空調溫度控制課程設計

1、電子工程學院專業(yè)綜合課程設計目 錄1 緒 論32 溫度控制系統(tǒng)簡介42.1系統(tǒng)組成42.2系統(tǒng)方塊圖42.3溫度控制系統(tǒng)原理圖43 硬件電路的設計53.1 80C51單片機及其最小系統(tǒng)53.2 溫度檢測與信號放大電路63.3 A/D轉換模塊83.4 鍵盤電路103.5 數(shù)碼管顯示電路113.6 壓縮機控制驅動電路113.7系統(tǒng)總電路原理圖124 軟件設計134.1系統(tǒng)流程圖設計134.2 A/D轉換子程序流程圖144.3 LED顯示流程圖154.5 數(shù)字控制算法流程圖15總結與體會17參考文獻181 緒 論空調即空氣調節(jié)（air conditioning），是指用人工手段，對建筑/構筑物內環(huán)境

2、空氣的溫度、濕度、潔凈度、速度等參數(shù)進行調節(jié)和控制的過程。一般包括冷源/熱源設備，冷熱介質輸配系統(tǒng)，末端裝置等幾大部分和其他輔助設備。主要包括水泵、風機和管路系統(tǒng)。末端裝置則負責利用輸配來的冷熱量，具體處理空氣，使目標環(huán)境的空氣參數(shù)達到要求。 液體汽化制冷是利用液體汽化時的吸熱、冷凝時的放熱效應來實現(xiàn)制冷的。液體汽化形成蒸汽。當液體（制冷工質）處在密閉的容器中時，此容器中除了液體及液體本身所產(chǎn)生的蒸汽外，不存在其他任何氣體，液體和蒸汽將在某一壓力下達到平衡，此時的汽體稱為飽和蒸汽，壓力稱為飽和壓力，溫度稱為飽和溫度。平衡時液體不再汽化，這時如果將一部分蒸汽從容器中抽走，液體必然要繼續(xù)

3、汽化產(chǎn)生一部分蒸汽來維持這一平衡。 液體汽化時要吸收熱量，此熱量稱為汽化潛熱。汽化潛熱來自被冷卻對象，使被冷卻對象變冷。為了使這一過程連續(xù)進行，就必須從容器中不斷地抽走蒸汽，并使其凝結成液體后再回到容器中去。從容器中抽出的蒸汽如直接冷凝成蒸汽，則所需冷卻介質的溫度比液體的蒸發(fā)溫度還要低，我們希望蒸汽的冷凝是在常溫下進行，因此需要將蒸汽的壓力提高到常溫下的飽和壓力。制冷工質將在低溫、低壓下蒸發(fā)，產(chǎn)生冷效應；并在常溫、高壓下冷凝，向周圍環(huán)境或冷卻介質放出熱量。蒸汽在常溫、高壓下冷凝后變?yōu)楦邏阂后w，還需要將其壓力降低到蒸發(fā)壓力后才能進入容器。壓縮機吸入低壓氣體經(jīng)過壓縮機壓縮變成高溫高壓氣體，高溫氣體

4、通過換熱器把水溫提高，同時高溫氣體會冷凝變成液體。液體在進入蒸發(fā)器進行蒸發(fā)，（蒸發(fā)器蒸發(fā)的同時也要有換熱媒體，根據(jù)換熱的媒體不同機器的型號結構也不同，常用的有風冷和地源。）液體經(jīng)過蒸發(fā)器后變成低壓低溫氣體，低溫氣體再次被壓縮機吸入進行壓縮。2 溫度控制系統(tǒng)簡介2.1系統(tǒng)組成本系統(tǒng)由單片機80C51、溫度檢測電路、鍵盤電路、顯示電路、A/D轉換電路、執(zhí)行電路等部分組成。系統(tǒng)通過這幾個部分的協(xié)調工作實現(xiàn)房間溫度的自動控制。大致過程如下：熱電偶測溫并轉換成電壓信號，電壓信號由放大電路放大成0-5v信號，再由ADC0808轉換成數(shù)字信號并將數(shù)字信號輸入單片機，單片機進行數(shù)據(jù)處理后通過數(shù)碼管顯示，同時將

