基于單片機的空調(diào)機的溫度控制系統(tǒng)設計(含完整程序)教材

1、成都理工大學工程技術(shù)學院畢業(yè)論文空調(diào)機的溫度控制系統(tǒng)設計空調(diào)機的溫度控制系統(tǒng)摘要本設計以AT89S51單片機為核心的溫度控制系統(tǒng)的工作原理和設 計方法。溫度信號由溫度芯片DS18B2C采集，并以數(shù)字信號的方式傳送 給單片機。文中介紹了該控制系統(tǒng)的硬件部分，包括：溫度檢測電路、 溫度控制電路、PC機與單片機串口通訊電路和一些接口電路。單片機通過對信號進行相應處理，從而實現(xiàn)溫度控制的目的。文中還著重介紹 了軟件設計部分，在這里采用模塊化結(jié)構(gòu)， 主要模塊有：數(shù)碼管顯示程 序、鍵盤掃描及按鍵處理程序、溫度信號處理程序、繼電器控制程序、 超溫報警程序。空調(diào)機的溫度控制對于工業(yè)和日常生活等工程都具有廣闊的

2、應用 前景。本文將傳統(tǒng)控制理論與智能控制理論相結(jié)合應用于溫度控制的實 際工程中。首先，設計出系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，然后，從熱力學的角度對溫 度對象的特性做了較深入的分析，從理論上推導出溫度對象的常用的一 階帶純滯后的近似數(shù)學模型，并給出了數(shù)學模型中各參數(shù)的含義。 在此 基拙上，本文分析了現(xiàn)有空調(diào)機控制方法的利弊，并針對它們各自的優(yōu)、 缺點，對具有純滯后特性的溫度對象提出一種改進的模糊控制方法。該方法將模糊控制、PID控制結(jié)合起來。通過數(shù)字仿真表明該方法對空調(diào) 機溫度的控制具有超調(diào)?。蛇_到無超調(diào)）、調(diào)節(jié)時間短、魯棒性好等優(yōu) 點。在此基拙上，用階躍信號做激勵，辨識出系統(tǒng)的數(shù)學模型。本文的 最后，通過對

3、實物實驗結(jié)果可以看出，本文所提出的改進的模糊控制算 法對非線性、具純滯后環(huán)節(jié)對象的控制是很有效的。 溫度控制系統(tǒng)的軟 件采用匯編語言編制，控制算法部分采用C與匯編混合編程。該軟件基 于Windows20000/xp平臺，人機界面友好，易于用戶操作。具有在線修 改采樣時間、控制算法、控制參數(shù)、圖形顯示及數(shù)據(jù)保存和打印功能。 設計的空調(diào)機溫度控制的精確性，使用方便，功能齊全。關(guān)鍵詞:PWM空制 模型辨識模糊控制PID控制-山-空調(diào)機的溫度控制系統(tǒng)設計AbstractThe thesis studies the Plant of temperature. Firstly , the systeml5

4、 desig ned and realized. The n the characteristics of temperature of Pla nt are an alyzed in all details from thermod yn amics. The approximate mathematics model of temperature plant with one order and dead time is reduced and the meaning of every parameter of this model are expressed,Which is used

5、often and practically in the paper. In addition tot his, we identify the model of the system and the result dem on strated the method is effective for it.Secon dly we an alyzed adva ntages and disadva ntages of prese nt con trol method of temperature. One kind of improved Fuzz-Dahli n con trol metho

6、d is presentedfor Temperature Plant with long dead time and non-linearity. The Dahlin control method, The fuzzy control method are combined in this improved method It is dem on strated By digital simulati on that the improved Fuzzy-Dahli n makes the extra-regulatio n more small(eve n zero), the regu

7、latio n time more short, and the robust ness better for the temperature con trolled Pla nt. It is dem on strated by physical experime ntati on that improved Fuzzy-Dahlin method presented in this Paper is effective for temperature plant with dead time and non-linearity.The control software is compile

8、d with visualc+ and matlab .Its easy to use and frie ndly to the in terface of pers on and machi ne on the basis of window2000/xpplatform.There are some functions as modify sample time or modify controllers parameters online, display and copy data of temperature curve, and so on. The control hardwar

9、e is easy to use and its functions are self contain ed.Keywords： Intelligent control, model identify, Dahlin control, Fuzzy con trol, PID con trol目錄摘要.Abstract - 3 -目錄-4 -前言-5 -1 MCS-51單片機簡介 -8 -1.1芯片的引腳描述-8 -1.2 MSC-51單片機中央處理器 -15 -2溫度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)-17-2.1總體設計-17 -2.2信號采樣電路設計 -18 -2.2.1溫度采樣電路設計 -18 -2.2.2

10、單片機最小系統(tǒng)的設計 -20 -2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設計 -22 -2.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的常用方法 -22 -2.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標 -23 -2.3.3 ADC0809的主要特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu) -23 -2.3.4 ADC0809管腳功能及定義 -24 -2.3.5 ADC0809與 8031 的接口電路 -26 -2.4軟件系統(tǒng)的初始化程序 -26 -2.5軟件程序的主循環(huán)框架 -27 -2.6校準程序-29 -3控制算法的研究-31 -3.1 PID算法的研究-31 -3.2模糊控制系統(tǒng)設計 -31 -3.2.1模糊控制算法-32 -3.2.2模糊控制的基本概念 -33

