课程设计报告空调温度控制系统设计

1、课 程 设 计课程设计名称： 空调温度控制系统设计专 业 班 级 ： 学 生 姓 名 ： 学 号 ： 指 导 教 师 ： 课程设计地点： 课程设计时间： 计算机控制技术课程设计任务书学生姓名张善林专业班级自动0504学号20054280419题 目基于PIC16F877的空调温度控制系统设计课题性质工程设计课题来源自拟题目指导教师周刚主要内容参数要求从硬件和软件两方面完成了空调的温度控制系统设计，主要是以PIC系列单片机为核心的控制系统设计，采用PID控制算法，即通过A/D转换器将温度传感器采集来的温度数据送入单片机，单片机将采集的数据与设定温度相比拟决定压缩机的工作状态，单片机通过对制冷压缩

2、机的控制，调节压缩机的转速，实现了空调的制冷。任务要求进度在一个星期内完成空调温度控制系统的设计，要求使用PID控制算法，画出系统设计的硬件原理图和软件设计流程图，并编制出相应的源程序。要有以下几个方面的设计：1. 市场调研2. 设计任务3. 方案论证4. 模拟量传感器及接口(放大+滤波)5. 硬件设计A/D+点阵液晶显示16026. 软件设计数据处理算法和数字滤波+点阵液晶显示16027. 印刷电路设计8. 工程制作与调试9. 技术经济分析10. 技术文档11. 主要参考文献主要参考资料1 赵佩华.单片机接口技术及应用.北京：机械工业出版社,2 谢宜仁,谢伟,谢东辰.单片机使用技术问答.北京

3、:人民邮电出版社3 薛宗祥,鹿树理,朱惠英. 8位单片机原理与应用. 北京：北京航空航天大学出版社审查意见系教研室主任签字： 年 月 日 摘 要近几年，随着人民生活水平的逐步提高，居住条件也越来越宽敞；另一方面，环境保护运动的蓬勃开展，也要求进一步提高制冷和空调系统的利用率。此外，人们对舒适的生活品质与环境愈来愈重视，要求也愈来愈高，不仅对室内温、湿度提出了较高的要求，也希望室内环境趋于自然环境。综观空调器的开展过程，有三个主要的开展阶段：(1)从异步电机的定频控制开展到变频控制。(2)从异步电机变频控制开展到无刷直流电机的变频控制。 (3)控制方法从简单的开关控制向智能控制转变。随着对变频空

4、调器研究的日渐深入，控制目标逐渐从单一的室温控制向温湿度控制、舒适度控制转移;控制方法从简单的开关控制向PID控制、神经网络控制、专家系统控制等智能控制方向开展。由于神经网络控制和专家系统控制实现难度较大而且效果不一定很理想，因此本设计采用PID控制算法。 本设计从硬件和软件两方面完成了空调的温度控制系统，主要是以PIC系列单片机为核心的控制系统设计，采用PID控制算法，即通过A/D转换器将温度传感器采集来的温度数据送入单片机，单片机将采集的数据与设定温度相比拟决定压缩机的工作状态，单片机通过对制冷压缩机的控制，调节压缩机的转速，实现了空调的制冷。空调的硬件电路只是起到支持作用，因为作为自动化

5、控制的大局部功能，只能采取软件程序来实现，而且软件程序的优点是显而易见的。它既经济又灵活方便，而且易于模块化和标准化。同时，软件程序所占用的空间和时间相对来说比硬件电路的开销要小得多。同时，与硬件不同，软件有不致磨损、复制容易、易于更新或改造等特点，但由于它所要处理的问题往往远较硬件复杂，因而软件的设计、开发、调试及维护往往要花费巨大的经历及时间。比照软件和硬件的优缺点，本设计采用软硬件结合的方法设计。关键词：空调 单片机 PID算法 温度传感器 目 次1 引言32 总体方案设计43 硬件设计4控制器的选择53.2 信号转换及调理电路63.3 数据采集模块73.4 数据显示模块73.5 脉宽调

