.2 空调温控系统模糊控制自动控

53、制包括传统的控制技术和智能控制技术，智能控制是控制理论发展的高级阶段。由于人体舒适感的模糊性和空调系统的复杂性，人们难以建立关于空调自动控制的控制目标和控制对象精确的数学模型。这样，以精确数学模型为必要条件的传统控制理论应用于空调系统存在许多不能解决的问题。而模糊控制作为一种最广泛应用智能的控制技术之一，具有不需要知道控制目标和对象的精确数学模型，适于具有大滞后和非线性时变系统等优点而被人们广泛关注。图5.2 模糊控制系统结构图最基本的模糊控制系统结构如图5.2所示。从图中可以看出，它和传统的控制系统结构没有多大区别，只是用模糊控制器取代传统的数字控制。在模糊控制系统中，模糊控制器的作用在于通

54、过电子计算机，根据精确量转化而来的模糊输入信息，按照语言控制规则进行模糊推理，给出模糊输出判决，将其转化为精确量，对被控对象进行控制作用。模糊控制的特点模糊控制不用建立数学模型，模糊控制获得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特点：1）适用于不易获得精确数学模型的被控对象，其结构参数不很清楚或难以求得，只根据实际系统的输入输出结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统进行实时控制。2）模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规则只用语言变量的形式定性的表达，构成了被控对象的模糊模型。3）模糊控制实际上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。该系统尤其适用于非线性，时变，滞后系统的控制。4

55、）抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性。图5.3 温度模糊推理图正因为模糊控制有这么多优于现代控制的特点，本毕业设计中温度的控制在系统处于过渡过程时采用了模糊控制技术，空调温度控制系统的控制执行机构是变频的压缩机，控制目标是使车内温度达到设定的温度，且偏差较小。空调的温度模糊推理如图5.3所示。1.模糊控制器的结构设计。模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，即输入变量个数越多，控制越精细。但维数过高，模糊控制规则变得过于复杂，控制算法实现相当困难。所以本系统中选用两维模糊控制器。由于温度偏差变化率即能反映外界环境对温

56、度的影响，同时也反映房间内人员的状态和变动情况，又考虑到系统的动态特性，装置的实施等因素，所以选定温度的偏差及温度偏差变化率为模糊控制器的输入变。输入变量为温度偏差e和偏差变化率ec，输出变量为控制量u，即压缩机的转速。2.精确量的模糊化。精确量模糊化就是把物理量的精确值转换成语言变量值。在以人的经验为基础的模糊控制中，一般将模糊控制器的输入输出变量的状态划分为“正大、正中、正小、零、负小、负中、负大”七个档次来描述，分别用英文字母PL, PM, PS, 0, NS, NM, NL表示之。对于系统偏差，描述其状态时，还常把“零”分为“正零”和“负零”，分别用P0, N0表示之。在空调智能温控系

57、统中，温度偏差为温度设定值和温度测量值之差。按照医学研究结果，人感受的最佳环境温度为24士1。本文把温度设定值的范围定为16到32，定义温度偏差e的论域为-20, 20，温度偏差变化率ec的论域为-4, 4，风门电机的输出量u的论域为0%, 100% ( 0%表示最大制冷，100%表示最大采暖)。对e, ec和u的模糊状态E, EC和U的整数论域分别定义如下：E和EC的论域为：-4，-3，-2，-1, 0, 1, 2, 3, 4U的论域为：-5，-4，-3，-2，-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5因此，量化因子Ke=4/20=0. 2， Kec=4/4=1， Ku=1/10=0.1。下面把物理量的精确值转换成语言