11、-3.2.3模糊控制過程 -34 -總結(jié)-39 -致謝-52 -參考文獻-53 -山-空調(diào)機的溫度控制系統(tǒng)、八 、刖言控制菌種生長環(huán)境的設施和設備由功能簡單、單一的氣候箱發(fā)展成 現(xiàn)在控制復的人工氣候室，這對于研究在人工模擬自然生態(tài)環(huán)境中生長 因素對菌種生長的提供了必要的條件和能夠繼續(xù)深入研究的基礎。目 前，大多數(shù)菌種培養(yǎng)車間都采取通過控制水加熱機組和水制冷機組進行 溫度的調(diào)節(jié)，這使得整個控制設備占于龐大，控制復雜，能耗大，投資 高。部分氣候室采用中央空調(diào)控制溫度， 但中央空調(diào)同樣存在成本高低 精度的問題，且存在不同氣候室同時向主機提出兩種不同運行式請求， 導致系統(tǒng)失控的可能，因此，此種車間的控

12、溫方法也存在缺陷。所以， 操作簡單，控制精度高，系統(tǒng)性能好，投資低的新型菌種培養(yǎng)車間正為 人們所期待。本文提出了一種以普通壁掛式空調(diào)來調(diào)節(jié)人工氣候室溫度 的新方法，加以合理智能算法可以有效地對溫度進行高精度恒溫控制， 而且成本較低，操作方便。課題的研究目的：高精度溫度控制就是實現(xiàn)溫度的更加精確化，準確化。實現(xiàn)溫度恒 溫化，更好的來滿足菌種的生長溫度。當今空調(diào)機的溫度控制是人們利用可控電路對空調(diào)機進行控制，來實現(xiàn)對溫度的控制。它只能滿足人們一般的需求，溫控精度也不高，對 更高的溫度需求不能滿足。例如菌種的培養(yǎng)車間，菌種的生長需要非常 穩(wěn)定的溫度環(huán)境，對溫度的要求非常高，這就需要對空調(diào)機的溫度來實

13、 現(xiàn)高精度控制。培養(yǎng)菌種的培養(yǎng)車間需要較高的溫度精度，它的溫度控制一般是由 空調(diào)機來實現(xiàn)的，而現(xiàn)今空調(diào)機的控溫精度不高，一般在23度左右， 誤差比較大。這就需要對我們控溫系統(tǒng)進行改進。來實現(xiàn)空調(diào)機高精度 的控制。菌種培養(yǎng)車間需要的誤差一般在 0.5度左右，這首先需要非常 靈敏的裝置對溫度進行檢測，防止因檢測而帶來的錯誤。這可以用電接 水銀溫度計（WXG型）進行測量。將測量的信號通過高靈敏度的溫度傳感器送到微處理器中。從而用微處理器來實現(xiàn)對空調(diào)機的高精度溫度控 制。這樣才能滿足培菌車間的需要。本課題的研究意義： 要使菌種培育更好，就必須有一流的生長條件和環(huán)境。傳統(tǒng)的菌 種培養(yǎng)車間是育種試驗必不可

14、少的條件， 它可以縮短試驗周期，可以模 擬各種氣候條件而不受自然氣候的制約和影響。 但是溫度控制的精度還 是不高，這就必須對空調(diào)機進行改進，實現(xiàn)對溫度高精度控制。 本系統(tǒng)就是針對以上老系統(tǒng)存在的不足及實際要求設計開發(fā)的。只要設定運行曲線后，就可連續(xù)自動地運行，按照給定曲線同時調(diào)節(jié)溫 度，并保存實際運行的參數(shù)和設定參數(shù)。課題的特點及具體要求： 菌種培養(yǎng)車間是一個多變量相互禍合的復雜系統(tǒng)，溫度具有純滯 后、大慣性特性。而且外界的氣候的變化也會對室內(nèi)的溫度產(chǎn)生影響。 所以按照常規(guī)的控制方法，要對溫室對象建立精確數(shù)學模型幾乎是不可 能的，而且控制精度很難保證育種過程的要求。 培養(yǎng)車間能夠在任意時 候模

15、擬任意的氣候條件，而且溫度要能夠嚴格按照給定曲線變化， 要求 具有保護功能。根據(jù)己有控制系統(tǒng)的運行經(jīng)驗和不足之處，改造其老系 統(tǒng)，要求實現(xiàn)的主要功能和技術(shù)指標如下：系統(tǒng)需采用兩級計算機控制， 上位機采用工控機，下位機采用自行開發(fā)的智能控制器。 系統(tǒng)的控制算法采用智能控制算法，溫度的控制精度要求為土0.2 C , 上位機應用程序是在Windows98環(huán)境下開發(fā)的應用程序，可以監(jiān) 控多臺下位機，要求有參數(shù)設定計算、 過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲和通信等功 能。 下位機具有實時控制功能，在上位機出現(xiàn)故障的時候可以實施單 獨控制，并且可靠性要高。本文的主要工作本文針對單片機對溫度控制監(jiān)測系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)展開研究

