基于單片機和DS18B20的空調溫控系統(tǒng)設計(硬件)正文

1、目錄第一章 緒論11.1 課題研究背景11.1.1 空調的工作原理11.1.2 空調的功能11.2 控制技術介紹21.3 總體方案設計3第二章 空調溫度控制系統(tǒng)硬件設計52.1 單片機的選擇52.1.1 AT89S52單片機簡介52.1.2 AT89S52單片機引腳介紹52.1.3 AT89S52單片機的外圍電路62.2 溫度傳感器的選擇72.3 鍵盤的設計82.3.1 行列式鍵盤和獨立鍵盤的接口設計82.3.2 矩陣鍵盤和獨立鍵盤的工作原理92.4 液晶顯示的設計92.4.1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轉換電路設

2、計112.5.1 DA轉換器的選擇112.5.2 DAC0832簡介122.5.3 DAC0832結構12第三章 空調溫度控制設計133.1 PID調節(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 采樣周期選擇的原則153.3.2 PID參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響153.3.3 PID計算程序16第四章 空調溫度控制系統(tǒng)軟件設計194.1 系統(tǒng)部件的軟件設計方案194.2 系統(tǒng)軟件設計框圖194.3 主程序和子程序流程圖設計204.3.1 主程序流程圖204.3.2 液晶1602流程圖214.3.3 溫度轉換子程序流程圖214.3.4 鍵盤處理子程序流程圖22

3、結束語23參考文獻24第一章 緒論1.1 課題研究背景溫度是一個和人們生活環(huán)境有著密切關系的物理量，也是一種在生產、科研、生活中需要測量和控制的重要物理量，是國際單位制七個基本量之一。溫度的變化會給我們的生活、工作、生產等帶來重大影響，因此對溫度的測量至關重要。其測量控制一般使用各式各樣形態(tài)的溫度傳感器。隨著現(xiàn)代計算機和自動化技術的發(fā)展，作為各種信息的感知、采集、轉換、傳輸相處理的功能器件，溫度傳感器的作用日顯突出，已成為自動檢測、自動控制系統(tǒng)和計量測試中不可缺少的重要技術工具，其應用已遍及工農業(yè)生產和日常生活的各個領域?？照{即空氣調節(jié)器(room air conditioner)，是一種用于

4、給空間區(qū)域（一般為密閉）提供處理空氣的機組。它的功能是對該房間（或封閉空間、區(qū)域）內空氣的溫度、濕度、潔凈度和空氣流速等參數(shù)進行調節(jié)，以滿足人體舒適或工藝過程的要求。而空調溫度控制系統(tǒng)是空調的核心。1.1.1 空調的工作原理壓縮機將氣態(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）散熱后成為常溫高壓的液態(tài)氟利昂，所以室外機吹出來的是熱風。 然后到毛細管，進入蒸發(fā)器（室內機），由于氟利昂從毛細管到達蒸發(fā)器后空間突然增大，壓力減小，液態(tài)的氟利昂就會汽化，變成氣態(tài)低溫的氟利昂，從而吸收大量的熱量，蒸發(fā)器就會變冷，室內機的風扇將室內的空氣從蒸發(fā)器中吹過，所以室內機吹出來的就是冷風；空氣中

5、的水蒸汽遇到冷的蒸發(fā)器后就會凝結成水滴，順著水管流出去，這就是空調會出水的原因。然后氣態(tài)的氟利昂回到壓縮機繼續(xù)壓縮，繼續(xù)循環(huán)。 制熱的時候有一個叫四通閥的部件，使氟利昂在冷凝器與蒸發(fā)器的流動方向與制冷時相反，所以制熱的時候室外吹的是冷風，室內機吹的是熱風。 其實就是用的初中物理里學到的液化（由氣體變?yōu)橐簯B(tài)）時要排出熱量和汽化（由液體變?yōu)闅怏w）時要吸收熱量的原理。 1.1.2 空調的功能(1)降溫在空調器設計與制造中，一般允許將溫度控制在16-30之間。如若溫度設定過低時，一方面增加不必要的電力消耗，另一方面造成室內外溫差偏大時，人們進出房間不能很快適應溫度變化，容易患感冒。(2)除濕空調器在制

6、冷過程中伴有除濕作用。人們感覺舒適的環(huán)境相對濕度應在40-60%左右，當相對濕度過大如在90%以上，即使溫度在舒適范圍內，人的感覺仍然不佳。(3)升溫熱泵型與電熱型空調器都有升溫功能。升溫能力隨室外環(huán)境溫度下降逐步變小，若溫度在-5時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。空調器凈化方法有：換新風、過濾、利用活性碳或光觸媒吸附和吸收等。(5)增加空氣負離子濃度空氣中帶電微粒濃度大小，會影響人體舒適感。空調上安裝負離子發(fā)生器可增加空氣負離子度，使環(huán)境更舒適，同時對降低血壓、抑制哮喘等方面有一定醫(yī)療效果。1.2 控制技術介紹控

7、制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等；而自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構加在被控系統(tǒng)上，控制系統(tǒng)的被控量經(jīng)過傳感器、變送器通過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)行機構都不一樣。PID控制及其控制器或智能PID控制器已經(jīng)很多，產品已在工程實際中得到廣泛的應用，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調節(jié)器，其中PID調節(jié)器參數(shù)是自動調節(jié)是通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現(xiàn)，有利用P

