空调温度控制课程设计

电子工程学院专业综合课程设计PAGEPAGE17目录1绪论 32温度控制系统简介 42.1系统组成 42.2系统方块图 42.3温度控制系统原理图 43硬件电路的设计 53.180C51单片机及其最小系统 53.2温度检测与信号放大电路 63.3A/D转换模块 83.4键盘电路 103.5数码管显示电路 113.6压缩机控制驱动电路 113.7系统总电路原理图 124软件设计 134.1系统流程图设计 134.2A/D转换子程序流程图 144.3LED显示流程图 154.5数字控制算法流程图 15总结与体会 17参考文献 181绪论空调即空气调节（airconditioning），是指用人工手段，对建筑/构筑物内环境空气的温度、湿度、洁净度、速度等参数进行调节和控制的过程。一般包括冷源/热源设备，冷热介质输配系统，末端装置等几大部分和其他辅助设备。主要包括水泵、风机和管路系统。末端装置则负责利用输配来的冷热量，具体处理空气，使目标环境的空气参数达到要求。

液体汽化制冷是利用液体汽化时的吸热、冷凝时的放热效应来实现制冷的。液体汽化形成蒸汽。当液体（制冷工质）处在密闭的容器中时，此容器中除了液体及液体本身所产生的蒸汽外，不存在其他任何气体，液体和蒸汽将在某一压力下达到平衡，此时的汽体称为饱和蒸汽，压力称为饱和压力，温度称为饱和温度。平衡时液体不再汽化，这时如果将一部分蒸汽从容器中抽走，液体必然要继续汽化产生一部分蒸汽来维持这一平衡。液体汽化时要吸收热量，此热量称为汽化潜热。汽化潜热来自被冷却对象，使被冷却对象变冷。为了使这一过程连续进行，就必须从容器中不断地抽走蒸汽，并使其凝结成液体后再回到容器中去。从容器中抽出的蒸汽如直接冷凝成蒸汽，则所需冷却介质的温度比液体的蒸发温度还要低，我们希望蒸汽的冷凝是在常温下进行，因此需要将蒸汽的压力提高到常温下的饱和压力。制冷工质将在低温、低压下蒸发，产生冷效应；并在常温、高压下冷凝，向周围环境或冷却介质放出热量。蒸汽在常温、高压下冷凝后变为高压液体，还需要将其压力降低到蒸发压力后才能进入容器。压缩机吸入低压气体经过压缩机压缩变成高温高压气体，高温气体通过换热器把水温提高，同时高温气体会冷凝变成液体。液体在进入蒸发器进行蒸发，（蒸发器蒸发的同时也要有换热媒体，根据换热的媒体不同机器的型号结构也不同，常用的有风冷和地源。）液体经过蒸发器后变成低压低温气体，低温气体再次被压缩机吸入进行压缩。2温度控制系统简介2.1系统组成本系统由单片机80C51、温度检测电路、键盘电路、显示电路、A/D转换电路、执行电路等部分组成。系统通过这几个部分的协调工作实现房间温度的自动控制。大致过程如下：热电偶测温并转换成电压信号，电压信号由放大电路放大成0-5v信号，再由ADC0808转换成数字信号并将数字信号输入单片机，单片机进行数据处理后通过数码管显示，同时将测定温度与设定温度进行比较，并计算出控制量控制继电器工作，实现压缩机的制冷与加热功能，实现对温度控制。本系统对于独立式键盘设定的温度也进行了显示。2.2系统方块图系统总方块图比较简单，就是一个单闭环回路。通过单回路对温度进行调节控制。如图2-1所示温度温度给定值80C51构成的控制器温度测量执行器被控对象A/D转换图2-1系统方块图2.3温度控制系统原理图首先我们可以从大体上分析一下系统的控制原理，根据系统的方块图，联系计算机控制的知识，就可以分析出完成这个控制系统需要的模块。然后将这些模块通过一定的逻辑联系组合起来。具体图如图2-280C5180C51单片机温度检测电路A/D转换电路制冷驱动设定与测量显示电路键盘电路房间制热驱动压缩机图2-2温度控制系统原理图3硬件电路的设计硬件电路由80C51单片机最小系统、温度检测电路、A/D转换电路、键盘电路、数码管显示电路、继电器及压缩机执行电路等组成。正是由于这些电路模块的协调工作，系统才能完成它的温度自动控制。3.180C51单片机及其最小系统80C51单片机属于MCS-51系列单片机，由Intel公司开发，其结构是8048的延伸，改进了8048的缺点，增加了如乘﹑除﹑减﹑比较﹑16位数据指针﹑布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和五个中断源。80C51采用40引脚双列直插式DIP，内有128个RAM单元以及4K的ROM，80C51有两个十六位定时计数器，两个外中断，两个定时计数中断，及一个串行中断，并有4个8位并行输入口。（1）80C51管脚介绍如下：1）XTAL1、XTAL2–晶体振荡电路反相输入端和输出端。2）ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。3）ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址4）PSEN:外ROM读选通信号。5）RST/VPD:复位/备用电源。6）RST（Reset）功能：复位信号输入端。7）EA功能：内外ROM选择端。