微电脑空调控制系统学士学位论文

1、前言 课题的背景及意义我国空调业从第一台窗式空调器诞生以后，发展缓慢。到80年代初，大量地引进技术和生产线以后，才开始了较快速度的发展，同时在一些高等院校和有实力的生产厂家陆续成立了相应的研究机构。其研究方向主要集中在空调制冷系统及部件的优化设计、制冷系统特性与仿真、工质替代和人工环境特性等应用基础研究方面，取得了诸多的科研成果。但对于实现环境的舒适性调节和空调系统的智能控制方面的研究才刚刚起步，有待于进一步深入和发展。变频技术、微电脑和电子膨胀阀在空调器上的应用为空调器的智能控制创造了最基本的条件。我国从1991年开始研究制冷空调设备的变频能量调节技术，对电子膨胀阀的调节特性及其应用领域进行

2、了系统研究。大部分研究工作都集中在单相压缩机变频调速技术和室内环境的舒适度控制方面。目前，国际上的新型温度传感器也正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。控制技术有：自动控制技术、电气控制技术、微机控制技术等，随着科学技术的不断发展，计算机技术和与自动化技术的结合微型计算机控制技术越来越成熟，应用也越来越广泛，微机是通过传感器接收物理量，转换为电量，通过模/数 （a/d） 转换, 输入计算机。 计算机运算结果，输出， 通过数/模 （d/a） 转换, 送执行机构执行。 计算机程序也分监测采样程序和控制程序。显示技术有：液晶显示技术、平板显示技术、lcd显示技术等，液晶显示器件总的

3、技术趋势，是向彩色化、大容量、大尺寸与高精细度发展，力求做到低功耗，追求全面超过crt的视认性与显示品质，减少缺陷并发展修理技术，提高成品率、降低价格，进一步发展大尺寸基板的全自动、低灰尘、高稳定的设备体系等方面发展。毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者

4、 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集

5、体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日 本文的主要研究内容本设计采用单片机89c51作为控制核心，扩展了8路a/d分别对8间房内的温度进行测控,实现了对各个房间的固定显

6、示和对8个房间的轮流显示，而且还对8个房间内的温度进行了pid控制，使得单片机系统对温度的控制具有快速稳定的特点。本系统的硬件设计中采用pt-100作为温度传感器，用桥式电路转换成电压信号再经icl7650放大，然后用adc0809采样转换为数字信号进入微处理器进行计算处理。微处理器经pid算法处理后输出一定占空比的矩形波，通过矩形波来控制双向可控硅的导通时间，再由双向可控硅去控制加热器的导通，从而达到控制温度的目的。软件采用定时中断采样，经滤波，计算出差值，增量式pid算法计算出控制量，再以pwm波的形式输出其控制量第二章 系统的组成及工作原理2.1 系统的设计要求与技术指标由单片机构成最小

7、系统，扩展8路a/d分别对8间房内的温度进行控制，采用pid算法，输出8路输出控制信号，控制加热执行机构，采用8位数显轮流或定显各房温度，要求测温范围为050度，测量控制精度为+1度。本次设计方案中，温度转换电路采用电桥电路，使转换的电压值更加稳定可靠。由可控硅构成的导通电路使得控制更加安全，敏灵度增强。7279的使用也使数据的输入和显示的控制更加简洁、方便、快速。2.2 系统功能分析以单片机组成的最小系统为核心，由温度转换电路，a/d转换电路， 7279显示及键盘接口电路，可控硅导通控制电路组成。信号由温度传电路转换成电压信号，用数模转换电路采用八通道a/d0809芯片，它将模拟量转换成数值

8、量。经放大后，进入单片机后，一方面通过7279进行显示和键盘控制，一方面通过d/a转电路转换成模拟量对空调的温度系统进行控制。2.3 系统组成框图总电路思路框图系统由转换电路、放大电路、a/d采样电路、驱动电路、控制电路，显示电路等组成。键盘输入a/d转换电路信号放大电路温度转换电路温度参数设定 单 片 机 系 统温度调节电路可控硅导通电路显示电路图2.1 总电路框图第三章 系统硬件电路的设计3.1温度转换电路模块pt100是铂电阻温度传感器，它适用于测量-60c到+400c之间的温度。要求的控温范围在0-50之间，所以本系统采用pt100型铂热电阻作为温度传感器。计算pt100所需电流