6、制控制及驱动电路83.6 键盘接口83.7 原理图94 软件设计104.1 软件设计思想104.2 流程图124.2.1 主程序的设计及流程图124.2.2 PID运算子程序13温度测量子程序164.3 数字滤波设计17心得体会19参考文献201 引言随着人们生活水平的不断提高，智能建筑得到了迅猛开展，并已成为21世纪建筑业的开展主流。而空调系统是智能建筑中楼宇自动化的一个非常重要的组成局部，在各个行业、各个部门中得到了广泛的应用，因此对空调系统的研究十分必要。变频空调由于性能优异、节省能源等特点逐渐成为各大空调生产企业的开展方向，变频技术也日渐得到各个厂家的重视。随着高层建筑的不断增加，中央

7、空调的使用量也不断增加，在整个建筑能耗中的比重越来越大，其送风机经常运行在设计容量下，而在日常运行中的实际负荷大局部时间里只是设计负荷的70，因此节能运行就显得格外重要。商场、办公楼等区域的空调负荷随着时间变化会有较大不同，如晚间由于人员的离开，需要实际风量远小于白天人员顶峰期的风量。基于对实时的风量需要，应对风机进行控制管理，用改变送风机转速来改变送风量，使送风量能随着空调负荷变化而变化，到达节能效果，即采用变风量(Variable Air Volume，VAV)系统，变频调速节电效果明显，因此在中央空调中越来越多地使用变频技术，采用变风量系统节电率可到达50以上。2 总体方案设计(1)输入

8、通道：采用AD590作温度传感器，双积分式A/D芯片MC14433提高抗干扰性。采用独立式键盘来调整空调温度的设定值。(2)输出通道：直接数字控制的周波数调功方式实现有特色的功率放大单元，并用LCD1602作为空调温度控制系统的显示器。(3)8253实现定时数据采集和控制量输出。软件实现分段PID控制算法，以获得较好的温度控制性能。3 硬件设计本控制系统原理框图如下图，它由以下几个模块构成：信号转换及调理电路、数据采集模块、数据显示模块、脉宽调制控制及驱动电路和执行机构。LCD显示控制器在屏幕上显示控制曲线8255MC14433MC1403AD590信号放大调理数字比拟器77774LS688模

9、256计数器MOC3061可控硅电炉脉宽转换电路 2 3 1 5 4 220v 图 系统原理框图下面将具体介绍这几个模块。3.1 控制器的选择本设计我采用PIC系列单片机中的PIC16F877作为控制器。PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠开展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的，精简指令使其执行效率大为提高。PIC系列8位CMOS单片机具有独特的RISC结构，数据总线和指令总线别离的哈佛总线Harvard结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用CISC

10、结构的8位单片机相比，可以到达2:1的代码压缩，速度提高4倍。产品上市零等待Zero time to market，采用PIC的低价OTP型芯片，可使单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市。PIC有优越开发环境，其引脚具有防瞬态能力,通过限流电阻可以接至220V交流电源,可直接与继电器控制电路相连,无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。PIC以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。PIC中档产品是Microchip近年来重点开展的系列产品，品种最为丰富，其性能比低档产品有所提高，增加了中断功能，指令

11、周期可到达200ns，带AD，内部E2PROM数据存储器，双时钟工作，比拟输出，捕捉输入，PWM输出，I2C和SPI接口，异步串行通讯USART，模拟电压比拟器及LCD驱动等等，其封装从8脚到68脚，可用于高、中、低档的电子产品设计中,价格适中，广泛应用在各类电子产品中。3.2 信号转换及调理电路 信号转换调理就是将温度信号转化为电信号，然后调理为可采集的电压信号。具体电路参见图3.2。 R1 R2 VOUT图3.2 数据采集模块其中AD590是一种二端式的集成温度传感器，以TO-2形式封装如图3.3所示,主要技术参数如下:图 AD590外引脚 1测温范围为-55+150C 2工作电压为+4+

12、30V,由于AD590是一种恒流源形式的温度传感器,只要在其二端加上一定工作电压,那么其输出电流随温度变化而变化,其线性电流输出为1uA/K；它以热力学温度零点作为零输出点。其温度电流曲线见图4。3精度：经过激光平衡调整，AD590校准精度可达C,在全温区范围内,线性度可达C(AD590M), 精度可达1C。由于AD590是一种电流型的温度传感器，因此具有较强的抗干扰能力，适用于计算机远距离温度测量和控制。远距离信号传递时，可采用一般的双绞线来完成；其电阻比拟大，因此不需要精密电源对其供电，长导线上压降一般不影响测量精度；不需要温度补偿和专门的线性电路。 A/D转换器采用MC14433，要求采