16、工作， 主要集中在以下幾個方面： 分析項目要求，介紹以低成本為核心指導思想的溫度控制系統(tǒng)的總體方案設計，統(tǒng)的組成和工作原理，闡述多點校準技術(shù)和線型插值技 術(shù)在系統(tǒng)設計中的應用，以及些技術(shù)的應用對降低成本的作用。 系統(tǒng)的硬件設計，介紹主要硬件的選型及其主要特點，溫度傳感 器PtIOO采樣以及信號放大處理，信號調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換電路的設計，低 壓線性穩(wěn)壓器的電路設計，片機接口電路的設計以及電路的總體設計 模塊功能設計及實現(xiàn)，詳細介紹在溫度監(jiān)控系統(tǒng)中應用到的各個 模塊的功能和應方法，涉及到各個模塊的功能和工作原理， 各個控制寄 存器的設定，模塊之間的關(guān)系協(xié)作方式等。包括基本始終模塊的應用， WROM存

17、儲器X25043/45的應用，數(shù)碼顯示管的應用以及按鍵等的實現(xiàn)。系統(tǒng)的總體設計和主要程序模塊，程序設計采用匯編語言和C語 言模式，并將低本高精度思想融入其中，介紹的程序模塊包括：系統(tǒng)初始化程序、主循環(huán)框架、準程序、LED數(shù)碼顯示程序并給出了程序的設 計流程圖和部分程序源代碼?？偨Y(jié)溫度控制系統(tǒng)的設計，介紹了使用現(xiàn)狀以及未來的改進和發(fā) 展方向。-5-1 MCS-51單片機簡介1.1芯片的引腳描述HMO制造工藝的MCS-51單片機都采用40引腳的直插封裝（DIP方 式），制造工藝為CHMO的80C51/80C31芯片除采用DIP封裝方式外， 還采用方型封裝工藝，引腳排列如圖。其中方型封裝的CHM O

18、芯片有44只引腳，但其中4只引腳（標有NC的引腳1、12、23、34）是不使 用的。在以后的討論中，除有特殊說明以外，所述內(nèi)容皆適用于CHMOSH-R rL心片。PU PL! 1U P1J亠PLfr FI/ R*rvrDP3.CI PJ.l P3.1 E1Z _P3.5 FX4 映一 XTALIe XTAL2 V*tAJ/$789lo:=l2lJl4ls6i/lA1920 P04PCI一 FM一 PMP0.4一 Ffl.fP0.6FD節(jié)EiV W 存Ar.RmoGPSENP3.7 一肥璋Fi,3F2-MPi.ipi.iP2.QV VwXTALL X1ALZ一PSFNws75)u艸Opi圖1.1

19、 MCS-51的邏輯符號圖如圖，是。在單片機的40條引腳中有2條專用于主電源的引腳，2 條外接晶體的引腳，4條控制或與其它電源復用的引腳，32條輸入/輸 出（I/O ）弓|腳。下面按其引腳功能分為四部分敘述這 40條引腳的功能。1、主電源引腳VCC和VSS VCC（ 40 腳）接+5V電壓;VSS（ 20 腳）接地。2、外接晶體引腳XTAL1和XTAL2XTAL1（ 19腳）接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一個 反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當采用外部振蕩 器時，對HMO單片機，此引腳應接地；對 CHMO單片機，此引腳作為 驅(qū)動端。XTAL2 （18腳）接外晶體的另一

20、端。在單片機內(nèi)部，接至上述振蕩 器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，對HMO單片機，該引腳接外部振蕩器的信號，即把外部振蕩器的信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生 器的輸入端；對XHMOS此引腳應懸浮。3、控制或與其它電源復用引腳 RST/VPD ALE/PROG PSEh和EA/VPP RST/VPD（9腳）當振蕩器運行時，在此腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復位。推薦在此引腳與VSS引腳之間連接一個約8.2k的下拉電阻，與VCC引腳之間連接一個約10卩F的電容，以保證 可靠地復位。VCC掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保證內(nèi)部 RAM勺數(shù)據(jù)不 丟失。當VCC主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而

21、VPD在其規(guī)定的電壓范 圍（5 0.5V）內(nèi)，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源。 ALE/PROQ30腳）：當訪問外部存貯器時，ALE （允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而要注意的是，每 當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動（吸 收或輸出電流）8個LS型的TTL輸入電路。對于EPROI單片機（如8751），在EPRO編程期間，此引腳用于輸 入編程脈沖（PRO） PSEN（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選

22、通信號。在從外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期兩次PSENt效。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。PSENW樣可以驅(qū)動（吸收或輸出）8個LS型的TTL輸入。 EA/VPP （引腳）：當EA端保持高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，但在PC （程序計數(shù)器）值超過 OFFFH（對851/8751/80C51 ）或仆FFH （對8052）時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。當EA保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。對 于常用的8031來說，無內(nèi)部程序存儲器，所以EA腳必須常接地，這樣 才能只選擇外部程序存儲器。對于EPR