9、60;pt100在0c时电阻为100欧姆，随着温度的变化电组成线性变化，大约是每摄氏度0.4欧姆，为了产生5mv/c的电压系数，需要提供12.5ma电流。由于模拟量输出精度为10微安/数，为了得到5ma输出电流所需的输出数必须为1250。因为aqw数据字向右移4位，因此输出数必须乘以16。这样，为了初始化模拟量输出io位12.5ma电流，在aqw0中必须设置20000输出数。等式为：(32000/20ma*12.5ma=20000) 将温度的变化转化为电阻的变化，并通过桥路将电阻的变化转化为电压的变化. pt100可以用电桥实现温度到电阻再到电压的转换，流过pt100的电流不可大于6ma。直流

10、电桥的基本形式由4个桥臂、一个激励源组成。四桥臂的原理图如图所示，图中r1、r2、r3、r4为4个桥臂，中间的是激励源。电桥平衡条件：r1r3=r2r4表3.1 主要温度点pt100的电阻值和电桥输出电压温度t（单位：）pt100的电阻值rt(单位：)电桥输出电压（单位：mv）0100.0-13.830111.613.760123.127.080131.036.3铂热电阻是目前热电阻中性能最好的，主要用作标准电阻温度计。被广泛应用于作温度的基准，标准的传递,因此本系统也采用了铂热电阻pt100作为温度传感器。pt100电桥测量电路如图所示。pt100采用金属铂为材料。其电阻值会随温度化而变化，

11、从而实现温度电阻值转换，且在0500范围内的电阻温度（r-t）曲线的线性度较好。在0850和-2000时其电阻值rt与温度t分别满足式31和式32： rt=r0(1+at+bt²) （式31） rt= r01+at+bt²+c(t-100)t³ （式32）式中：rt pt100的电阻阻值；r0 0时pt100的电阻阻值，=100；a,b,c均为系数，a3.908*10-3,b-5.802*10-7,c-4.273*10-12;图3.1电桥电路3.2 放大电路模块系统选用icl7650的放大电路，以满足设计所需的技术指标。icl7650利用动态校零技术消除了cmos

12、器件固有的失调和漂移，从而摆脱了传统电路的束缚，克服了传统放大器的一些缺点。它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点。除了具有普通运算放大器的特点和应用范围外，还具有高增益、高共模抑制比、失调小和漂移低等特点，所以常常被用在热电偶、电阻应变电桥、电荷传感器等测量微弱信号的前置放大器中。设计中使用icl7650做运放，这种运放与其它运放不同，其内部有一个振荡频率为200hz的振荡器，在这个振荡器控制下运放分节拍工作。每个振荡周期分两个节拍，第一节拍将输入失调采集并存于一个电容器中，第二节拍采集和放大信号，并与此刻的失调相抵消，所以电路总的失调

13、和温漂极小，性能极为优越稳定，电路除采用二个采样/保持电容外，其余的放大，时钟振荡以及所用控制电路均集成于芯片。其中：v+ v- ：供电电压正和负 v+=39v v-=-3-9v，典型值为v+=5v v- =-5v；in+ , in- ：分别为正相输入端和反相输入端，应保证加于此两端的共模输入电压为(v+ 0.3v)(v- 0.3v)，保证加于此两端差模电压在±7v以内。这部分电路主要完成对前级电桥输出电压的放大和滤波。为使最终输出05v的电压信号放大电路的增益应av为150.26，且应采用正向放大电路。r12,r34和电位器rp1够成反馈支路，r6、c7是滤波电路。取r34=10k

