基于單片機(jī)和DS18B20的空調(diào)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)(硬件)正文

1、目錄第一章 緒論11.1 課題研究背景11.1.1 空調(diào)的工作原理11.1.2 空調(diào)的功能11.2 控制技術(shù)介紹21.3 總體方案設(shè)計(jì)3第二章 空調(diào)溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)52.1 單片機(jī)的選擇52.1.1 AT89S52單片機(jī)簡(jiǎn)介52.1.2 AT89S52單片機(jī)引腳介紹52.1.3 AT89S52單片機(jī)的外圍電路62.2 溫度傳感器的選擇72.3 鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)82.3.1 行列式鍵盤(pán)和獨(dú)立鍵盤(pán)的接口設(shè)計(jì)82.3.2 矩陣鍵盤(pán)和獨(dú)立鍵盤(pán)的工作原理92.4 液晶顯示的設(shè)計(jì)9液晶1602的接口電路92.4.2 液晶1602工作原理92.4.3 液晶1602的其他參數(shù)102.5 DA轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)112.

2、5.1 DA轉(zhuǎn)換器的選擇112.5.2 DAC0832簡(jiǎn)介122.5.3 DAC0832結(jié)構(gòu)12第三章 空調(diào)溫度控制設(shè)計(jì)133.1 PID調(diào)節(jié)器控制原理133.2 位置式PID算法143.3 數(shù)字PID參數(shù)的整定143.3.1 采樣周期選擇的原那么153.3.2 PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響153.3.3 PID計(jì)算程序16第四章 空調(diào)溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)194.1 系統(tǒng)部件的軟件設(shè)計(jì)方案194.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖194.3 主程序和子程序流程圖設(shè)計(jì)204.3.1 主程序流程圖204.3.2 液晶1602流程圖214.3.3 溫度轉(zhuǎn)換子程序流程圖214.3.4 鍵盤(pán)處理子程序流程圖22結(jié)束語(yǔ)2

3、3參考文獻(xiàn)24第一章 緒論1.1 課題研究背景溫度是一個(gè)和人們生活環(huán)境有著密切關(guān)系的物理量，也是一種在生產(chǎn)、科研、生活中需要測(cè)量和控制的重要物理量，是國(guó)際單位制七個(gè)根本量之一。溫度的變化會(huì)給我們的生活、工作、生產(chǎn)等帶來(lái)重大影響，因此對(duì)溫度的測(cè)量至關(guān)重要。其測(cè)量控制一般使用各式各樣形態(tài)的溫度傳感器。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的開(kāi)展，作為各種信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸相處理的功能器件，溫度傳感器的作用日顯突出，已成為自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)量測(cè)試中不可缺少的重要技術(shù)工具，其應(yīng)用已普及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。空調(diào)即空氣調(diào)節(jié)器(room air conditioner)，是一種用于給空間區(qū)

4、域一般為密閉提供處理空氣的機(jī)組。它的功能是對(duì)該房間或封閉空間、區(qū)域內(nèi)空氣的溫度、濕度、潔凈度和空氣流速等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足人體舒適或工藝過(guò)程的要求。而空調(diào)溫度控制系統(tǒng)是空調(diào)的核心。1.1.1 空調(diào)的工作原理壓縮機(jī)將氣態(tài)的氟利昂壓縮為高溫高壓的氣態(tài)氟利昂，然后送到冷凝器室外機(jī)散熱后成為常溫高壓的液態(tài)氟利昂，所以室外機(jī)吹出來(lái)的是熱風(fēng)。 然后到毛細(xì)管，進(jìn)入蒸發(fā)器室內(nèi)機(jī)，由于氟利昂從毛細(xì)管到達(dá)蒸發(fā)器后空間突然增大，壓力減小，液態(tài)的氟利昂就會(huì)汽化，變成氣態(tài)低溫的氟利昂，從而吸收大量的熱量，蒸發(fā)器就會(huì)變冷，室內(nèi)機(jī)的風(fēng)扇將室內(nèi)的空氣從蒸發(fā)器中吹過(guò)，所以室內(nèi)機(jī)吹出來(lái)的就是冷風(fēng)；空氣中的水蒸汽遇到冷的蒸發(fā)器后