13、样输入电压幅值为02V可变，对应的温度变化范围为0100C，由图2可计算出R1和R3+R4得数值。3.3 数据采集模块 通过A/D转换器将输入的模拟电压量转换为数字量，并通过并行接口芯片将数字量送给计算机。本控制系统A/D转换器采用高精度的MC14433，图为MC14433的典型电路图。MC14433是三位半十进制(即11位二进制数)的双积分式模数转换器,转换速率为4-10Hz,它无控制启停信号，一旦上电，就不断地转换。转换结果采用BCD码动态扫描输出,它的千位、百位、十位、个位的BCD码输出为分别与DS1、DS2、DS3、DS4输出高电平是相对应,由于它们无三态特性,不可与PC机直接相连,因

14、此要通过并行接口芯片相连接。0图 数据采集模块3.4 数据显示模块PC机将采集到的温度值经处理后送往LCD1602上显示。 1602液晶模块内部的字符发生存储器CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，如表1所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比方大写的英文字母“A的代码是01000001B41H，显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A。3.5 脉宽调制控制及驱动电路 图3.5为脉宽调制控制及驱动局部的原理图图中包括执行机构局部。图 脉宽调制控制及驱动电路原理图本电路用于完成反应控制的功能

15、，利用单片机输出的经PID控制算法处理后的误差信号去控制产生具有一定占空比的脉冲，并送往驱动电路进行脉冲放大。改变占空比的调节方法有脉宽调制(PWM)和脉频调制(PFM)。由原理图可知本系统采用PWM方式，即工作频率不变，通过改变后级电路的导通与截止比来改变占空比。3.6 键盘接口键盘是由假设干按钮组成的开关矩阵，它是单片机系统中最常用的输入设备，用户能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和非编码键盘，非编码键盘是由软件来识别键盘上的闭合键，它具有结构简单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机系统。 A图B图图3.6 键盘结构图组成键盘的按钮有触点式和非触点式两种，单片机

16、中应用的一般是由机械触点组成的。在图中，当开关S未被按下时，RB0输入为高电平，S闭合后，RB0输入为低电平。由于按钮是机械触点，当机械触点断开、闭合时，会有抖动动，RB0输入端的波形如A图所示。这种抖动对于人来说是感觉不到的，但对计算机来说，那么是完全能感应到的，因为计算机处理的速度是在微秒级，而机械抖动的时间至少是毫秒级，对计算机而言，这已是一个“漫长的时间了。3.7 原理图原理图使用专业的电路设计软件Protel 99 se设计，并使用工程绘图法绘制，即使用网络标号的方法而不直接将各个电子元件连在一起，这样对绘制原理图和阅读原理图都有利。原理图如下图： 原理图4 软件设计4.1 软件设计

17、思想空调的硬件电路只是起到支持作用。因为作为自动化控制的大局部功能，只能采取软件程序来实现，而且软件程序的优点是显而易见的。它既经济又灵活方便，而且易于模块化和标准化。同时，软件程序所占用的空间和时间相对来说比硬件电路的开销要小得多。同时，与硬件不同，软件有不致磨损、复制容易、易于更新或改造等特点，但由于它所要处理的问题往往远较硬件复杂，因而软件的设计、开发、调试及维护往往要花费巨大的经历及时间。但相比之下，这些代价所取得的功能远优于仅依靠硬件电路所实现的功能。在硬件电路设计好以后，软件设计那么是最重要的一个设计局部，由于空调自动控制的大局部智能化功能都是软件来完成，这样就使得硬件电路设计的简