14、、rp1调节到适当的电阻值。 av=r34/(r12+rp1) （式33） rp1=(r34/av)-r12 （式 34）故有rp1=56，所以r选200的电位器作rp1。icl7650构成的同相放大器,输入电压经过平衡电阻接到正相输入端，r3为反馈电阻，电压放大倍数由r12,r34和rp1控制。v0与vi的关系如下：v0（1+r34/(r12+rp1)）*vi （式35）icl7650前置放大电路如图所示：图3.2放大电路在放大电路模块中，在电路前后分别预设滤波电路，以减小外界和系统内部自身的干扰。3.3 a/d转换模块设计要求中需扩展8路a/d并分别对8间房内的温度进行控制，故选用8通道的

15、数模转换芯片为佳。adc0809是一种比较典型的8位8通道逐次逼近式a/d转换器cmos工艺。可实现8路模拟信号的分时采集，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100s左右，采用双排28引脚封装。图3.3 adc0809的内部逻辑结构图    由上图可知，adc0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个a/d转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用a/d转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存a/d转换完的数字量，当oe端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 图3.4 ad

16、c0809芯片引脚图in0in7：8条模拟量输入通道 adc0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05v，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条 ale为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ale线为高电平时，地址锁存与译码器将a，b，c三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。a，b和c为地址输入线，用于选通in0in7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示：表3.2通道选择cba选择的通道000in0001in1010in2011in3100in41

17、01in5110in6111in7数字量输出及控制线：11条 st为转换启动信号。当st上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行a/d转换；在转换期间，st应保持低电平。eoc为转换结束信号。当eoc为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行a/d转换。oe为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。oe1，输出转换得到的数据；oe0，输出数据线呈高阻状态。d7d0为数字量输出线。clk为时钟输入信号线。因adc0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500khz， vref（），vref（）为参考电压输入。3.4 单片机最小系统主

18、控制芯片at89c51 at89c51是美国atmel公司生产的低电压，高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器(ram )器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(cpu)和flash存储单元，功能强大at89c51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 主要性能参数:与mcs-51产品指令系统完全兼容4k字节可重擦写flash闪速存储器1000次擦写周期全静态操作:ohz-24mhz三级加密程序存储器128x

19、8字节内部ram32个a编程t/0 u线2个16位定时/计数器6个中断源 图3.5 at89c51芯片引脚图可编程串行dart通道低功耗空闲和掉电模式功能特性概述: at89c51提供以下标准功能:4k字节flash闪速存储器，128字节内部ram, 32个i/o口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信u，片内振荡器及时钟电路。同时，at89c51可降至ohz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停比cpu的工作，但允许ram，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存ram中的内容，但振荡器停比工作并禁比其它所有部件工作自到下

20、一个硬件复位。引脚功能说明： vcc:电源电压 gnd:地 po口：po口是一组8位漏极开路型双向i/0口，也即地址/数据总线复用日作为输出日用时，每位能吸收电流的方式驭动8个ttl逻辑门电路，对端口写“1”，可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组日线分时转换地址(低8位)和数据总线复用，在访问期问激活内部上拉电阻。在flash编程时，po u接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 p1口：p1是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，p1的输出缓冲级可驭动(吸收或输出电流)4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端日拉

21、到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(iil)。flash编程和程序校验期间，p 1接收低8位地址。 p2口：p2是一个带有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2的输出缓冲级可驭动(吸收或输出电流)4个ttl逻辑门电路。对端日写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(iil)。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行movx dptr指令)时，p2口送出高8位地址数据在访问8位地址的外部数据存储器(如执行movx r

22、i指令)时，p2口线上的内容(也即特殊功能寄存器(sfr)区中r2寄存器的内容)，在整个访问期间不改变。flash编程或校验时，p2亦接收高位地址和其它控制信号。p3口：p3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向i/o口。p3口输出缓冲级可驭动(吸收或输出电流)4个ttl逻辑门电路。对p3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的p3口将用上拉电阻输出电流(iil)。p3口除了作为一般的i/o口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：表3.3功能表 p3口还接收一些用于flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 rst：复位输入当振荡器工作时，rst

23、引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ale/prog：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节即使小访问外部存储器，ale仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。对flash存储器编程期问，该引脚还用于输入编程脉冲(prog)。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的8eh单元的do位置位，可禁比ale操作。该位置位后，只有一条movx和movc指令ale才会被激活此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ale无效。