5、測定溫度與設定溫度進行比較，并計算出控制量控制繼電器工作，實現(xiàn)壓縮機的制冷與加熱功能，實現(xiàn)對溫度控制。本系統(tǒng)對于獨立式鍵盤設定的溫度也進行了顯示。2.2系統(tǒng)方塊圖系統(tǒng)總方塊圖比較簡單，就是一個單閉環(huán)回路。通過單回路對溫度進行調節(jié)控制。如圖2-1所示溫度給定值80C51構成的控制器溫度測量執(zhí)行器被控對象A/D轉換圖2-1系統(tǒng)方塊圖2.3溫度控制系統(tǒng)原理圖首先我們可以從大體上分析一下系統(tǒng)的控制原理，根據(jù)系統(tǒng)的方塊圖，聯(lián)系計算機控制的知識，就可以分析出完成這個控制系統(tǒng)需要的模塊。然后將這些模塊通過一定的邏輯聯(lián)系組合起來。具體圖如圖2-280C51單片機溫度檢測電路A/D轉換電路制 冷驅 動設定與測量

6、顯示電路鍵盤電路房 間 制 熱驅 動壓 縮 機圖2-2溫度控制系統(tǒng)原理圖3 硬件電路的設計硬件電路由80C51單片機最小系統(tǒng)、溫度檢測電路、A/D轉換電路、鍵盤電路、數(shù)碼管顯示電路、繼電器及壓縮機執(zhí)行電路等組成。正是由于這些電路模塊的協(xié)調工作，系統(tǒng)才能完成它的溫度自動控制。3.1 80C51單片機及其最小系統(tǒng)80C51單片機屬于MCS-51系列單片機，由Intel公司開發(fā)，其結構是8048的延伸，改進了8048的缺點，增加了如乘除減比較16位數(shù)據(jù)指針布爾代數(shù)運算等指令，以及串行通信能力和五個中斷源。80C51采用40引腳雙列直插式DIP，內有128個RAM單元以及4K的ROM，80C51有兩個

7、十六位定時計數(shù)器，兩個外中斷，兩個定時計數(shù)中斷，及一個串行中斷，并有4個8位并行輸入口。（1）80C51管腳介紹如下：1）XTAL1、XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。2）ALE/PROG:地址鎖存允許/片內EPROM編程脈沖。3）ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址4）PSEN:外ROM讀選通信號。 5）RST/VPD:復位/備用電源。6）RST（Reset）功能：復位信號輸入端。7）EA功能：內外ROM選擇端。8）80C51共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳，都可以做普通I/O口，P0還可以做數(shù)據(jù)口和地址第八位輸出口，P2還可以做地址高八位口

8、，P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。（2）單片機最小系統(tǒng) 如圖3-1所示1）晶振電路。單片機內部有振蕩電路，但要形成時鐘，外部還須加電路。晶振的頻率不同，單片機的工作速度也就不同。本次選用6MHz的晶振。所以一個機器周期為2微秒。構成晶振電路還需要電容，對電容值無嚴格要求，可取20100PF，這里使用30PF的電容。2）復位電路。復位電路對單片機來說是必不可少的。當進行復位操作時，單片機內部各寄存器以及各功能部件便恢復到初始狀態(tài)。單片機工作后，只要在它的復位端加上一定時間的高電平，單片機就可以有效的復位。51單片機通常采用上電復位和按鈕復位兩種方式。這里采用按

9、鈕復位方式進行復位。3）外接上拉電阻。為了使單片機輸出的高電平信號不至于過低，所以接上拉電阻使其為+5V。圖3-1單片機最小系統(tǒng)3.2 溫度檢測與信號放大電路3.2.1 K型熱電偶溫度傳感器K型熱電偶作為一種溫度傳感器，K型熱電偶通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調節(jié)器配套使用。K型熱電偶可以直接測量各種生產(chǎn)中從0到1300范圍的液體蒸汽和氣體介質以及固體的表面溫度。K型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優(yōu)點，能用于氧化性惰性氣氛中。因此選用K型熱電偶作為本溫度控制系統(tǒng)的溫度傳感器。K型熱電偶的材料主要采用的是鎳鉻-鎳硅合金構成，正極(KP)的

10、名義化學成分為：Ni：Cr=90：10，負極(KN)的名義化學成分為：Ni：Si=97：3，它是一種能測量較高溫度的性價比很高的熱電偶。由于鎳鉻-鎳硅合金具有較好的高溫抗氧化性，可適用于氧化性或中性介質中。因此這種K型熱電偶可長期測量1000度的高溫，短期可測到1200度。K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛。熱電偶傳感器是利用塞貝克（Seeback）效應（第一熱電效應）來檢測溫度的。塞貝克效應，是指由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現(xiàn)象。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢（溫差電勢）是由兩種導體的接觸電勢（珀爾帖電勢