23、O型的單片機（如8751），在EPRO編程期間，此引腳也 用于施加21V的編程電源（VPP。4、輸入/輸出（I/O ）引腳PO P1、P2、P3（共32根） P0 口（ 39腳至32腳）：是雙向8位三態(tài)I/O 口，在外接存儲器時，與地址總線的低8位及數(shù)據(jù)總線復用，能以吸收電流的方式驅(qū)動8個LS型的TTL負載。 P1 口（ 1腳至8腳）：是準雙向8位I/O 口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向I/O 口。P1 口能驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負載。對8052、8032，P1.0 引腳的第二功能為T2定時/計數(shù)器的外部輸入，P1.1引腳的第二功能 為T2E

24、X甫捉、重裝觸發(fā)，即T2的外部控制端。對EPRO編程和程序驗 證時，它接收低8位地址。 P2 口（ 21腳至28腳）：是準雙向8位I/O 口。在訪問外部存儲 器時，它可以作為擴展電路高8位地址總線送出高8位地址。在對EPROM 編程和程序驗證期間，它接收高 8位地址。P2可以驅(qū)動（吸收或輸出 電流）4個LS型的TTL負載。 P3 口（ 10腳至17腳）：是準雙向8位I/O 口，在MCS-51中，這 8個引腳還用于專門功能，是復用雙功能口。P3能驅(qū)動（吸收或輸出電 流）4個LS型的TTL負載。作為第一功能使用時，就作為普通I/O 口用，功能和操作方法與P1 口相同。作為第二功能使用時，各引腳的定

25、義如表所示。值得強調(diào)的是，P3 口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸 入輸出或第二功能。空調(diào)機的溫度控制系統(tǒng)設計P3各口線的第二功能定義:P3.0 10 RXD （串行輸入口）P3.1 11 TXD （串行輸出口）P3.2 12 INTO （外部中斷 0）P3.3 13 INT1 （外部中斷 1）P3.4 14 T0 （定時器0外部輸入）P3.5 15 T1 （定時器1外部輸入）P3.6 16 WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖）P3.7 17 RD （外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖）綜合上面的描述可知，I/O 口線都不能當作用戶 I/O 口線。除 8051/8751外真正可完全為用戶使用的I/O 口線只

26、有P1 口，以及部分 作為第一功能使用時的P3 口。單片機的引腳除了電源、復位、時鐘接入，用戶 I/O 口外，其余管 腳是為實現(xiàn)系統(tǒng)擴展而設置的。這些引腳構(gòu)成 MCS-51單片機片外三總 線結(jié)構(gòu)，即： 地址總線（AB）：地址總線寬為16位，因此，其外部存儲器直接 尋址為64K字節(jié)，16位地址總線由P0 口經(jīng)地址鎖存器提供8位地址（A0 至A7）； P2 口直接提供8位地址（A8至A15）。 數(shù)據(jù)總線（DB）:數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0提供。 控制總線（CB）：由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨立控制線RESET EA ALE PSEN組成。當采集的溫度經(jīng)處理后超過規(guī)定溫度上限時，單片機通過P1.4

27、輸出控制信號驅(qū)動三極管D1，使繼電器K1開啟降溫設備（壓縮制冷 設備）：當采集的溫度經(jīng)處理后低于設定溫度下限時，單片機通過 P1.5輸出控制信號驅(qū)動三極管D2，使繼電器K2開啟升溫設備（加 熱器1）。當由于環(huán)境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設備出現(xiàn)故障， 或者溫度傳感頭出現(xiàn)故障導致在一段時間內(nèi)不能將環(huán)境溫度調(diào)整到規(guī)-7-空調(diào)機的溫度控制系統(tǒng)定的溫度限內(nèi)的時候，單片機通過三極管驅(qū)動揚聲器發(fā)出警笛聲。具體電路連接如圖5-1所示。圖5-1具體電路連接圖5.3溫度測試單元采用溫度芯片DS18B20使用集成芯片，能夠有效的減小外界的干 擾，提高測量的精度，簡化電路的結(jié)構(gòu)。5.4溫度控制器件電路單片機通過

28、三極管控制繼電器的通斷，最后達到控制電熱器的目-5-空調(diào)機的溫度控制系統(tǒng)當溫度未達到要求時，單片機發(fā)送高電平信號使三極管飽和導通， 繼電器使電源與電熱器接通，電熱器加熱。溫度慢慢升高。當溫度上升到預定溫度時，單片機發(fā)送低電平信號三極管進入截止 狀態(tài)，繼電器的彈片打到另一側(cè)，使電熱器與電源斷開，電熱器停止加 熱。繼電器電路中有一個三極管 8050的保護電路，即將一個二極管反 向接到三機管的兩端。連接方法如圖 5-2所示。圖5-2單片機控制信號其原理是：當繼電器突然斷電時，繼電器產(chǎn)生很大的反向電流。二 極管的作用是將反向電流分流，使流過三級管 8050的電流比較小，達 到保護三極管8050的作用。