8）80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚，都可以做普通I/O口，P0还可以做数据口和地址第八位输出口，P2还可以做地址高八位口，P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。（2）单片机最小系统如图3-1所示1）晶振电路。单片机内部有振荡电路，但要形成时钟，外部还须加电路。晶振的频率不同，单片机的工作速度也就不同。本次选用6MHz的晶振。所以一个机器周期为2微秒。构成晶振电路还需要电容，对电容值无严格要求，可取20~100PF，这里使用30PF的电容。2）复位电路。复位电路对单片机来说是必不可少的。当进行复位操作时，单片机内部各寄存器以及各功能部件便恢复到初始状态。单片机工作后，只要在它的复位端加上一定时间的高电平，单片机就可以有效的复位。51单片机通常采用上电复位和按钮复位两种方式。这里采用按钮复位方式进行复位。3）外接上拉电阻。为了使单片机输出的高电平信号不至于过低，所以接上拉电阻使其为+5V。图3-1单片机最小系统3.2温度检测与信号放大电路3.2.1K型热电偶温度传感器K型热电偶作为一种温度传感器，K型热电偶通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。K型热电偶可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。因此选用K型热电偶作为本温度控制系统的温度传感器。K型热电偶的材料主要采用的是镍铬-镍硅合金构成，正极(KP)的名义化学成分为：Ni：Cr=90：10，负极(KN)的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，它是一种能测量较高温度的性价比很高的热电偶。由于镍铬-镍硅合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。因此这种K型热电偶可长期测量1000度的高温，短期可测到1200度。K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛。热电偶传感器是利用塞贝克（Seeback）效应（第一热电效应）来检测温度的。塞贝克效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。热电偶产生的热电势（温差电势）是由两种导体的接触电势（珀尔帖电势）和单一导体的温差电势（汤姆逊电势）组成的。热电偶回路总接触电势为： (2-1)热电偶回路温差电势为：(2-2)对于匀质导体A、B组成的热电偶，其总电势为接触电势与温差电势之和，为： (2-3)式中E—电动势；T—接触处绝对温度；k—波尔兹曼常数，为；e—电子电荷数；NA、NB—金属A、B的自由电子密度；、—A、B导体的汤姆逊系数。3.2.2K型热电偶分度表如表3-1所示。表3-1K型热电偶分度表温度℃0102030405060708090热电动势mV00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.737由于空调是用来调节房间温度的，所以温度肯定小于90℃，所以热电偶的输出电压在0-4uV以内。温度测量电路如图3-2。图3-2温度测量电路3.2.3信号放大电路前置放大电路的任务是将小信号放大到A/D转换器的量程范围内（如0-5V）。本设计采用的是固定增益放大电路。将0-4uV的电压放大到0-5V。具体电路图如图3-3。图3-3信号放大电路3.3A/D转换模块（1）ADC0808系列包括ADC0808和ADC0809两种型号的芯片。ADC0808和ADC0809两种芯片的内部结构和管脚分布都是一样的，在Protues软件中有ADC0808芯片，所以在电路图中应用的是ADC0808进行的设计，在实际应用中应将其换成ADC0809。（2）ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、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。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，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。（3）管脚的功能1）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IN0－IN7上的一路模拟量输入。2）START为转换启动信号。当START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，START应保持低电平。3）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A/D转换。4）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。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。5）D7－D0为数字量输出线。