11、）和單一導體的溫差電勢（湯姆遜電勢）組成的。熱電偶回路總接觸電勢為： (2-1)熱電偶回路溫差電勢為：(2-2) 對于勻質導體A、B組成的熱電偶，其總電勢為接觸電勢與溫差電勢之和，為： (2-3)式中 E電動勢； T接觸處絕對溫度； k波爾茲曼常數(shù)，為 ； e電子電荷數(shù)； NA、NB金屬A、B的自由電子密度； 、 A、B導體的湯姆遜系數(shù)。3.2.2 K型熱電偶分度表如表3-1所示。表3-1 K型熱電偶分度表溫度0102030405060708090熱電動勢mV00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.91

12、95.3275.7336.1376.5396.9397.3387.737由于空調是用來調節(jié)房間溫度的，所以溫度肯定小于90，所以熱電偶的輸出電壓在0-4uV以內。溫度測量電路如圖3-2。 圖 3-2 溫度測量電路3.2.3信號放大電路前置放大電路的任務是將小信號放大到A/D轉換器的量程范圍內（如0-5V）。本設計采用的是固定增益放大電路。將0-4uV的電壓放大到0-5V。具體電路圖如圖3-3。圖3-3信號放大電路3.3 A/D轉換模塊（1）ADC0808系列包括ADC0808和ADC0809兩種型號的芯片。ADC0808和ADC0809兩種芯片的內部結構和管腳分布都是一樣的，在Protues軟

13、件中有ADC0808芯片，所以在電路圖中應用的是ADC0808進行的設計，在實際應用中應將其換成ADC0809。（2）ADC0809是8 位逐次逼近型A/D轉換器。它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D 轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8 路模擬量分時輸入，共用A/D 轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D 轉換完的數(shù)字量，當OE 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數(shù)據(jù)。ADC0809 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增

14、加采樣保持電路。（3）管腳的功能1）ALE 為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)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉換器進行轉換。A，B 和C 為地址輸入線，用于選通IN0IN7 上的一路模擬量輸入。2）START為轉換啟動信號。當START上跳沿時，所有內部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D 轉換；在轉換期間，START應保持低電平。3）EOC為轉換結束信號。當EOC為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在進A/D轉換。4）OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉換得到

15、的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。5）D7D0 為數(shù)字量輸出線。6）CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ。此處是將單片機的ALE信號進行二分頻后的信號作為CLK信號。7）VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。（4）本設計中只需要一個模擬輸入口所以只要將A、B、C三個地址端口都接低電平就能表示從IN0口輸入模擬量。CLOCK端口需要輸入0.5MHz的時鐘信號，所以可以將單片機的時鐘信號經(jīng)過定時器計算后輸出。START和ALE端都由P3.6端口輸出信號來驅動，當轉換完之后EOC端口輸出信號從P3.2口輸入讓單片機

16、進入一個中斷程序然后由P3.7口輸出信號給OE端使ADC0808輸出數(shù)字信號。A/D轉換模塊電路圖如圖圖3-4所示圖3-4 A/D轉換電路圖3.4 鍵盤電路溫度控制電路的溫度設定值是通過鍵盤電路輸入的，設定溫度將在設定顯示電路中顯示。按下“設置”進行溫度的設置，從個位開始設置溫度，設定時該位數(shù)字閃爍點亮，表示該位處于設置狀態(tài)。該位設置好之后通過“移位”按鈕設置下一位。都設置完后按下“確定”按鈕，將測溫度數(shù)據(jù)保存在單片機中作為設定溫度與測量溫度進行比較，計算出調節(jié)信號。本電路用的是32鍵盤，通過單片機的I/O端口的輸入輸出來進行判斷是哪個鍵按下。比如當P2.0-P2.2端口都給出低電平，若兩列中

17、的有一列輸出為低電平則表示該列有按鍵按下。再通過依次變換行中的任意一行使其為高電平，若列中的信號轉變則表示該行有按鍵按下。就這樣就可以確定是哪個鍵按下。電路圖如圖3-5所示圖3-5鍵盤電路3.5 數(shù)碼管顯示電路一共用4個共陽極數(shù)碼管分別來顯示設定溫度和測量溫度。將二進制數(shù)轉換成七段顯示碼通過編程來實現(xiàn)。具體電路圖如圖3-6所示圖3-6顯示電路此電路用動態(tài)掃描方式進行工作，數(shù)據(jù)端由數(shù)據(jù)口循環(huán)輸出?？刂贫擞蓡纹瑱C的三個I/O口進行控制。3.6 壓縮機控制驅動電路經(jīng)過單片機這個控制器處理之后，使控制驅動電路的控制信號的有效，進而控制繼電器的開斷來控制壓縮機的兩種工作狀態(tài)，來控制溫度。電路圖中用兩個模

