空调控制系统设计

1设计任务描述1.1设计主要内容及要求：设计一个空调限制器。能利用单片机等原理部件模拟温度的调控和显示等功能，空调器是能限制风机和压缩机同时工作产生调整温度的原理。硬件要求能有电路原理图及各部件完整的实物分析等，要对空调机有完整的了解。才能达到此次设计任务的效果。要求：1）硬件电路设计，包括原理图和PCB板图。2）限制器软件设计。3）要求能够设定温度、测量温度、显示温度、制冷限制以及风机限制。2设计思路2.1系统总体结构的设计可以说空调限制器是围围着一个核心部件来架设外围部件的设备，在这里核心部件是大多数厂家都会选用的单片机，因为现在的单片机拥有很高的集成设备，包含了大量的存储器和虚拟存储等，而且键盘输入及显示都是在内部集成的省却了扩展外围设备的麻烦，这样更能有利于我们着手于功能设置。系统的设计出空调器的原理和留意事项，能便利的运用空调器来完成我们所想达到的目的，对于一般的空调器来说能自动的调整温度的变更范围，可以说这是一种恒温的效果，但是终归我们模拟的设备部能像真实的一样细致。所以我采纳灯和电机等代替采集和设定的比较结果，能很好的显示和明显的完成任务。2.2环节设计、部件选择及参数计算无疑对于空调器的设计来说，要能人工智能的操作其能限制温度的调整和设定温度的比较是一个较大的难题，因为往往我们所用的都是十进制数即所说的阿拉伯数字，但是像单片机这种高级的工具设备是不能识别的，它只能识别机器码也就是术语说的机器语言，这就为我们采集温度带来了一个很大的难题。对于我所采集的温度值来讲，把每个温度值分为16等份，在每一等份之间我人为的规定每跳变一个数字度即比较一次，当然采集的都是模拟信号这样的话单片机是不能用于比较的，所以接入单片机之前用A/D转换器把数据转换成数字量，这样通过单片机本身的比较器就能计算出设定值和采集值的判定工作模式和是否应当工作电机和风机及压缩机等外部设备。主要的步骤包括转换十进制数和十六进制数，这其中有一种方法叫按位加权累加和法，即当你把十进制数分别存储在两个存储单元中，即按十位和个位的排法，把个位的数值乘以16的零次方，并且存储在原位，这时可以用另一个单元的数乘以16的一次方这样循环运用把两者的数值相加，即能完成一个数的十进制和十六进制的转化。这样当你的键盘有输入值的时候，每一个键值会自动转化为每个存储单元供显示作用。2.3各部分部件选择温度采集电路中所选用的传感器是热电偶，因为它测量精度高，而且输出的是电压信号，与摄氏温度成正比，同时又能够干脆与单片机的A/D干脆相连，运用便利，便于处理。温度的采集是通过热电偶的温度采集电路，将温度转化成模拟电压进行输出，作为输入信号送给单片机，单片机的A/D最高输入电压为，对应于十二位A/D转换器的最大值FFFH,依据其对应关系得到A/D转换后的值，存入固定的存储单元中打算与温度设定值进行比较。在比较之前须要依据确定的比例值进行转换，这个比例值近似的取为16倍，得到一个新的十六进制数，由于选用的传感器每摄氏度对应0.01V，经过模数转换后得到每摄氏度对应08H,再通过推断查表即可得到温度的十六进制数，再存到相应的单元中与设定值进行比较。当温度高于设定值时进行制冷，温度低于设定值时加热，只有温度处于人体相宜温度提示灯才不会亮。温度设定是通过键盘输入来完成的，再通过查表得到可以进行比较的数，存入相应的存储单元，进行显示。2.4总体功能解析它主要完成的功能就是可以设定温度，实时采集温度并在LED上显示设定温度和当前温度。我设计的空调限制器硬件部分主要有温度采集传感器应用电路、制冷电路、加热电路、指示灯电路、C8051F020单片机，以及单片机的复位和晶振电路。2.5设计方框图图2.1空调限制器框图图2.2空调限制器程序流程图3各部分硬件电路设计及参数计算3.1电源电路设计图3.1电源电路单片机所采纳的电源是3.3V，还有复位电路和其他电路也须要直流电源，而家用电是沟通220V，所以须要进行整流、滤波。须要将输入为5V～9V的电压值稳压到3.3V须要运用两块LM7805和1117稳压芯片。其中LM7805的作用是将输入为5V～9V的电压稳压为5V，满足1117稳压芯片的工作电压(5V),经过1117稳压芯片后其输出的电压为所需的3.3V电压。LM7805系列为3端正稳压电路,TO-220封装，能供应多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达1A。虽然是固定稳压电路，但运用外接元件，可获得不同的电压和电流。主要特点：（1）输出电流可达1A（2）输出电压有：5V（3）过热爱护（4）短路爱护（5）输出晶体管SOA爱护3.2单片机电路单片机正常工作时，除了要加恒压电源外，还须要设计复位电路和晶振电路，我所设计的复位电路既可以上电复位，又可以在单片机非正常工作时进行手动复位，晶振采纳的是12MHZ外部晶振。通电时，电容进行充电，电路导通，充电结束后，复位结束，充电时间确定复位时间。工作过程中，当按下复位键后，电路导通，按键时间确定了复位时间。电路中电容的作用是抑制干扰从复位端进入。器件内还集成了外部振荡器驱动电路，允许运用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟。复位电路和晶振电路图如下所示：