5、就會(huì)凝結(jié)成水滴，順著水管流出去，這就是空調(diào)會(huì)出水的原因。然后氣態(tài)的氟利昂回到壓縮機(jī)繼續(xù)壓縮，繼續(xù)循環(huán)。 制熱的時(shí)候有一個(gè)叫四通閥的部件，使氟利昂在冷凝器與蒸發(fā)器的流動(dòng)方向與制冷時(shí)相反，所以制熱的時(shí)候室外吹的是冷風(fēng)，室內(nèi)機(jī)吹的是熱風(fēng)。 其實(shí)就是用的初中物理里學(xué)到的液化由氣體變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)要排出熱量和汽化由液體變?yōu)闅怏w時(shí)要吸收熱量的原理。 1.1.2 空調(diào)的功能(1)降溫在空調(diào)器設(shè)計(jì)與制造中，一般允許將溫度控制在16-30之間。如假設(shè)溫度設(shè)定過(guò)低時(shí)，一方面增加不必要的電力消耗，另一方面造成室內(nèi)外溫差偏大時(shí)，人們進(jìn)出房間不能很快適應(yīng)溫度變化，容易患感冒。(2)除濕空調(diào)器在制冷過(guò)程中伴有除濕作用。人們感覺(jué)

6、舒適的環(huán)境相對(duì)濕度應(yīng)在40-60%左右，當(dāng)相對(duì)濕度過(guò)大如在90%以上，即使溫度在舒適范圍內(nèi)，人的感覺(jué)仍然不佳。(3)升溫?zé)岜眯团c電熱型空調(diào)器都有升溫功能。升溫能力隨室外環(huán)境溫度下降逐步變小，假設(shè)溫度在-5時(shí)幾乎不能滿足供熱要求。(4)凈化空氣空氣中含一定量有害氣體如NH3、SO2等，以及各種汗臭、體臭和浴廁臭等臭氣?？照{(diào)器凈化方法有：換新風(fēng)、過(guò)濾、利用活性碳或光觸媒吸附和吸收等。(5)增加空氣負(fù)離子濃度空氣中帶電微粒濃度大小，會(huì)影響人體舒適感?？照{(diào)上安裝負(fù)離子發(fā)生器可增加空氣負(fù)離子度，使環(huán)境更舒適，同時(shí)對(duì)降低血壓、抑制哮喘等方面有一定醫(yī)療效果。1.2 控制技術(shù)介紹控制理論的開(kāi)展也經(jīng)歷了經(jīng)典控制

7、理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等；而自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口。控制器的輸出經(jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)加在被控系統(tǒng)上，控制系統(tǒng)的被控量經(jīng)過(guò)傳感器、變送器通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)都不一樣。PID控制及其控制器或智能PID控制器已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器，其中PID調(diào)節(jié)器參數(shù)是自動(dòng)調(diào)節(jié)是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，有利用PID調(diào)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)壓力、溫度、

8、流量、液位的控制。能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的有PLC和一些PC機(jī)。本恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用AT89S52的單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字PID運(yùn)算，能充分發(fā)揮軟件系統(tǒng)的靈活性，在必要時(shí)針對(duì)PID算法進(jìn)行修正，使其更加完善，可滿足不同功率制冷系統(tǒng)的需要。隨著電子技術(shù)以及應(yīng)用需求的開(kāi)展，單片機(jī)技術(shù)得到了迅速的開(kāi)展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的進(jìn)展。伴隨著科學(xué)技術(shù)的開(kāi)展，電子技術(shù)有了更高的飛躍，我們現(xiàn)在完全可以運(yùn)用單片機(jī)來(lái)代替人工測(cè)量,這樣既省時(shí)又省力。而PID控制技術(shù)在現(xiàn)在最為成熟，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易調(diào)整，不必求出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型就可以調(diào)節(jié)，所以在恒溫控制系統(tǒng)中通常采用PID算法。

9、PID是比例proportional、積分intergal和微分(derivative)三者的縮寫(xiě)。PID調(diào)節(jié)器的三個(gè)根本參數(shù)kp(比例系數(shù))、ki積分系數(shù)、kd(微分系數(shù))是選擇非常重要，它將直接影響一個(gè)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。三個(gè)環(huán)節(jié)在實(shí)際控制中的作用：1、比例調(diào)節(jié)作用：比例反映系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，用于減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但過(guò)大的比例使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；2、積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除靜態(tài)誤差，提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差，積分調(diào)節(jié)就停止。積分調(diào)節(jié)輸出為一常值，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) T

10、i. Ti越小，積分時(shí)間就越強(qiáng)；反之Ti越大，積分時(shí)間就越弱。參加積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)或PID調(diào)節(jié)；3、微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)。因此能產(chǎn)生超前的控制作用。在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此微分調(diào)節(jié)可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在為時(shí)間選擇適宜的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪音干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)的加微分環(huán)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外微分反映的是變化率，而當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)，微分作用的輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組