18、塊來代替壓縮機的制冷和制熱部分。電路圖如圖3-7所示圖3-7壓縮機控制驅動電路3.7系統(tǒng)總電路原理圖圖3-8系統(tǒng)總電路原理圖4 軟件設計軟件設計包括主程序、A/D轉換模塊子程序、LED顯示子程序以及控制器算法程序。以下分別列出了這些程序的流程圖。4.1系統(tǒng)流程圖設計系統(tǒng)初始化設置鍵盤設定溫度設定溫度顯示溫度測量與顯示溫度小于設定度？溫度大于設定溫度？使制冷裝置工作使制熱裝置工作YNY開始結束圖4-1系統(tǒng)流程圖這里用設定溫度計算出的上下限是離設定溫度比較近的兩個值，如說上下相差2度。對于三種加熱模式是指雙向可控硅在一個周期內導通的時間的長短，比如說當溫度相差20到10度時進行全速加熱，當溫度相差

19、10到5度時進行半速加熱，當溫度相差5到0度之間時進行微加熱。4.2 A/D轉換子程序流程圖設置數(shù)據(jù)段可轉換信號送START端口和地址鎖存端口開始啟動A/D轉換讀取EOC端口狀態(tài)信息轉換是否結束？讀取轉換后的數(shù)據(jù)并返回NY圖4-2 A/D轉換子程序流程圖4.3 LED顯示流程圖設計中雖然有兩個顯示電路但是功能都是一樣的，只是輸入的數(shù)據(jù)不同而已。所以在進行流程圖的繪制時只需要繪制一個就可以了。由于顯示電路用的是動態(tài)顯示電路，在硬件上簡化了，但是在軟件上就得做的復雜一些。地址指針設置將第一個數(shù)碼管要顯示的數(shù)據(jù)用軟件法轉化為段顯碼碼段顯碼送到單片機的數(shù)據(jù)口P0相應的位顯示信號給到第一個數(shù)碼管公共端控

20、制相應數(shù)碼管亮起通過延時程序延時移位下一個地址控制下一數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)三個數(shù)碼管都顯示一次數(shù)據(jù)完成按第一個數(shù)碼管的顯示方式使第二和第三個依次顯示更新要顯示的數(shù)據(jù)圖4-3 LED顯示流程圖4.5 數(shù)字控制算法流程圖本控制器采用PID控制器進行控制，并且數(shù)字PID控制算是采用位置算式進行計算。初始化控制步數(shù)、采樣點數(shù)Point初試化ek,ek1,ek2,uk,求q0,q1,q2初試化系統(tǒng)，輸出希望值start畫希望值曲線采集硬件被控對象的輸出inputfInputf浮點化求ek=start-inputf uk=KP*ek+KI*ek2+KD*(ek-ek1)輸出ek1=ek ek2=ek2+ek畫被

21、控對象第J點輸出inputfJ=J+1J<point結束圖4-4數(shù)字控制算法流程圖總結與體會說長不長，說短也不短，為期三個禮拜的課程設計結束了。給我的感覺是學習了一段時間之后的知識，當你再來用它時，會感覺很不順暢。問什么，什么不知道。用什么，什么不記得。這次課程設計就是要用上學期學過的單片機知識以及大二時學的數(shù)電，模電及自動原理知識來完成。本次課程設計，可以說我還是很認真的對待的。首先查閱資料這一塊就花了很大的功夫，從資料中了解溫度控制系統(tǒng)的大概組成以及每一個模塊的作用，還有分析不同作者對此系統(tǒng)的不同的實現(xiàn)方式。再結合自己學的知識，完成了這次課程設計，總的看來收獲還是不小的。其次就是系統(tǒng)性的分析系統(tǒng)功能及構成，這是一個很考驗人綜合能力的一塊，它要求你合理分配每一個部分，還要讓這些部分協(xié)調工作。最后就是撰寫報告這一塊了， 對于WORD排版是一個考驗。還好最后都過來了。對于學過的課程，先說一下單片機這門課吧。當時學的的確不好，所以現(xiàn)在以它為基礎來做課程設計還是挺有難度的。首先溫度控制系統(tǒng)要用到80C51單片機，我就得從新翻開書本，憑自己的記憶去學習它的管腳分布及管腳功能。這是一個難點，因為