图3.2单片机复位及晶振电路3.3键盘和显示电路PB和PC口是8255两个八位带锁存的输入口，可实现输出数据锁存。PB口的端口地址为8001H，PC口的端口地址为8002H。PA口未用。用PB口作六个数码管的位选。用8708作显示器的位选驱动。PC口作字型码锁存。8255限制字的端口地址是8003H。8078作数码管字型显示驱动。六位数码管采纳共阴极方式。键盘及显示电路如下图所示：图3.3键盘输入电路图3.4输出显示电路8255扩展接口是由高八位地址(A8～A15)通过74LS138译码产生的。PA,PB,PC口和8255限制口的地址分别是8000H,8001H,8002H和8003H,它们由低位地址A0和A1区分。低位地址A0和A1从低位地址锁存器74LS138的输出端引出。3.4温度传感器的选择本系统采纳镍铬-镍硅热电偶作为温度传感器，由热电偶的特性可知，进入放大器的电压信号实为热电偶冷热端温差引起的热电势信号，冷端处于设定温度，热端处于外界室温，单片机的A/D通道可以干脆采集热电偶信号，经冷端温度补偿后，在查K分度表则可以得到热端温度值，室温的测量可以经过热电阻式传感器变更为电压信号，经放大后干脆送给单片机的A/D通道，单片机程序自动完成热电偶信号的采集和冷端信号采集，计算出实际的温度，从而限制限制空调的外部设备工作。图3.5传感器采集电路3.5外围部件的选择在单片机的程序中须要设定相宜温度的范围，当从传感器接受的温度电压信号经过模数转换后，室内温度高于或者低于设定的范围，那么指示灯亮，通过编写单片机的I/O输出来限制指示信号的发出。当采集温度高于设定温度时，需进行制冷，通过程序的设计启动风机；当采集温度低于设定温度需利用电机进行加热。图3.6外部工作灯电路由于二极管所能承受的最大电流为,而电源电压为5V，所以应串接一个电阻，其阻值最小为：4主要元器件介绍4.1热电偶传感器镍铬温度传感器是一种电压输出型精密温度传感器。它工作类似于齐纳二极管，其反向击穿电压随绝缘温度以的比例变更。该器件在工作电流为范围内的动态电阻小于，当对它在校准后，它在范围内具有小于的典型误差。热电偶可应用于范围在内的任何形式的温度检测，它的低阻抗和线性输出访得其读出和限制接口电路特别简洁。热电偶测温范围分别为。其短时间运用测温上限可扩宽至。主要特点：(1)

在确定温度下干脆校准。(2)

1℃的初始精度(3)工作于400uA~5mA电流范围。(4)低于1Ω的动态阻抗。(5)

简洁校准。(6)-40℃~+1004.28255扩展芯片8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。其各口功能可由软件选择，运用敏捷，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。8255作为主机与外设的连接芯片，必需供应与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、限制线接口。同时必需具有与外设连接的接口A、B、C口。由于8255可编程,所以必需具有逻辑限制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、限制部分。主要特点：8255管脚特性如下：(1)一个并行输入/输出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作为CPU总线与外围的接口。(2)具有24个可编程设置的I/O口,即3组8位的I/O口为PA口,PB口和PC口.它们又可分为两组12位的I/O口,A组包括A口及C口(高4位,PC4~PC7),B组包括B口及C口(低4位,PC0~PC3).A组可设置为基本的I/O口,闪控(STROBE)的I/O闪控式,双向I/O3种模式;B组只能设置为基本I/O或闪控式I/O两种模式,而这些操作模式完全由限制寄存器的限制字确定。引脚功能：(1)RESET:复位输入线，当该输入端处于高电平常，全部内部寄存器（包括限制寄存器）均被清除，全部I/O口均被置成输入方式。(2)CS:芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平常,即/CS=0时,表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯;/CS=1时,8255无法与CPU做数据传输.(3)RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平常,即/RD=0且/CS=0时,允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。