24、 程序储存允许(输出是外部程序存储器的读选通信号，当at89c51由外部程序存储器取指令(或数据)时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的信号不出现。 ea/vpp：外部访问允许。欲使cpu仅访问外部程序存储器(地址为ooooh-ffffh ) ea端必须保持低电平(接地)。需注意的是:如果加密位lb1被编程，复位时内部会锁存ea端状态。如ea端为高电平(接vcc端)，cpu则执行内部程序存储器中的指令。flash存储器编程时，该引脚加上+12v的编程允许电源vpp，当然这必须是该器件是使用12v编程电压vpp。xtal 1：振荡器反相放大器的及内部

25、时钟发生器的输入端。xtal2：振荡器反相放大器的输出端1.时钟电路时钟电路是计算机的心脏，它是控制着计算机的工作节奏。mcs-51内部都有一个反相放大器，xtal1、xtal2 分别是反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件就组成震荡器产生时钟送至单片机内部的各个部件。如下图3.12 所示，片内电路与片外器件构成一个时钟发生电路，cpu 的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的震荡频率fosc 非常接近晶振频率，一般多在1.2mhz12mhz 之间选取，这次毕设用的时钟频率是12mhz。图3.12 中c1、c2 是反馈电容，其值在5pf30pf 之间选择,其典型值是30pf。作用有两个

26、：其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率起微调作用（c1、c2 大，f 变小）。2.复位电路系统在启动运行时都要复位，使中央处理器和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这状态开始工作。采用上电复位方式，在rst复位端接一个电容r16 至vcc 和一个电容c6 至vss(地),就能实现上电自动复位。在上电的瞬间，电容通过电阻充电，就在端出现一定时间的高电平。只要保持rst 引脚为高电平时间足够长，就可使cpu 复位。所需高电平时间的长短与vcc 上升时间和振荡器起振时间有关。10mhz 时，约1ms；1mhz 时，约10ms。若vcc 上升时间小于20ms，那么从上电时间算起，只要保

27、持rst 引脚在高电平停留时间不小于20ms 即可。图3.12 中r16=51k，c6=22f，若频率为12mhz，可以保证可靠的上电复位。如果频率降低，可以适当加大电容c6.3.其它电路89c51还要有7279和adc0809等芯片接口电路。其中7279用于键盘/led显示器接口，2732可以作为89c52的外部rom存储器，adc0809为温度测量电路的输入接口，用于把连续变化的信号进行离散化。最终再通过控制电路中的键盘显示器电路实现人机对话功能。3.5 显示模块系统设计中，键盘及显示电路控制芯片由一片hd7279a担当，本次设计采用了4*4键盘和8个8段共阴数码管提供信息输入及实时信息显

28、示的功能。hd7279电路连接上相对简单，软件编程也相对简单。并且可外接的键盘数量也比8255多，故选择hd7279。hd7279a是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可以连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成led显示，键盘接口的全部功能。它共有28个引脚。 rc引脚用于连接hd7279a的外接振荡元件，其典型值为r=1.5k,c=15pf。reset为复位端。该端由低电平变成高电平并保持25ms即复位结束。通常，该端接+5v即可。dig0dig7分别为8个led管的位驱动输出端。sasg分别为led数码管的ag段的输出端，dp为小数点。8个7段l

29、ed及16个按键控制的键盘显示系统。很好的完成了键盘和显示部分，同时，仅仅使用单片机的p1.0p1.3口，大大节省了cpu的端口资源。下图是hd7279a的引脚功能图 图3.6 hd7279芯片引脚hd7279a的主要特性： .串行接口，无需3外围元件可直接驱动led显示； .各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性； .（循环）左移/（循环）右移指令； .具有段寻址指令，方便控制独立led； .64键键盘控制器，内含消抖电路。引脚说明： vdd：正电源 vss：地 cs：片选 clk：时钟输入端data：串行数据输入/输出端 key：按键有效输出端clk0：震荡输出端 sg-sa：段g-段a