6）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。此处是将单片机的ALE信号进行二分频后的信号作为CLK信号。7）VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。（4）本设计中只需要一个模拟输入口所以只要将A、B、C三个地址端口都接低电平就能表示从IN0口输入模拟量。CLOCK端口需要输入0.5MHz的时钟信号，所以可以将单片机的时钟信号经过定时器计算后输出。START和ALE端都由P3.6端口输出信号来驱动，当转换完之后EOC端口输出信号从P3.2口输入让单片机进入一个中断程序然后由P3.7口输出信号给OE端使ADC0808输出数字信号。A/D转换模块电路图如图图3-4所示图3-4A/D转换电路图3.4键盘电路温度控制电路的温度设定值是通过键盘电路输入的，设定温度将在设定显示电路中显示。按下“设置”进行温度的设置，从个位开始设置温度，设定时该位数字闪烁点亮，表示该位处于设置状态。该位设置好之后通过“移位”按钮设置下一位。都设置完后按下“确定”按钮，将测温度数据保存在单片机中作为设定温度与测量温度进行比较，计算出调节信号。本电路用的是3＊2键盘，通过单片机的I/O端口的输入输出来进行判断是哪个键按下。比如当P2.0-P2.2端口都给出低电平，若两列中的有一列输出为低电平则表示该列有按键按下。再通过依次变换行中的任意一行使其为高电平，若列中的信号转变则表示该行有按键按下。就这样就可以确定是哪个键按下。电路图如图3-5所示图3-5键盘电路3.5数码管显示电路一共用4个共阳极数码管分别来显示设定温度和测量温度。将二进制数转换成七段显示码通过编程来实现。具体电路图如图3-6所示图3-6显示电路此电路用动态扫描方式进行工作，数据端由数据口循环输出。控制端由单片机的三个I/O口进行控制。3.6压缩机控制驱动电路经过单片机这个控制器处理之后，使控制驱动电路的控制信号的有效，进而控制继电器的开断来控制压缩机的两种工作状态，来控制温度。电路图中用两个模块来代替压缩机的制冷和制热部分。电路图如图3-7所示图3-7压缩机控制驱动电路3.7系统总电路原理图图3-8系统总电路原理图4软件设计软件设计包括主程序、A/D转换模块子程序、LED显示子程序以及控制器算法程序。以下分别列出了这些程序的流程图。4.1系统流程图设计系统初始化设置系统初始化设置键盘设定温度设定温度显示温度测量与显示温度小于设定度？温度大于设定温度？使制冷装置工作使制热装置工作YNY开始结束图4-1系统流程图这里用设定温度计算出的上下限是离设定温度比较近的两个值，如说上下相差2度。对于三种加热模式是指双向可控硅在一个周期内导通的时间的长短，比如说当温度相差20到10度时进行全速加热，当温度相差10到5度时进行半速加热，当温度相差5到0度之间时进行微加热。4.2A/D转换子程序流程图设置数据段设置数据段可转换信号送START端口和地址锁存端口开始启动A/D转换读取EOC端口状态信息转换是否结束？读取转换后的数据并返回NY图4-2A/D转换子程序流程图4.3LED显示流程图设计中虽然有两个显示电路但是功能都是一样的，只是输入的数据不同而已。所以在进行流程图的绘制时只需要绘制一个就可以了。由于显示电路用的是动态显示电路，在硬件上简化了，但是在软件上就得做的复杂一些。地址指针设置地址指针设置将第一个数码管要显示的数据用软件法转化为段显码码段显码送到单片机的数据口P0相应的位显示信号给到第一个数码管公共端控制相应数码管亮起通过延时程序延时移位下一个地址控制下一数码管显示数据三个数码管都显示一次数据完成按第一个数码管的显示方式使第二和第三个依次显示更新要显示的数据图4-3LED显示流程图4.5数字控制算法流程图本控制器采用PID控制器进行控制，并且数字PID控制算是采用位置算式进行计算。初始化控制步数、采样点数Point初始化控制步数、采样点数Point初试化ek,ek1,ek2,uk,求q0,q1,q2初试化系统，输出希望值start画希望值曲线采集硬件被控对象的输出inputfInputf浮点化求ek=start-inputfuk=KP*ek+KI*ek2+KD*(ek-ek1)输出ek1=ekek2=ek2+ek画被控对象第J点输出inputfJ=J+1J<point结束图4-4数字控制算法流程图总结与体会说长不长，说短也不短，为期三个礼拜的课程设计结束了。给我的感觉是学习了一段时间之后的知识，当你再来用它时，会感觉很不顺畅。问什么，什么不知道。用什么，什么不记得。这次课程设计就是要用上学期学过的单片机知识以及大二时学的数电，模电及自动原理知识来完成。本次课程设计，可以说我还是很认真的对待的。首先查阅资料这一块就花了很大的功夫，从资料中了解温度控制系统的大概组成以及每一个模块的作用，还有分析不同作者对此系统的不同的实现方式。再结合自己学的知识，完成了这次课程设计，总的看来收获还是不小的。其次就是系统性的分析系统功能及构成，这是一个很考验人综合能力的一块，它要求你合理分配每一个部分，还要让这些部分协调工作。最后就是撰写报告这一块了，对于WORD排版