(4)WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平常,即/WR=0且/CS=0时,允许CPU将数据或限制字写入8255。(5)D0～D7:三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，限制字和状态信息也通过数据总线传送。(6)PA0～PA7:端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。(7)PB0～PB7:端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器，一个8位的输入输出缓冲器。(8)PC0～PC7:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B协作运用，可作为限制信号输出或状态信号输入端口。(9)A0,A1:地址选择线,用来选择8255的PA口,PB口,PC口和限制寄存器。当A0=0,A1=0时,PA口被选择;当A0=0,A1=1时,PB口被选择;当A0=1,A1=0时,PC口被选择;当A0=1.A1=1时,限制寄存器被选择。4.3C8051F020系列单片机本系统的核心限制部件采纳SiliconLaboratories公司生产的C8051F020单片机作为限制器。C8051F系列单片机是集成的混合信号片上系统(SOC)，具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微限制器，除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成的数据采集和限制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。C8051F系列单片机的功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/I2CC8051F020单片机是C8051F系列中一个比较有代表性的型号，该器件是完全集成的混合信号系统级SCM芯片，具有64个数字I/O引脚。主要性能：(1)高速、流水线结构的8051兼容的MCS-51内核(可达25MIPS)。(2)全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)。(3)真正12位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关。(4)真正8位、500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关。(5)两个12位DAC，具有可编程数据更新方式。(6)64KB可在系统编程的Flash存储器。(7)4352(4096+256)B的片内RAM。(8)可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口。(9)硬件实现的SPI、SMBus/I2C(10)5个通用的16位定时器。(11)具有5个捕获/比较模块的可编程计数/定时器阵列。C8051F系列单片机都可工作在工业温度范围(-45~+85℃)内用2.7~3.6V的电压工作。端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。C8051F020为100引脚TQFP封装。5限制算法的探讨5.1PID算法的探讨PID是一种负反馈限制，用设定的限制目标值与受控对象的输出反馈值相比较，对其差作比例、微分、积分后用来限制受控对象。PID限制规则:u=(3-1) 式中占为比例带，介为积分时间，与为微分时间。传递函数为:G=(3-2)δ、TI、TD的变更对限制作用影响很大:δ越大，比例调整的残差越大，从这一点说，δ越小能使残差越小。但δ小则使调整系统的开环增益加大，从而可能导致系统激烈振荡甚至不稳定，系统首先要稳定，所以比例带的设定必需保证确定的稳定裕度TI越大即积分速度越小，积分作用越弱，使过度时间变长，达到稳定的速度越慢。TI越小积分速度越快，而增大积分速度会降低限制系统的稳定程度，直至出现发散的振荡过程；TD则主要改善系统的动态性能，TD增大会加快系统的响应，降低超调，增大系统稳定性，但TD过大，会使系统的抗干扰实力减弱，而且微分环节对纯滞后过程无效。PID限制器中，δ、TI、TD的选择假如合适，则能发挥它们的特长，从而较好地限制系统，否则，不仅不能发挥各种调整作用，反而适得其反。5.2模糊限制系统设计模糊限制是一种以模糊集合论、模糊语言变量及模糊推理为基础的一种计算机数字限制。模糊限制仿照人的思维通过把精确量模糊化，通过模糊推理，然后经过清楚化处理得到限制量。5.2.1模糊限制算法模糊自动限制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字限制。