30、输出端dp：小数点驱动输出 dig0-dig7：数字笔段驱动输出rc：rc震荡连接端 res：复位端控制指令：a纯指令.复位（清除）指令a4h.左移指令a1h.右移指令a0hb.带有数据指令.下载数据且按方式0译码.下载数据且按方式1译码.下载数据但不译码.闪烁控制88h.读键盘数据指令15hhd7279a的指令结构有三中类型：1、不带数据的纯指令，指令的宽度为8个bit，即cpu需要发送8个clk脉冲。2、带有数据的指令，宽度为16个bit，即cpu需要发送16个clk脉冲。3、读取键盘数据指令，宽度为16个bit，前8个为cpu发送到hd7279a的指令，后8个hd7279a返回的键盘代码

31、。执行此命令时，hd7279a的data端在第9个clk脉冲的上升沿变为输出状态，并与第16个脉冲的下降沿恢复为输入状态，等待接受下一个指令。具体电路图如图所示： 图3.7 hd7279显示电路电路中8个下拉电阻和4个键盘连接位选线dig0dig3的电阻，应符合一定的比例关系，典型值为10倍。下拉电阻的取值范围是10k100k，位选电阻的取值范围是1k10k。为满足比例关系，取下拉电阻的阻值为100k，位选电阻的阻值为10k。7279外接的rc振荡电路以供7279工作，取其典型值为r=1.5k,c=15pf。3.6 控制模块控制模块最主要的元器件是固态继电器。固态继电器（ssr）是一种全电子电

32、路组合的元件，它依靠靠半导体器件和电子元件的电、磁和光特性来完成其隔离和继电切换功能。 固态继电器又名固态开关，是一种由固态电子元器件组成的新型无触点电子开关器件，它利用分立元件、集成器件及微电子技术，实现了控制回路（输入）与负载回路（输出）之间的电隔离及信号耦合，可达到无触点，无火花接通和断开电器的目的。固态继电器应用领域十分广泛，如用于计算机的接口、微机的测控系统、自动控制等领域。固态继电器与传统的电磁继电器（emr）相比，是一种没有机械、不含运动零部件的继电器，但具有与电磁继电器本质上相同功能。固态继电器按使用场合分为交流型和直流型。本系统根据交流型固态继电器的工作原理,用光电耦合器和双

33、向可控硅等元件设计的如图3-5所示电路,同样可以达到固态继电器的功能。在输入端加一个控制信号，就可以控制输出端的“通”和“断”，实现“开关”功能。其中耦合电路是以光电耦合器作为输入、输出间的通道，又在电气上实现电隔离，以防止输出端对输入端的影响。吸收电路由电阻、电容组成，它是为了防止电源中带来尖峰电压、浪涌电流对开关器件的冲击和干扰而设的。其次是双向可控硅，可控硅是p1n1p2n2四层三端结构元件，共有三个pn结，分析原理时，可以把它看作由一个pnp管和一个npn管所组成 。当阳极a加上正向电压时，bg1和bg2管均处于放大状态。此时，如果从控制极g输入一个正向触发信号，bg2便有基流ib2流

34、过，经bg2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为bg2的集电极直接与bg1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经bg1放大，于是bg1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到bg2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通由于bg1和bg2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极g的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。g#l由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化 h6o%|

35、;u"fmz3t 本电路的主要性能特点有：低噪声、可靠性高、驱动功率小、对电源电压适应能力强和抗干扰能力强等。所以在控制电路的设计中，采用了此电路作为控制开关。 图3.8控制电路3.7 系统总体电路设计及工作原理用pt-100作为温度传感器，采用桥式电路， pt100因温度变化使之阻值发生变化，电桥不平衡从而转换成电压信号。再经icl7650放大及滤波电路，然后用adc0809采样转换为数字信号进入微处理器进行处理。cpu经pid算法处理后输出一定占空比的矩形波，通过矩形波来控制双向可控硅的导通时间，再由双向可控硅去控制加热器的导通，从而达到控制温度的目的。显示部分采用hd7279，