18、化和本钱低可以得到实现。在进行软件编程时，我们仍然要采用结构化模块方式编程，从而可以把一些非常大的程序逐步分解为几个小程序，这对于编程人员非常重要的。对于本课题而言，由于它最终要设计成样机形式。因此，我们就得对整机进行监控，这个监控程序中应包括各种芯片的初始化程序、自诊断程序及许多中断子程序等事实上，在对空调器上电后，它应在单片机的控制下自动转入监控程序的执行。我们在编制时把监控程序作为本机的主程序来进行工作。任何故障都会从监控程序的执行中得到响应，而且任何故障给予的响应方式和代码不同，因此这很方便的可以查找到该故障部位。显然，这只对硬件电路的故障有效。对于软件程序的执行故障，我们目前只能通过

19、软件程序的调试安装及仿真来判别它是否正常运行。因为单片机毕竟不是微机或上位机。它所能容纳的程序能力也是有限的。当然，我们可以采用各种技术进行优化，这样就可以最大限度的直至软件程序的出错运行。各种子程序模块都挂接在该主程序上。编制它时，我们尽可能充分利用8051单片机的软件资源及内部存放器资源，这样可以提高其运行速度。硬件和软件式空调温度控制的核心设计方面，本课题把研究重点特别投向软件设计，毕竟自动控制功能大局部都要靠软件程序来完成。在本课题设计过程中，软件调试要花大量时间来调试运行，而硬件电路我们只需简单调试。因此可见硬件设计和软件设计有很大区别，而且在总体调试中还要对其进行调整。这都是本课题

20、所研究的内容。我们从总体上把握了空调自动控制系统的设计思路，初步了解到该研究工程主要的研究工作内容和其采用的优点。倘假设要具体进行各个细节方面的工作，我们能够发现这种总体设计思路对具体电路的设计合理程序模块设计的重要指导意义，不管设计研究任何仪器仪表，这种总体设计思路总是必需的，而且是有利于我们从整体上把握该空调控制系统的性能和特点。4.2 流程图4.2.1 主程序的设计及流程图本课题的主要思想就是检测温度，控制制冷压缩机对室温进行恒定控制。并且将温度显示在LCD1602显示器上，还可通过键盘控制设定温度的增加和减少。主程序通常包括可编程硬件、输入、输出端口和参数的初始化，自诊断管理模块以及实

21、时中断管理和处理模块等。我们采用“自顶向下结构化设计，它属于该设计中的第一层次，除了初始化和自诊断外，主程序一般总是把其余局部联接起来，构成一个无限循环图，空调温度的自动控制的所有功能都在这一循环圈中周而复始地、或有选择地执行，除非掉电或按复位键，它不会跳出这一循环圈。对于主程序，由于本设计设有键盘和显示子程序，实验结果一目了然。 本主程序从整个系统的上电复位开始运行，然后对各种可编程器件及单片机堆栈和参数进行初始化。接着对各软、硬件模块进行自诊断，并同时判断有无中断，等待是哪儿硬件或软件出错。一旦发生这种出错情况，那么判明后进行相应的效劳模块，然后进一步自诊断，以到达运行正常，否那么就跳出，

22、进行出错处理；假设无中断请求，我们开始进行实时处理状态，调用A/D转换子程序，同时我们采用BCD码运算，这样进行十六位二进制数转换为BCD的子程序。这样，进行各种功能处理模块，数据融合技术子程序或多线段逼近温补子程序，处理完毕，我们判断是子程序，恢复二进制数码，同时，判断误差程度，假设满足，输出启动D/A子程序。整个测量过程是否结束，假设结束，那么返回，假设误差过大，那么重新调用数据融合技术进行计算处理。假设没有完成，那么回到初始化阶段循环再做。这就是整个空调温度控制的主程序的设计思想。图主程序的设计及流程图。开始系统初始化温度设定两种温度比拟设定温度高？显示温度启动压缩机D/A转换启动信号温

23、度检测PID运算结束YN图 4.1 软件设计流程图4.2.2 PID运算子程序参加PID运算可以提高温度测量的准确度和调节的质量，本课题采用PID运算正是为了提高运算结果，使之更精确，减少外界的干扰。根据被控对象及根本设计要求，自动控制系统设计需进行大量的计算分析，要保证系统良好的性能又要满足给定的技术要求，在此过程中，可采用理论指导，结合实测数据，确定控制算法。对于水温系统的建模，可近似地认为“纯滞后+一阶惯性环节，进行实验时先测出开环曲线，对于一阶惯性环节对象，往往采用PID控制算法，控制效果较好。PID控制表示比例(proportional)积分(integral)微分(differen