尤其是模糊限制和遗传算法、神经网络及混沌理论等新学科相结合，正在显示出其巨大的应用潜力。模糊限制原理①模糊限制的引入随着计算机的发展和应用，自动限制理论和技术获得了飞跃的发展，在解决线性或非线性，定常或时变的多输入多输出系统问题上，获得了广泛的应用。但是，采纳传统限制理论来设计一个限制系统，须要事先知道被控对象精确的数学模型，然后再依据给定的性能指标选择适当的限制规律，进行限制系统设计。然而，在很多状况下，被控对象的精确数学模型很难建立，有时甚至是不行能的。这样一来，对于这类对象或过程就难以进行自动限制。与此相反，对于一些难以自动限制的生产过程，有阅历的操作人员进行手动限制，却可以达到满足的效果。这是由于作为操作者的人在长期的操作实践中获得了对系统的相识，在头脑中形成了他自己对该系统的相识模型，并积累了操作阅历。总结人的限制行为，用语言描述人的手动限制决策，形成一系列的条件语句和决策规则，进而设计一个限制器，利用计算机实现这些限制规则，再驱动设备对工业过程进行限制，这就是模糊限制。实践表明，模糊限制器具有以下几个特点:1.它不须要知道被控对象或过程的精确数学模型。2.易于实现对不确定性系统和强非线性系统的限制。3.对被控对象或过程参数的变更有较强的鲁棒性。4.对干扰有较强的抑制实力。②模糊限制系统的组成模糊限制系统是一种自动限制系统，它是以模糊数学、模糊语言形式的学问表示和模糊逻辑为理论基础，采纳计算机限制技术构成的一种具有闭环结构的数字限制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊限制器，其基本结构如图3.1所示。图3.1模糊限制系统框图模糊限制系统一般由四个部分组成:l.模糊限制器:它是以模糊逻辑推理为主要组成部分，同时又具有模糊化和去模糊功能的限制器。2.输入/输出接口装置:模糊限制器通过输入/输出接口从被控对象获得数字信号量，并将模糊限制器决策的输出数字信号经过数模变换，将其转变为模拟信号，送给执行机构去限制被控对象。3.广义对象:包括被控对象和执行机构。被控对象可以是线性或非线性的、定常或时变的、也可以是单变量或多变量的、有时滞或无时滞的以及有强干扰的多种状况。4.传感器:传感器是将被控对象或各种过程的被限制量转换为电信号的一类装置。传感器在模糊限制系统中占有特别重要的地位，它的精度往往干脆影响整个限制系统的精度。5.2.2模糊限制的基本概念(1)模糊集合模糊集合用于在无法明确地定义元素是否属于集合的状况下，利用一种度量来表示某一元素属于这一集合的程度，这就是隶属度，也就是级别。当一个元素确定属于这一集合时，级别为1，确定不属于这一集合时，级别为0，其余的级别为0到1的中间值。以论域为离散有限集{xl,x2......,xn}为例，设A(xi)=ui(i=1,2......n)，模糊集合用扎德法表示如下:A=（3-3）(2)量化因子连续论域进行离散化的过程称为量化。设有连续论域[a,b]，量化后的离散论域为{-n，-n+1,…，0,…，n-1,n}，将连续论域分为2n段，则有系数K=2n/(b-a)，K称为量化因子。(3)比例因子偏差的基本论域与偏差的实际变更范围的比值称为比例因子。当偏差的实际变更范围超出基本论域的范围时，采纳最大输出或零输出。对于偏差的任何采样值，乘以比例因子后取整，可以得到相应的值。5.2.3模糊限制过程模糊限制过程可以分为以下三个步骤:模糊化过程、模糊推理过程和反模糊化过程。(1)模糊化过程模糊化(Fuzzification)就是将基础变量论域上的确定量变换成基础变量论域上的模糊集的过程。其主要功能就是依据输入变量的隶属度函数求出精确输入量相对于输入变量各语言值的隶属度。常规限制都是用系统的实际输出值与设定值相比较，得到一个偏差值E，限制器依据这个偏差值及偏差值的变更率来确定如何对系统进行限制。无论是偏差还是偏差的变更率都是精确的输入值，要采纳模糊限制技术就必需首先把它们转换成模糊集合的隶属函数。因此，要实现模糊限制就要先通过传感器和变送器把被控量变换成电量，再通过模/数转换器得到精确的数字量。精确输入量输入至模糊限制器后，首先要把精确量转换成模糊集合的隶属函数，这就是精确量的模糊化或者模糊量化。(2)模糊推理过程模糊推理过程就是对于给定的模糊输入量，模糊限制器依据判定的模糊规则和事先确定好的推理方法进行模糊推理，求出模糊输出量的过程。模糊推理是模糊限制器的核心，它具有模拟人类基于模糊概念的推理实力，是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。模糊限制是仿照人的思维方式和人的限制阅历来实现的一种限制。依据有阅历的操作者或者专家的阅历制订出相应的限制规则即是模糊限制规则，它是模糊限制器的核心。为了能存入计算机，就必需对限制规则进行形式化处理，再仿照人的模糊逻辑推理过程确定推理方法，限制器依据制订的模糊限制规则和事先确定好的推理方法进行模糊推理，得到模糊输出量，即模糊输出隶属函数，这就是模糊限制规则的形成和推理。