36、4*4键盘和8个8段共阴数码管提供信息输入及实时信息显示的功能。软件采用定时中断采样，经滤波，计算出差值，增量式pid算法计算出控制量，再以pwm波的形式输出其控制量。整个系统也可划分为控制电路部分、加热电路部分和测量电路三部分。控制电路是由单片机来处理给定信号和反馈信号，发出相应的指令来控制可控硅，是系统的核心。89c51对温度的控制是通过可控硅调功能电路实现的。在给定的周期t内，89c51只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝的功率，从而达到调节温度的目的。而可控硅的接通时间可以通过可控硅极上触发脉冲控制。该触发脉冲由89c51用软件在引脚上产生，受过零同步脉冲同步后经光耦合管和驱动管输

37、出送到可控硅的控制极上。过零同步脉冲是一种50hz交流电压过零时刻的脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零时触发导通。该脉冲一方面作为可控硅的触发同步脉冲加到控制电路中，另一方面还作为计数脉冲加到89c51的t0和t1端。加热电路用来实现对系统的升温加热达到预定的温度。当温度没有达到要求，控制电路利用双向可控硅的通断特性来决定加热电路的通电与断电。测量电路功能为将测量到的信号经过处理变成数字信号送入单片机中进行处理。第四章 软件设计在现代智能仪器系统中，硬件必须在软件的配合下，才能实现它强大的功能。好的软件设计，甚至能够弥补硬件设计上的一些缺陷。所以软件设计思想，是整个设计中较为重要的一部分。软

38、件主要由主程序、a/d转换程序和完成各种算法的功能模块组成，完成各种算法的功能模块是直接与仪器功能和性能相关的部分，而主程序是实现对整个仪器的管理，实现人机接口及各功能模块的调度，它们之间相互协调，相互配合，共同实现仪器的各种功能和性能。软件整体设计思路：软件设计主要由温度控制的算法和温度控制程序组成。软件设计主要为控制器部分，即温度控制系统，采用pid算法，其原理是先求出实测温度与所设定温度的偏差值，而后对偏差值处理而获得控制信号去调节加热机构的加热功率，以实现对温度的控制。pid基本可满足系统要求。程序设计是本次设计的核心部分。整个程序包括管理程序和控制程序两部分。管理程序是对显示led进

39、行动态刷新，控制指示灯，处理键盘的扫描和响应，进行掉电保护，执行中断服务程序等。控制程序是用来对被控进行采样，数据处理，根据控制算法进行计算和输出等。此次温度采集和控制系统采用偏差控制法（pid控制）。偏差控制法（pid控制）的原理是先求出实测温度对所需温度的偏差值，然后对偏差值处理而获得控制信号去调节加热器加热时间，以实现对温度控制。此系统采用t0中断实现全部控制功能，为简化程序及实现pid控制,中断时间为10ms。4.1 主程序设计在主程序中首先给定pid算法的参数值,然后通过循环显示当前温度,并且设定键盘外部中断为最高优先级,以便能实时响应键盘处理;软件设定定时器t0为5秒定时,在无键盘

40、响应时每隔5秒响应一次,以用来采集经过ad转换的温度信号;设定定时器t1为嵌套在t0之中的定时中断,初值由pid算法子程序提供。主程序是此系统的监控程序，在程序运行中必须进行上电复位或系统复位后的初始化，为简化程序只进行hd7279的初始化，t0初始化、开中断、显示缓冲区初始化、键盘扫描及键处理等程序nyny开始设置椎栈指针7279初始化定时器/计数器0初始化ram区初始化24c02数据的读取开中断显示转各处理子程序键扫，判断是否有 键按下分析键值图4.1 系统主程序框图是否为功能键系统设计的内存分配情况： 20h-26h 各数据符号位 3fh 温度给定值存放单元 40h-47h 采样数据结果

41、存放单元 48h-4fh pid控制值存放单元 50h-5ah 采样值存放单元 68h kp存放单元 69h ki存放单元 6ah kd存放单元 6bh 存放e(i) 符号位30h 6ch 存放e(i-1) 符号位31h 6dh 存放e(i-2) 符号位32h 6eh 存放e(i)- e(i-1) 符号位33h 6fh 存放e(i-1)- e(ti-2) 符号位34h70h 存放（ei - ei-1）-（ei-1 - ei-2） 符号位35h71h-72h 存放kp（ei - ei-1） 符号位33h73h-74h 存放kiei 符号位30h75h-76h 存放kd（ei - ei-1）-（e