24、tial)控制。PID调节器如图 4.2所示。KpKi/SKd*S E(S) U(S)图 4.2 PID调节器调节器输入输出之间的比例-微分-积分关系如下:u(t)=Kpe(t)+1/Tie(t)dt+Td*de(t)/dt 式(1)其中Kp为比例系数,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数。在计算机控制系统中使用的是数字PID调节，就是对式1进行离散化,离散化时,令u(t)u(kT) e(t)e(kT) e(t)Te(jT) de(t)/dte(kT)e(kTT)/T式中T是采样周期,显然,上述周期T必须足够短,才能保证有足够的精度。因此数字PID调节器，表达式如下：u(kT)=Kpe(kT

25、)+T/Tie(jT)+Td/Te(Kd)e(KtT) 式(2)由控制理论可知：离散化采样频率越高，采样后失去的信息越少，相应的控制性能也越好。但由于水温是一个慢变信号，进行PID算法控制时，假设采样频率过高，相邻两次采样信号差距很小，将会失去PID控制的优势，因此确定采样频率为1/15HZ，即15S进行一次PID算法。在反应控制局部的软件程序设计上主要采用PID控制算法，但由于过早地引入积分作用容易产生饱和，产生过大的超调量，预期的调节规律将遭到破坏。为了克服这一缺点，可以采用积分别离的PID控制算法，这样既保持了积分的作用，又减少了超调量，使控制性能有较大的改善。在本系统的实际控制中，微分

26、作用的改善不是很明显，因此，在软件编制时可不加微分调节。一般来说,从A/D转化器中读出数据,可以有四种工作方式:中断方式、查询方式、定时方式和延时方式。考虑到水温是一个慢变的信号，可以每秒进行一次数据采样，而MC14433的转换速率为410HZ，且无控制启停的信号，一旦上电就不断地进行模数转换。因此，本系统决定采用定时方式读取数据，利用可编程定时/计数器8253来进行定时1秒，8253工作于方式0记数结束中断方式，当写入控制字，OUT输出端立即变成低电平，当计数值到达0时，才变成高电平，因此计数结束时OUT信号的上跳变可作为中断请求信号，通过8259向CPU申请中断，在中断子程序中用查询方式去

27、采集数据，于是实现一秒采集一次数据的功能。计数时钟频率3MHZ/64，计数值为0B71BH，计数值与频率的乘积为一秒。因此本实验的软件设计包括主程序与中断子程序的编制。其中主程序主要完成显示温度值、打印控制曲线的功能，子程序完成读取A/D转换值、数字滤波、PID控制算法等功能。在程序编制时应提供一个简单的人机界面。PID计算公式： = 图 4.3为PID算法的流程图。根据 计算 计算 计算 计算 计算 + 计算 返回图4.3 PID 算法流程图4.2.3 温度测量子程序图4.4为温度测量子程序的流程图。初始化初始化初始化跳过ROM匹配ROM变换温度等待1S设置温度传感器读存储器B-1=0？YN

28、图4.4 温度测量流程图 数字滤波设计数字滤波是一种克服随机误差的软件算法。因为随机误差是又窜入仪表的随机干扰所引起的，这种误差是指在相同条件下测量同一量时，其大小和符号作无规那么的变化而无法预测，但在屡次测量中它是符合统计规律的。这样，我们根据统计规律可消除误差，同时数字滤波还可以对信号进行必要的平滑处理，以保证仪表及系统的正常运行。数字滤波有以下特点：1数字滤波无需硬件，只是一个计算过程，因此可靠性高，不存在阻抗匹配问题；2数字滤波实用软件算法实现的，因此可以使多个输入通过共用一个软件“滤波器，从而降低仪表硬件本钱；3只要适当改变软件滤波器的滤波程序或运算参数，就能方便地改变滤波特性。前面讨论到数字滤波的方法有很多，我们在设计智能型压力变送器是采用了较为常用的算术平均滤波法。它就是连续取n个采样值进行算术平均，其数学表达式为：= 显然，算术平均滤波对信号的平滑程