家庭供暖控制系统毕业论文

郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目 _ 家庭供暖控制系统 _ 无线温控器设计 _学生姓名 * 专业班级 通信工程 05-1 班 学 号 20050704012727 院 （系） 计算机与通信工程学院 指导教师(职称) *（讲师） 完成时间 2009 年 6 月 5 日 郑州轻工业学院毕业设计（论文）任务书题目 家庭供暖控制系统无线温控器设计 专业 通信工程 学号 20050704012727 姓名 * 主要内容、基本要求、主要参考资料等：一主要内容：1熟悉基于 MCU 的电子系统开发方法;2掌握 Keil uVision 软件的使用方法；3应用 STC 公司的 STC89C51 系列单片机；4设计系统硬件和软件。二基本要求：1调节水温范围：5-60；2预留 RF 或 PLC 接口；3能实现温度的分时段控制；4用 C51 语言编制系统程序；三主要参考资料：1有关 Keil C51 集成开发环境使用方面的资料；2有关温度传感器 DS18B20 方面的资料；3有关液晶显示模块 LCD 的资料；4有关 STC89C51RC/RD+系列单片机的资料；完 成 期 限： 2009 年 6 月 5 日指 导 教 师 签 名 ： 专业负责人签名： 年 月 日家庭供暖控制系统无线温控器设计目 录摘 要 .IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 课题研究背景 .11.2 温度控制器的国内外研究现状 .11.2.1 温控器的研究现状 .11.2.2 温度控制器的发展趋势 .21.3 课题的研究意义及内容 .32 无线温控器总体设计 .52.1 需求分析 .52.1.1 功能简介 .52.1.2 技术特征 .52.1.3 功能需求 .52.1.4 控制原理 .62.2 系统总体设计 .72.3 系统模块构成及硬件设计 .82.3.1 STC89RC/RD+单片机及其基本电路设计 .82.3.2 温度实时检测模块 .112.3.3 实时时钟模块 .122.3.4 EEPROM 存储器模块 .142.3.5 显示输出模块设计 .152.3.6 无线接收解码模块设计 .173 无线温度传感器软件平台定制 .203.1 Keil C51 开发系统简介 .203.2 Keil C51 工具包各部分功能及使用简介 .213.3 uVision for Windows 介绍及其基本操作 .22家庭供暖控制系统无线温控器设计4 软件设计与温度控制算法研究 .234.1 软件总体结构 .234.2 功能模块设计 .264.2.1 温度检测模块的软件实现 .264.2.2 实时时钟处理模块的软件实现 .294.2.3 EEPROM 存储器模块的软件实现 .314.2.4 LCD 显示模块的软件实现 .334.3 用于温度控制的 PID 算法研究 .364.3.1 PID 控制简介 .364.3.2 PID 控制的原理和特点 .374.3.3 经典 PID 控制理论 .384.3.4 增量式 PID 控制算法的软件实现 .404.4 系统实现效果 .415 系统可靠性分析与设计 .435.1 电路可靠性分析与设计 .435.1.1 电源输入保护电路 .435.1.2 信号输入可靠性设计 .445.2 系统电路板可靠性分析与设计 .445.2.1 电磁兼容性设计 .445.2.2 电路板抗干扰措施 .455.2.3 电路板热设计 .46结束语 .48致 谢 .49参考文献 .50附 录 .51附录 1 部分 源程序代码 .51附录 2 系 统仿真效果图 .54家庭供暖控制系统无线温控器设计I家庭供暖控制系统无线温控器设计摘 要本文从当前国际国内温控器的发展状况出发，首先介绍了温控器的基本原理和概念。文章对无线温控器系统进行了需求分析，提出了利用 STC89C51RC/RD+单片机为核心的无线温控器设计方案。本文所设计的无线温控器，是以STC89C51RC/RD+单片机为基础，并结合温度传感器 DS18B20、实时时钟芯片DS1302、EEPROM 存储器、12864 液晶屏显示和 RFM12B 无线传输等模块综合设计的一款适合学习和研究使用的无线温控器。本文还从研究的角度讨论了 PID 控制算法，并对 PID 的控制原理做了简单的介绍。在软件实现阶段的最后，实现了一种简单的增量式 PID 控制算法。关键词 温控器；DS18B20；PID 控制；增量式 PID家庭供暖控制系统无线温控器设计IIDESIGN OF WIRELESS THERMOSTAT IN THEHOME HEATING CONTROL SYSTEM ABSTRACTStarting from the current international and domestic development of thermostat, this article , introduced the basic principles and concepts of the temperature control device.First the article analysis the needs of the wireless thermostat system, made use of STC89C51RC/RD + single-chip microcomputer as the core of the wireless thermostat design.In this paper, the design of wireless temperature controller is based on STC89C51RC/RD + single-chip, combined with temperature sensor DS18B20, real-time