42、i-1 - ei-2） 符号位35h77h-78h 存放kp（ei - ei-1）+ kiei 符号位36h79h-7ah 存放ui 符号位37h7bh-7ch 存放ui7dh-7eh 存放ui-1（初值为0）在整个软件的设计过程中，使用了模块化的结构设计思想使得程序具有灵活可变的特点并且具有较强的可移植性，为系统的二次开发及类似系统的开发提供了极大的便利。4.2键盘显示与输入子程序hd7279是一片具串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可以连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成led显示，键盘接口的全部功能。因为hd7279使用串行接口，必须严格的依据hd7

43、279的工作时序图进行编程才能正确的接收和发送数据。hd7279a的指令结构类型：(1)、不带数据的纯指令，指令的宽度为8个bit。即单片机需发送8个clk脉冲,如图。t1=50us;t2=8us; t3=8us图4.2 hd7279不带数据的纯指令时序图t4=25us图4.3 hd7279带数据的指令时序图(2)带有数据的指令，宽度为16个bit，即微处理器需发送16个clk脉冲。如图4.3。(3)读取键盘数据指令，宽度为16个bit，前8个为微处理器发送到hd7279a的指令，后8个bit为hd7279a返回的键盘代码。执行此指令时，hd7279a的data端在第9个clk脉冲的上升沿变为

44、输出状态，并与第16个脉冲的下降沿恢复为输入状态，等待接收下一个指令,如图4.4。t5=25us; t6=8us; t7=8us图4.4hd7279读取键盘数据指令时序图通过分析hd7279控制指令，设计读取键盘获得键值的程序流程图如下：hd7279获得键值cs=0发送复位指令a4h按键输入否？yn发送读键盘指令15h读出键码按键释放否？取得键值返回ny图4.5读键盘程序流程键处理子程序:在本系统设计中主程序在一直判断是否有键按下，如果无键按下则一直判断键盘，若有键按下则将所读到的键值存到a中，然后再用a与给定的键值相比较若键值勤相等则转到相应的子程序中去。在本系统中共设定了五个功能键分别是定

45、显房间1-8号键、轮显键、参数加1键、参数减1键、给定温度t设定键、p参数设定键、i参数设定键和d参数设定键，对应的键值分别是1fh、1eh、1dh、1ch、17h、16h、15h、14h、0fh（轮显）、0dh（加1键）、0ch（减1键）、07h、06h、05h和04h（分别为定温键和定ki、kp、kd键）。在7279中的a-g和dp为显示数据，分别对应7段led数码管的各段。当对应的数据位为1时，该段点亮，为0时则不亮。此指令灵活，通过造字形表，可以显示用户所需的字符。字形码表如表4.1所示：表4.1 字形码表显示字符显示码显示字符显示码07eh 87fh130h 97bh26dh t0f

46、h379h p67h433h i0dh55bhd3dh 65fh熄灭码00h770h4.3 a/d 转换子程序为了提高系统的稳定性和抗干扰能力，系统在每10ms进行采样，分别对八个房间的温度进行了轮采，每一通道都采满10次后对数据进行中值平均滤波。将10次采样的数据存放在 50h到5ah单元中，每对一个通道的采样值进行处理完后才能进行下一个通道的采样。在本系统中0809的片选线接到了89c52的p2.5口所以选通0809的地址为#0dfffh。其中选择通道的真值表如表5.2所示。采样子程序流图如图5.9所示。表4.2 选择通道的真值表ale c b a 接通通道 1 0 0 0 in0 1 0

47、 0 1 in1 1 0 1 0 in2 1 0 1 1 in3 1 1 0 0 in4 1 1 0 1 in5 1 1 1 0 in6 1 1 1 1 in7 0 x x x 均不通开始送采样通道个数送结果单元首址送10次采样标志位送采样地址启动采样延时等待读采样结果到目的单元目的单元地址加1判断是否完成10次采样 n ny调滤波子程序并保存滤波结果采样通道地址加18通道采完？ n y 返回 图4.6 a/d转换流程图4.4 pid计算子程序pid是整个系统的核心部分，也是系统的难点所在。pid控制规律是目前使用最多的而且比较典型的一种控制规律。pid控制是使控制动作（例如阀门）既和当前的误