29、5.5七段數(shù)碼管顯示單元本部分電路主要使用七段數(shù)碼管和移位寄存器芯片74LS16 4單片機通過I2C總線將要顯示的數(shù)據(jù)信號傳送到移位寄存器芯片74LS164寄存，再由移位寄存器控制數(shù)碼管的顯示， 從而實現(xiàn)移位寄存點亮數(shù)碼管 顯示。由于單片機的時鐘頻率達到12M移位寄存器的移位速度相當快， 所以我們根本看不到數(shù)據(jù)是一位一位傳輸?shù)摹娜祟愐曈X的角度上看， 就仿佛是全部數(shù)碼管同時顯示的一樣。具體見實際連線圖如圖5-3。-5-空調(diào)機的溫度控制系統(tǒng)當清除端（CLEAR為低電平時，輸出端（QA-QH均為低電平。串 行數(shù)據(jù)輸入端（A, B）可控制數(shù)據(jù)。當A、B任意一個為低電平，則禁 止新數(shù)據(jù)輸入，在時鐘端（

30、CLOCK脈沖上升沿作用下Q0為低電平。 當A、B有一個為高電平，則另一個就允許輸入數(shù)據(jù)，并在CLOCK上升沿作用下決定Q0的狀態(tài)，邏輯封裝圖如圖5-3 :圖5-3邏輯封裝圖引出端符號：CLOCK寸鐘輸入端；CLEAR同步清除輸入端（低電平有效）;A, B串行數(shù)據(jù)輸入端；QA- QH輸出端。真值表：表5-2表5-2真值表Output*CImfCockAB1 Q*QhLXXXLLLHLXXQeoOhoHTHHHOaa ”O(jiān)ghHtLXLgHtXLLOatiOGnCR1a VCC b a c門d色e cdpR2+5VDS16U16QHQGQFQE BQD AQCQB CLKQA CLR二11211

31、65; 一a VCCbacdfgpeecfd,gdpdpQHQGQFQE BQD AQCQB CLKQA CLR274LS164+5V89+5VU15ABBAA885scl9974LS164+5QH QG QF QE QDQH QG QF QE QD1374LS164+5VQCQB CLKQA CLRCLtee f ld g dp dpL 3 Ls-u6 s DbaVccbac.fbdgeecf idg-dpdpDS7aVcCbacdf glbee_cfl dg dpdpDS8U14A1QCQBQAa VCCbac -.fbd9ee|Cf edg -dpdpDS9U9QHQGQFQEB_QDA

32、hQCQBCLKQACLR74LS164+5V圖5-4實際連線圖1.2 MSC-51單片機中央處理器中央處理器是單片機內(nèi)部的核心部件，它決定了單片機的主要功能 特性。中央處理器主要由運算部件和控制部件組成。 下面我們把中央處 理器功能模塊和有關(guān)的控制信號線聯(lián)系起來加以討論，并涉及相關(guān)的硬 件設備（如振蕩電路和時鐘電路）。1、運算部件：它包括算術(shù)、邏輯部件 ALU布爾處理器、累加器-5-空調(diào)機的溫度控制系統(tǒng)設計ACC寄存器B、暫存器TMP1和TMP2程序狀態(tài)字寄存器PSW以及十進 制調(diào)整電路等。運算部件的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯運算、位變址處 理和數(shù)據(jù)傳送操作。MCS-51單片機的ALU功能十分

33、強，它不僅可對8位變量進行邏輯 “與”、“或”、“異或”、循環(huán)、求補、清零等基本操作，還可以進 行加、減、乘、除等基本運算。為了乘除運算的需要，設置了 B寄存器。 在執(zhí)行乘法運算指令時，用來存放其中一個乘數(shù)和乘積的高 8位數(shù)；在 執(zhí)行除法運算指令時，B中存入除數(shù)及余數(shù)。MCS-51單片機的ALU還具 有一般微機ALU如Z80、MCS-48所不具備的功能，即布爾處理功能。 單片機指令系統(tǒng)中的布爾指令集、存儲器中的位地址空間與CPU中的位 操作構(gòu)成了片內(nèi)的布爾功能系統(tǒng)， 它可對位（bit ）變量進行布爾處理， 如置位、清零、求補、測試轉(zhuǎn)移及邏輯“與”、“或”等操作。在實現(xiàn) 位操作時，借用了程序狀態(tài)

34、標志器（PSW中的進位標志Cy作為位操作 的“累加器”。運算部件中的累加器ACC是一個8位的累加器（ACC也可簡寫為A）。 從功能上看，它與一般微機的累加器相比沒有什么特別之處， 但需要說 明的是ACCS進位標志Cy就是布爾處理器進行位操作的一個累加器。MCS-51單片機的程序狀態(tài)PSW是一個8位寄存器，它包含了程序 的狀態(tài)信息。2、控制部件控制部件是單片機的神經(jīng)中樞，它包括時鐘電路、復位電路、指令 寄存器、譯碼以及信息傳送控制部件。它以主振頻率為基準發(fā)出CPU的 時序，對指令進行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號，完成一系列定時控制 的微操作，用來控制單片機各部分的運行。其中有一些控制信號線能簡 化