clock chip DS1302, EEPROM memory, LCD display 12864 device and wireless RFM12B modules of a comprehensive design suitable for study and research the use of the wireless thermostat.From the perspective of the study, this article also discussed the PID control algorithm, the PID control theory and a brief introduction and deduction. And in the final stage of software,we try to realize the incremental PID control algorithm.KEY WORDS Thermostat，DS18B20 ， PID Control，Incremental PID家庭供暖控制系统无线温控器设计11 绪论1.1 课题研究背景随着人们对家居生活舒适性、节能性的追求，国内外对智能家居系统的研究逐渐升温。作为智能家居的重要一环，家庭供暖系统对家居环境的舒适性有着至关重要的作用。家庭供暖系统，是以单个家庭为单位，通过供暖炉产生热水，经过终端散热装置（地暖管、散热器）来进行热量传导，达到居室供暖效果的综合系统。作为一套高效、节能、环保的供暖形式，家庭供暖系统为我们提供很好的供暖解决方法。使用家庭供暖系统，用户可以根据需要自行调节供暖时间和温度。而且，由于它独特的设计，能够使运行大大节省能源，带来了巨大的使用价值和社会意义 1。家庭供暖的控制核心是温度控制器。温控器是集成编程器与软件并实现智能化控制温度的开关，可以自由调节室内温度，并能按用户要求设定各种时间段的开关和各种预设好的模式下自动运行调节室温；使之达到舒适的温度 2。真正达到方便、节能、舒适温暖的理想生活环境。适用于中央空调、单户取暖、地暖及各种燃油、燃气锅炉（壁挂炉）等设备的使用，是理想的温度控制产品及节能产品。在整个家庭供暖系统中，温度是控制过程中普遍而且最重要的物理参数之一。在控制过程中，为了使控制更高效，必须对房间的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。温度控制在控制过程中占有相当大的比例，其关键在于测温和控温两方面。温度测量是温度控制的基础，技术已经比较成熟。由于控制对象越来越复杂，在温度控制方面，还存在着许多问题。如何更好地提高控制性能，满足不同系统的控制要求，是目前科学研究领域的一个重要课题 3。1.2 温度控制器的国内外研究现状1.2.1 温控器的研究现状家庭供暖控制系统无线温控器设计2温度控制是个古老的问题，早在工业社会发展的初期，就有人尝试去设计控制它。其中温度控制的精准问题，一直是国内外学术界争论的控制问题。众所周知，温度是一个非常敏感的量，很容易受到外部环境特别是环境湿度的影响。因此对温度控制问题在全国己至于全世界都是一个很值得研究的控制的课题。在温度研究的领域，国内外高校发表过很多关于这方面的文章，但是大部分都停留在理论研究与仿真阶段，具体做到真正实现的不多 4。而且使用的控制器基本上为 8 位的 51 单片机，单片机在内外部 flash 容量、计算速度方面达不到智能算法的要求。适合单片机使用的算法主要是单回路控制方法。目前在单回路控制方法上，除了传统的 PID 控制或改进的 PID 控制，还存在存在以下几种控制方法:(1) 单纯的模糊控制。模糊控制有许多优点，如动态响应好，上升时间快，超调小，鲁棒性强，但是却存在着一个严重的缺点，就是其稳态精度低，并且在稳态有振荡。因此，采用单纯的模糊控制器难以获得较高的单回路控制精度。(2)、P-FUZZY-PID 多模态控制。P-FUZZY-PID 多模态控制器误差的大小分为不同的控制模式。当误差较小时，采用专家整定式 PID 控制，实现精确控制；误差较大时，直接使用比例控制，加快系统响应速度;其它，则采用模糊控制。这种多模态控制比单纯的 PID 控制及模糊控制效果要好，但要依靠专家的经验确定 PID 参数，并且三种控制的转折点较难确定。(3)采用预测控制预测控制需要采用神经网络等模型来对室内温度进行预测，计算量大，算法复杂，并不适合单片机采用。在温度控制器设计的领域来讲，国外的美国 Honeywen（霍尼韦尔）公司的温度家庭供暖控制系统无线温控器设计3控制器、德国 SIEMENS（西门子）和意大利 IMIT(伊米特)的温度控制器都走在国际领先前列。从技术资料上来看，基本采用的是 PID 调节的技术。目前国内温控器生产企业较少，仅广东、江苏、辽宁、江西各有一家规模稍大一点的生产厂家，他们的生产能力远远不能满足电子温控器市场的需求。1.2.2 温度控制器的发展趋势目前，国际上已开发出多种智能化温控器系列产品。智能温控器内部都包含温度传感器、A/D 转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(cpu)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温控器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试控制功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。进入 21 世纪后，温控器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温控器和网络温控器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。主要可以归结为以下几点 5：家庭供暖