48、差有一定的关系（比例关系），又和过去产生过误差的历史情况有一定关系（积分关系），还和误差的变化趋势有一定的关系（微分关系）。如果说积分部分的主要作用是消除静差，那么微分部分的作用则是按照误差的变化趋势，在适当的时机或是加速控制动作，或是减缓控制动作，使控制过程得到较为稳定的变化，不产生振荡，而且不产生过大的超调现象。可见，pid控制具有较好的控制效果。在本系统的设计中使用了增量式pid控制算法其算法的如图5-11所示。本程序设计主要须要解决两个关键问题：第一个是编写一个单字节带符号数的减法子程序，以便计算ei-ei-1、ei-1-ei-2及（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）；第二个是编

49、写一个双字节带符号数的加法子程序，以解决算法中三项值的累加及计算输出值ui。单字节带符号数的减法子程序设被减数在r1，其符号位为20h（当为正数时，20h为0；当为负数时，20h为1。以下类同）。减数在r2中，其符号位为21h。差在r3中，其符号位为22h。当两个带符号数相减时，有4种情况：(a) 如果两数均为正数，直接将r1的内容减去r2中的内容，再判c标志位，若c为0则说明够减，将两数之差送r3符号位（22h）置0；若c标志位为1表示不够减，此时需将两数之差求补（取反加1）后再送r3，符号位（22h）置1。(b) 如被减数为正，减数为负，这样两数相减，实为两数的绝对值相加。此时，又分两种情

50、况：一般情况下，将两数之各送r3即可，但当两数之和大于ffh时，应设为ffh（这种设置在增量式输出的情况下不会影响控制结果），且两种情况下均应使符号位（22h）置0。(c) 如被减数为负，减数为正，此时双应把两数的绝对值相加。但符号位（22h）应置1。其它处理同(b)。(d) 如果两数均为负数，此时应将减数（绝对值）-被减数（绝对值），其它处理同(a)。（2） 双字节带符号数的加法子程序由于增量式pid算式中的比例、积分、微分三项均由两个单字节数相乘，结果都为双字节数。其中比例项kp（ei-ei-1）的符号位同ei-ei-1，积分项kiei的符号位同ei ，微分项kd（ei-ei-1）-（ei

51、-1-ei-2）的符号位同（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）。要实现上述三个双字节带符号数相加，则需编制双字节带符号数的加法子程序。 pid控制输出有两种方法:1、控制双向可控硅的导通角；2、控制双向可控硅的导通时间。如果利用控制双向可控硅导通角的方法对加热机构进行控制则需扩展一片dac0832，由计算机进行pid运算后，自dac0832送出控制信号（0-5v），再经电压/电流（v/i）转换后，送晶阀管调压装置改变晶阀管的导通角，使加热机构两端的电压发生变化从而改变温度。而利用改变导通时间的办法则比较简单，只须输出一定占空比的pwm波适时的改变双向可控硅的通断就行了。因此本系统选择了控

52、制导通时间的方法去控制加热执行机构。 本系统中每t0在每10ms来一次中断,每来一次中断则使标志位3eh单元加1直到加到ffh表示一次完整的控制周期，由此可知本系统中一次完整的pid控制为2.55s。因为pid算法算出的u值范围为00-ffh所以经pid算法算出来的u值可以看成是控制的一个占空比，当u值小于3eh单元的数值时则表示还需继续加热，大于则表示超出占空比不需加热，由此来控制加热机构的导通时间，从而控制温度。控制量pwm波的输出原理图如图4.7所示。图4.7 pwm波输出控制原理图第五章 实验与调试本次设计主要是调试及排故过程。单片机应用系统的硬件和软件调试是交叉进行的，但通常是先排除系统中明显的硬件故障，尤其是电源故障，才能安全的进行软件