35、應用系統(tǒng)外圍控制邏輯，如控制地址鎖存的地址鎖存信號ALE控制片外程序存儲器運行的片內(nèi)外存儲器選擇信號EA以及片外取指信號PSEN2溫度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)2.1總體設計總的設計思想是通過溫、濕度器及執(zhí)行機構(gòu)，完成溫、濕度自動調(diào) 節(jié)及聲光報警等功能，總體設計框圖如圖傳感器將溫度、 濕度值轉(zhuǎn)換為 電量輸出，由A/D轉(zhuǎn)換器對模擬信號進行數(shù)字化，被數(shù)字化的信號經(jīng)過 單片機處理后，送顯示圖2.1總體設計框圖本系統(tǒng)完成以下功能：可對溫、濕度進行多點自動檢測、顯示、報 警和調(diào)控。當溫、濕度超過上、下限設定值時，可自動發(fā)出聲光報警， 并進行溫、濕度調(diào)節(jié)控制，直到報警消除，報警的上下限值可通過鍵盤 隨時設定。為實現(xiàn)以

36、上功能需安排以下五個部分組成整個控制系統(tǒng)如圖 2.1所示。系統(tǒng)的硬件組成：(1)信號采樣電路單片機基本系統(tǒng)(8031)A/D轉(zhuǎn)換電路(4) 鍵盤和顯示電路(5) 執(zhí)行電路2.2信號采樣電路設計采樣電路在整個控制裝置中占據(jù)著十分重要的地位，采樣值是8031 主要處理的數(shù)據(jù)，是實施控制的依據(jù)，所以保證采樣電路的準確是進行 良好控制的基礎。2.2.1溫度采樣電路設計(1)溫度傳感器的選擇溫度傳感器的種類很多，根據(jù)溫室使用條件，選擇恰當?shù)膫鞲衅黝?型才能保證測量的準確可靠，并同時達到增加使用壽命和降低成本的目 的。根據(jù)溫室溫度控制的特點，本系統(tǒng)中溫度傳感器選用 AD590集成溫 度傳感器。集成溫度傳感

37、器實質(zhì)上是一種半導體集成電路，它是利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值VBE與熱力學溫度T和通過發(fā)射極電流工 的關(guān)系實現(xiàn)對溫度的檢測：VBe = KIT(2-1)q式中，K一波爾茲常數(shù)；q 電子電荷絕對值。集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用 方便等優(yōu)點，得到廣泛應用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出 和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K溫度0C時輸出 為0,溫度25C時輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為 1卩A/K。 AD590是美國模擬器件公司利用 PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電 流輸出型兩端溫度傳感器。這種器件在被測溫度一定時，相當于一

38、個恒 流源。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動的特性。它的主要特性參數(shù)如下：1. 流過器件的電流(卩A)等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度(開爾文)度數(shù)，即：Ir=1T 卩 A/K(2-2)式中:I一流過器件(AD590)的電流，單位為卩A。-9-空調(diào)機的溫度控制系統(tǒng)設計T 熱力學溫度，單位為K。2. AD590的測溫范圍為-55+ 150C。3. AD590的電源電壓范圍為 4V30V。電源電壓可在 4V6V范圍 變化，電流I r變化1卩A,相當于溫度變化1K。AD590可以承受44V正 向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。4. 輸出電阻為710MQ。5.

39、精度高:AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高， 在-55+ 150C范圍內(nèi)，非線性誤差為土 0.3 C。6. 靈敏度:1卩A/K。1.2溫度檢測電路的設計在設計測溫電路時，首先應將電流轉(zhuǎn)換成電壓。因為流過AD590的 電流與熱力學溫度成正比，當電阻 R1和電位器RP1的電阻之和為I Ok Q時，輸出電壓VO的變化為IOmV/匕 但由于AD590的增益有偏差，電 阻也有誤差，因此應對電路進行調(diào)整。為了使此電阻精確（0.1%），可用一個9.6k Q的電阻與一個1k電位器串聯(lián)，然后通過調(diào)節(jié)電位器來獲得 精確的10kQ的電阻。溫度檢測電路如圖2.2所示，其中運算放大器Al 被接成電壓

40、跟隨器形式，以增加信號的輸入阻抗。而運放A2的作用是把絕對溫標轉(zhuǎn)換成攝氏溫標，給A2的同相輸入端輸入一個恒定的電壓， 然后將此電壓放大到2.732V。這樣，Al與A2輸出端之間的電壓即為轉(zhuǎn) 換成的攝氏溫標。圖2.2溫度檢測電路將AD590放入0C的冰水混合溶液中，A1同相輸入端的電壓應為 2.732V,同樣使A2的輸出電壓也為2.732V，因此A1與A2兩輸出端之 間的電壓為0V即對應于0C。AD590溫度與電流的關(guān)系如表2.1所示。表2.1 AD590溫度與電流的關(guān)系攝氏溫度AD590電流經(jīng)10KQ電壓0273.2卩A2.732V10283.2卩A2.832V20293.2卩A2.932V3

41、0303.2卩A3.032V40313.2卩A3.132V50323.2卩A3.232V60333.2卩A3.332V100373.2卩A3.732V2.2.2單片機最小系統(tǒng)的設計(1)單片機復位電路的設計復位電路是單片機應用中重要的一環(huán)，它對單片機抗干擾有重要作 用。在振蕩運行的情況下，要實現(xiàn)復位操作，必須使RST引腳至少保持 兩個機器周期的高電平。復位期間不產(chǎn)生 ALE及PSEN言號。復位后， 各內(nèi)部寄存器狀態(tài)如表2.2所示。8031單片機的復位電路如圖2.3所 示。表2.2各內(nèi)部寄存器狀態(tài)寄存器內(nèi)容寄存器內(nèi)容PC0000HTMOP00HAAC00HTCON00HB00HTH00HPSW0