其目的是用模糊输入值去适配限制规则，为每个限制规则确定其适配的程度，并通过加权计算合并那些规则的输出。(3)模糊量的去模糊模糊量的去模糊(Defuzzification)就是将基础变量论域上的模糊集变换成基础变量论域上的确定值的过程。依据模糊逻辑推理得到的输出模糊隶属函数，用不同的方法找一个具有代表性的精确值作为限制量，就是模糊量的去模糊；它要求在推理得到的模糊集合中取一个最能代表这个模糊推理结果可能性的精确量，去限制或驱动执行机构。(4)模糊限制器及系统设计模糊限制器(FuzzyController)在模糊自动限制系统中占有举足轻重的地位，因此在模糊限制系统中，设计和调整模糊限制器的工作是很重要的。模糊限制器的设计包括以下几项内容:1)确定模糊限制器的输入变量和输出变量。2)设计模糊限制器的限制规则。3)建立模糊化和反模糊化的方法。4)选择模糊限制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊限制器的参数(如量化因子、比例因子)。5)编制模糊限制算法的应用程序。6)合理选择模糊限制算法的采样时间。(5)模糊限制器的结构设计模糊限制器有两种组成方式，一种是由模糊逻辑芯片组成的硬件专用模糊限制器，它是用硬件芯片来干脆实现模糊限制算法；另一种是用微处理器组成硬件系统，用软件来实现模糊限制算法，这种模糊限制器的特点是资源开销小、敏捷性高、通用性强、应用范围广。在一般限制系统中，目前多采纳其次种方式。模糊限制器的结构设计是指确定模糊限制器的输入变量和输出变量。模糊限制器的输入一般有三个:偏差、偏差的变更及偏差变更的变更，输出变量一般选择限制量的变更。目前广泛采纳的是二维模糊限制器，这种限制器的输入变量选偏差及偏差的变更，以限制量的变更为输出变量。依据本系统的特点及限制要求，模糊限制器选用二维结构，其结构如图3.2所示图3.2二维模糊限制机构框图依据本系统的特点及限制要求，模糊限制器采纳双输入单输出结构，分别用偏差e和偏差的变更率△e作为输入变量，以限制量u作为输出变量。(6)精确量的模糊化在温室温度模糊限制器里，将键盘输入的温度值作为给定值T，由传感器测量得到的温度值记为t(k)，则误差e及误差的变更△e为:e(k)=T-t(k)(3-2)△e(k)=e(k)-e(k-1)(3-3)将e(k)和△e(k)作为温度模糊限制器的输入变量，输出变量为加热器及风扇的通断状态。依据温室的实际工作状况，从温带植物三基点温度如表2-1所示，可以看出其相宜温度变更值在10℃左右，考虑到实际检测条件和适当的限制精度，将温度误差的基本论域定为[-5℃～+5℃],温度误差变更的基本论域定为[-1℃～+1℃]。为提高限制精度和响应速度，将温度的限制范围分为模糊限制区和确定限制区，以温度设定值的±5℃为界。温度在设定值的±5'C以内为模糊限制区，以外为确定限制区。在确定限制区，系统将进行强制冷却或加热，并发出温度超标报警信号。而在模糊限制区，将温度偏差、偏差变更率的模糊集合分为7个模糊子集，分别为PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，Z(零)，NS(负小)，NM(负中)，NB(负大)。选取语言变量e,△e的论域均为:x={-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4}温度偏差、偏差变更率的隶属函数赋值表如表3.1所示表3.1△e的隶属度函数赋值表论域-4-3-2-101234NB10.50000000NM0.20.610.60.20000NS000.510.50000Z0000.510.5000PS00000.510.500PM00000.20.610.60.2PB00000000.51控量的隶属函数形态可以是三角形、梯形、单点或其它形态。采纳单点为限制量在实际处理时较为便利，因为这时只要知道限制量的模糊量也就知道了实际用于限制的论域元素。本系统限制量的模糊划分采纳单点，分为7个模糊子集，分别为PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，Z(零)，NS(负小)，NM(负中)，NB(负大)。选取语言变量u的论域为:{-3，-2，-1,0,1,2,3}。限制量的隶属函数如图4.3所示。图3.3U的隶属度函数(7)模糊限制规则模糊限制规则事实上是总结有阅历的操作者或专家的限制学问和阅历制定出的一条条模糊条件语句的集合，通常简写成一个表，即模糊限制规则表。确定模糊限制规则的原则必需是系统输出响应的动静态特性达到最佳。当误差大或较大时，选择限制量以尽快消退误差为主;而当误差较小时，选择限制量要留意防止超调，以系统的稳定性为主要动身点。(8)模糊限制算法设计限制算法是模糊限制的关键，可依据不同的系统状况选用不同的限制算法，常用的有查表和公式法。本系统采纳查表法实现模糊限制算法。查表法是依据模糊限制规则表，求出输入量论域元素和输出量论域元素之间的关系，形成一个表