11、成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。大多數(shù)溫度控制系統(tǒng)均建立在模型上，難以滿足加工工藝要求，故引入模糊控制，采用模糊PID算法，運(yùn)用AT89S52單片機(jī)對(duì)電阻爐溫度實(shí)現(xiàn)智能控制，可以解決上述種種缺乏，從而實(shí)現(xiàn)高精度的控制。因此本次設(shè)計(jì)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為有效。 總體方案設(shè)計(jì)選用89S52單片機(jī)為中央處理器，通過(guò)溫度傳感器DS18B20對(duì)室內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)精確測(cè)量,將采集到的溫度信號(hào)傳輸給單片機(jī)，再由單片機(jī)控制液晶顯示器，并比擬采集溫度與設(shè)計(jì)溫度是否一致，然后驅(qū)動(dòng)空調(diào)機(jī)的加熱或降溫循環(huán)對(duì)空氣進(jìn)行處理，從而模擬實(shí)現(xiàn)空調(diào)溫度控制單元的工作情況。溫度的設(shè)定局部，采用4*3矩陣鍵盤(pán)設(shè)計(jì)，鍵盤(pán)包括0-9數(shù)字鍵，

12、而不是傳統(tǒng)的+，-鍵，可以方便快速地輸入想要設(shè)定的溫度。同時(shí)包含+-鍵，兩種輸入方式并存，更加人性化。有三個(gè)獨(dú)立按鍵，分別為設(shè)置，加溫和降溫三個(gè)。空調(diào)器通電后，制冷系統(tǒng)內(nèi)制冷劑的低壓蒸汽被壓縮機(jī)吸入并壓縮為高壓蒸汽后排至冷凝器。同時(shí)軸流風(fēng)扇吸入的室外空氣經(jīng)冷凝器，帶走制冷劑放出的熱量，使高壓制冷劑蒸汽凝結(jié)為高壓液體。高壓液體經(jīng)過(guò)過(guò)濾、節(jié)流機(jī)構(gòu)后噴入蒸發(fā)器，并在相應(yīng)的低壓下蒸發(fā)，吸取周?chē)臒崃?。同時(shí)貫流風(fēng)扇使空氣不斷進(jìn)入蒸發(fā)器的肋片間進(jìn)行熱交換，并將放熱后變冷的空氣送向室內(nèi)。如此室內(nèi)空氣不斷循環(huán)流動(dòng)，到達(dá)降低溫度的目的。總體方案結(jié)構(gòu)如圖：89S52DA轉(zhuǎn)換溫度傳感器空氣鍵盤(pán)輸入液晶顯示壓縮機(jī)動(dòng)作

13、圖1 總體方案結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案的技術(shù)路線為：用按鈕輸入標(biāo)準(zhǔn)溫度值，用LCD實(shí)時(shí)顯示環(huán)境空氣溫度，通過(guò)PID運(yùn)算，同標(biāo)準(zhǔn)溫度值進(jìn)行比擬，然后用驅(qū)動(dòng)電路控制壓縮機(jī)完成加熱和制冷調(diào)節(jié)，第二章 空調(diào)溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 單片機(jī)的選擇考慮到盡量降低本錢(qián)和防止與復(fù)雜的電路，此系統(tǒng)所用到的元器件均為常用的電子器件。而主控器采用低功耗、高性能、片內(nèi)含8kb可反復(fù)檫寫(xiě)的Flash 、只讀程序器的CMOS8位單片機(jī)AT89S522.1.1 AT89S52單片機(jī)簡(jiǎn)介89S52有40個(gè)引腳，如圖2所示，有32個(gè)輸入端口I/O，有2個(gè)讀寫(xiě)口線，可以反復(fù)擦除。所以可以降低本錢(qián)。主要功能特性： 1兼容MCS51指令系統(tǒng)2

14、32個(gè)雙向I/O口線33個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷42個(gè)串行中斷口 52個(gè)外部中斷源62個(gè)讀寫(xiě)中斷口線7低功耗空閑和掉電模式88k可反復(fù)擦寫(xiě)(>1000次)Flash ROM9256x8 bit內(nèi)部RAM10時(shí)鐘頻率0-24MHz11可編程UART串行通道12共6個(gè)中斷源133級(jí)加密位14軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。圖2 89S52引腳圖2.1.2 AT89S52單片機(jī)引腳介紹輸入輸出口線 口8位雙向口線 口8位雙向口線 口8位雙向口線 口8位雙向口線ALE：地址鎖存控制信號(hào) 在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí),ALE用于控制把口輸出的低8位地址送入鎖存器鎖存起來(lái),以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送。此外由于ALE是以六分之一晶振頻率的固定頻率輸出正脈沖,因此可作為外部定時(shí)脈沖使用。：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)在讀外部ROM時(shí), 有效