42、0HTH00HSP07HTL00HDPTR0000HTL00HP0-P30FFHSCON00HIPxxx00000SBUF不定IE0xx00000PCON0XXXXXXX5V圖2.3復位電路單片機時鐘電路的設計單片機的時鐘產(chǎn)生方法有兩種：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本 系統(tǒng)中8031單片機采用內(nèi)部時鐘方式。最常用的內(nèi)部時鐘方式是采用 外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2MHz- 12MHz之 間。電容值無嚴格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小和 振蕩電路起振速度有少許影響，一般可在20pF-100pF之間取值。8031單片機的時鐘電路如圖2.4所示。Cl3WC2 30

43、pPJZ12MXTAL28031HALl圖2.4時鐘電路(3) 8031單片機最小系統(tǒng)一個最小8031單片機系統(tǒng)有 CPU (8031), 8 位3態(tài)D鎖存器74LS373,ROME RAM時鐘電路和復位電路等基本電路組成。2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設計由信號處理電路輸出的信號為模擬信號，而單片機只能處理數(shù)字量，所以必須首先將模擬量經(jīng)過一定電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機才能處理，這種電路被稱為A/D轉(zhuǎn)換電路，是模擬系統(tǒng)與計算機之間的接口 部件。2.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的常用方法A/D轉(zhuǎn)換的常用方法有：雙積分式A/D轉(zhuǎn)換、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換、 計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換等。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的工作原理是將對輸入電

44、壓的測 量，轉(zhuǎn)換成對基準源積分時間的測量，再測量時間(脈沖寬度信號)或頻 率(脈沖頻率)，然后由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。這種方法的主要優(yōu) 點是分辯率高、精度高、抗干擾性好；主要缺點是轉(zhuǎn)換速度慢。逐次逼 近型A/D由一個比較器和D/A轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，順序地增 加內(nèi)部D/A的輸入值，并將其輸出電壓與A/D測量輸入電壓比較，當二 者相等時，內(nèi)部D/A的輸入值就是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。這種方法的主要優(yōu) 點是速度快、功耗低；主要缺點是抗干擾性差。2.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標有：分辨率、精度、量程、轉(zhuǎn)換時間等。 分辨率(Resolutio n)分辨率反映轉(zhuǎn)換器

45、所能分辨的被測量的最小值。通 常用輸出二進制代碼的位數(shù)來表示。8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為8位。 精度(Precisi on)精度指的是轉(zhuǎn)換的結(jié)果相對于實際的偏差，精度有兩 種表示方法：絕對精度和相對精度。絕對精度用最低位(LSB)的倍數(shù)來表 示，如：土 1LSB相對精度用絕對精度除以滿量程值的百分數(shù)來表示， 如: 0.05%。同樣分辨率的轉(zhuǎn)換器其精度可能不同。量程 (滿刻度范圍 一 Full Scale Range) 量程是指輸入模擬電壓的變化范圍。如：某轉(zhuǎn)換 器具有IOV的單極性范圍或-5+5V的雙極性范圍，它們的量程都為 10乂實際的A/D, D/A轉(zhuǎn)換器的最大輸入/輸出值總是比滿刻度值小

46、。轉(zhuǎn)換時間(Conversion Time)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間是指：從啟動轉(zhuǎn) 換開始，直至取得穩(wěn)定的數(shù)字量或模擬量所需的時間稱為轉(zhuǎn)換時間。 轉(zhuǎn) 換時間與轉(zhuǎn)換器原理及其位數(shù)有關(guān)。 同種工作原理的轉(zhuǎn)換器，通常位數(shù) 越多，轉(zhuǎn)換時間越長。2.3.3 ADC0809的主要特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)采用ADC080肽規(guī)模集成電路芯片，它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn) 換器，輸出的數(shù)字信號有三態(tài)緩沖器，可以和單片機直接接口。ADC0809 的主要技術(shù)指標為：分辨率:8位；單電源供電:+5V;最大不可調(diào)誤差小于土 1LSB轉(zhuǎn)換時間為l00卩s(時鐘頻率為640KHZ);模擬輸入范圍：單極性05V;不必進行零點和滿刻度調(diào)整

47、；功耗為15MwADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個 8位-19-A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.5所示IN0NIN2IN3IN4IN5IN6IN7ABCALE8 路擬開關(guān)STCLK地址 鎖# 4譯 碼8三態(tài)輸D出轉(zhuǎn)鎖換存器器A八VREF(+) VREF(-)0EIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7圖2.5 ADC0809轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部機構(gòu)框圖2.3.4 ADC0809管腳功能及定義ADC0809莫數(shù)轉(zhuǎn)換器的管腳定義如圖2.6所示14IN-3 DH IN-5 IN-6 IN-7 START EOC D3 0E CLOCK Ucc r