8、ID調節(jié)控制實現(xiàn)壓力、溫度、流量、液位的控制。能實現(xiàn)PID控制功能的有PLC和一些PC機。本恒溫自動控制系統(tǒng)的設計中應用AT89S52的單片機進行數(shù)字PID運算，能充分發(fā)揮軟件系統(tǒng)的靈活性，在必要時針對PID算法進行修正，使其更加完善，可滿足不同功率制冷系統(tǒng)的需要。隨著電子技術以及應用需求的發(fā)展，單片機技術得到了迅速的發(fā)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展。伴隨著科學技術的發(fā)展，電子技術有了更高的飛躍，我們現(xiàn)在完全可以運用單片機來代替人工測量,這樣既省時又省力。而PID控制技術在現(xiàn)在最為成熟，控制結構簡單，參數(shù)容易調整，不必求出被控對象的數(shù)學模型就可以調節(jié)，所以在恒溫控

9、制系統(tǒng)中通常采用PID算法。PID是比例（proportional）、積分（intergal）和微分(derivative)三者的縮寫。PID調節(jié)器的三個基本參數(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，它將直接影響一個控制系統(tǒng)的準確性。三個環(huán)節(jié)在實際控制中的作用：1、比例調節(jié)作用：比例反映系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調節(jié)立即產生調節(jié)作用，用于減少偏差。比例作用大，可以加快調節(jié)，減少誤差，但過大的比例使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；2、積分調節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除靜態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調節(jié)就進行，直至無差，積分調節(jié)就停止。積分調節(jié)輸出為一常

10、值，積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) Ti. Ti越小，積分時間就越強；反之Ti越大，積分時間就越弱。加入積分調節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢，積分作用常與另兩種調節(jié)規(guī)律結合，組成PI調節(jié)或PID調節(jié)；3、微分調節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢。因此能產生超前的控制作用。在偏差還沒有形成之前，已被微分調節(jié)作用消除。因此微分調節(jié)可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在為時間選擇合適的情況下，可以減少超調，減少調節(jié)時間。微分作用對噪音干擾有放大作用，因此過強的加微分環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外微分反映的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用的輸出為零。微分作用不能單

11、獨使用，需要與另外兩種調節(jié)規(guī)律相結合，組成PI調節(jié)器或PID調節(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，運用AT89S52單片機對電阻爐溫度實現(xiàn)智能控制，可以解決上述種種不足，從而實現(xiàn)高精度的控制。因此本次設計應用PID控制技術最為有效。1.3 總體方案設計選用89S52單片機為中央處理器，通過溫度傳感器DS18B20對室內的溫度進行實時精確測量,將采集到的溫度信號傳輸給單片機，再由單片機控制液晶顯示器，并比較采集溫度與設計溫度是否一致，然后驅動空調機的加熱或降溫循環(huán)對空氣進行處理，從而模擬實現(xiàn)空調溫度控制單元的工作情況。溫度的設定部分，

12、采用4*3矩陣鍵盤設計，鍵盤包括0-9數(shù)字鍵，而不是傳統(tǒng)的+，-鍵，可以方便快速地輸入想要設定的溫度。同時包含+-鍵，兩種輸入方式并存，更加人性化。有三個獨立按鍵，分別為設置，加溫和降溫三個。空調器通電后，制冷系統(tǒng)內制冷劑的低壓蒸汽被壓縮機吸入并壓縮為高壓蒸汽后排至冷凝器。同時軸流風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為高壓液體。高壓液體經(jīng)過過濾、節(jié)流機構后噴入蒸發(fā)器，并在相應的低壓下蒸發(fā)，吸取周圍的熱量。同時貫流風扇使空氣不斷進入蒸發(fā)器的肋片間進行熱交換，并將放熱后變冷的空氣送向室內。如此室內空氣不斷循環(huán)流動，達到降低溫度的目的?？傮w方案結構如圖2.1：89S

13、52DA轉換溫度傳感器空氣鍵盤輸入液晶顯示壓縮機動作圖1 總體方案結構實現(xiàn)方案的技術路線為：用按鈕輸入標準溫度值，用LCD實時顯示環(huán)境空氣溫度，通過PID運算，同標準溫度值進行比較，然后用驅動電路控制壓縮機完成加熱和制冷調節(jié)，第二章 空調溫度控制系統(tǒng)硬件設計2.1 單片機的選擇考慮到盡量降低成本和避免與復雜的電路，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、片內含8kb可反復檫寫的Flash 、只讀程序器的CMOS8位單片機AT89S522.1.1 AT89S52單片機簡介89S52有40個引腳，如圖2所示，有32個輸入端口（I/O），有2個讀寫口線，可以反復擦除。所以

14、可以降低成本。主要功能特性： （1）兼容MCS51指令系統(tǒng)（2）32個雙向I/O口線（3）3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷（4）2個串行中斷口 （5）2個外部中斷源（6）2個讀寫中斷口線（7）低功耗空閑和掉電模式（8）8k可反復擦寫(1000次)Flash ROM（9）256x8 bit內部RAM（10）時鐘頻率0-24MHz（11）可編程UART串行通道（12）共6個中斷源（13）3級加密位（14）軟件設置睡眠和喚醒功能。圖2 89S52引腳圖2.1.2 AT89S52單片機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 在系統(tǒng)擴展時,ALE用于控制把口輸出的低8位地址送入鎖存器鎖存起來,以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的分時傳送。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脈沖使用。：外部程序存儲器讀選通信號在讀外部ROM時,