48、ef (+) GND 01IN-2DH INO28ADCS0915圖2.6 ADC0809管腳結(jié)構(gòu)圖 IN0IN7:8通道模擬量輸入。 ADDA ADDS ADDC: A B、C為地址輸入線，用于選通工 IN0 IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如表 2-3所示。 ALE:地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當 ALE線為高電平時， 地址鎖存與譯碼器將 A B、C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼 后被選中通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。 D0-D7: 8位輸出數(shù)據(jù)線（三態(tài)），A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果由這8根線傳送給 單片機。 OE允許輸出信號。當OE=1時，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；當 OE=0 時，輸出數(shù)據(jù)

49、線呈高阻狀態(tài)。START轉(zhuǎn)換啟動信號。START為正脈沖，其上跳沿所有內(nèi)部寄存 器清零；下跳沿時，開始進行 A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，START應保持低電平。 EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則， 表明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。 CLK:時鐘輸入信號。因ADC080啲內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘 信號必須由外界提供，頻率范圍為 10KHl 1.2MHz典型值為640KHZ表2.3通道的選擇表CBA選擇的通道000IN0 :001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN72.3.5 ADC0809與 8031 的接口電路ADC0809有 8個通道

50、的模擬量輸入，在程序控制下，可令任意通道 進行A/D轉(zhuǎn)換并可得到相應的8位二進制數(shù)字量。2.4軟件系統(tǒng)的初始化程序系統(tǒng)初始化程序是為了在進入主程序循環(huán)之前，做好必要的準備工 作，包括如下內(nèi)容：1. 停止X25043內(nèi)部的看門狗。2. 設定X25043內(nèi)部WDT為定時器模式，定時為0.25秒，并允許 內(nèi)部WDT中斷。3. 設定UO端口狀態(tài)，全部設定為輸入狀態(tài)，降低功耗。4. 初始化E2PROM設定位于E2PROM內(nèi)的看門狗定時為1.4s。5. 從護WPROM讀入校準數(shù)據(jù)，將校準數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存。6. 啟動位于UPRON內(nèi)的看門狗。7. 將WPRO啲片選端CS置為1,使WPROMS入待機模式，以降 低

51、功耗空調(diào)機的溫度控制系統(tǒng)8. 設定校準按鍵為中斷允許狀態(tài)。9. 總中斷允許設為1。10. 示模塊開始。11. PID參數(shù)初始化。12. PWM參數(shù)初始化。2.5軟件程序的主循環(huán)框架程序的主循環(huán)框架如圖2.7，在系統(tǒng)進行一系列的準備工作即初始 化之后，程序就主循環(huán)，主循環(huán)的工作是進行采樣時間控制、控制測量 過程、LED顯示循環(huán)、按鍵并且處理、數(shù)據(jù)查表處理、線性插值、數(shù)據(jù) 顯示，然后周而復始地進行主循環(huán)程序。在主程序循環(huán)的過程中隨時響 應按鍵中斷，進入校準程序。-21-主程牌術(shù)環(huán)正常狀褂1TV正常V. d進入檢準狀態(tài)V送LED顯示數(shù)按鍵去抖動劉粉宿A/D采樣判斷按鍵數(shù)據(jù)處理對蔘數(shù)迥仃相應設置操作嗎

52、入EPROM?WV1擰制作為線忤調(diào)樂的最值校準完畢T L U卞程序下次循壞圖2.7主程序邏輯圖-23-空調(diào)機的溫度控制系統(tǒng)設計MOV DPTR, #PORT ;MOV A, #03H;MOVXDPTR, A ;MOV 50H, #19H;MOV R0 , #30H;MOV A, #00HMLO:MOVRO, AINC RO主程序:ORG 0000HAJMP MAINORG 0100HAD0 EQU 7FF8HPORT EQU 4100HPORTA EQU 4101HPORTB EQU 4102HPORTC EQU 4103HMAIN:MOV SP , #60H設置堆棧8155 初始化8155A

53、 口、B 口為輸出，C 口為輸入方式溫度設定值存于50H單元，設定值為25顯示緩沖區(qū)30H到37H清0CJNE RO #38H, ML0ML1:ACALL KEY-25-CJNE 52H, #0EH, ML?如果是A/D轉(zhuǎn)換鍵，則進行A/D轉(zhuǎn)換ACALLADACALL FILTACALL FUZZYACALL DIRML2:ACALL T10等待采樣時間AJMP ML12.6校準程序正常情況下數(shù)字溫度表運行在測量顯示狀態(tài)下，校準的啟動是通過 響應按SET鍵長按2s的方式來實現(xiàn)的，本次設計選擇P2.7為進入校準 狀態(tài)的按鍵輸入端。校準程序入口也就是設在單獨的子程序中， 進入子 程序后，進行如下操作：1. 按鍵去抖動、干擾檢查。進入循環(huán)活動狀態(tài)。2. 判斷是否己經(jīng)在校準狀態(tài)，如果已經(jīng)在校準狀態(tài)，則表示是在校 準中途按下SET鍵，表示放棄校準，此時不保存校準數(shù)據(jù)到 E2PROM 直接復位系統(tǒng)，進入正常測量顯示狀態(tài)。3. 進入逐點校準循環(huán)。4. LED 顯示。5. 掃描按鍵KYE NXE是否按下。6. 調(diào)入校準點數(shù)據(jù)。7. LED 顯示進入校準標準點狀態(tài)。8. 掃描按鍵KEY NETX1否按下。9. 判斷E2PROM6與現(xiàn)有輸入