空調(diào)溫度控制課程設(shè)計(jì)說明

1、目錄1緒論22溫度控制系統(tǒng)簡介32.1系統(tǒng)組成32.2系統(tǒng)方塊圖32.3溫度控制系統(tǒng)原理圖43硬件電路的設(shè)計(jì)43.1 80C51單片機(jī)及其最小系統(tǒng)43.2溫度檢測與信號放大電路53.3A/D轉(zhuǎn)換模塊83.4鍵盤電路93.5數(shù)碼管顯示電路103.6壓縮機(jī)控制驅(qū)動電路103.7系統(tǒng)總電路原理圖114軟件設(shè)計(jì)124.1系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)134.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖144.3 LED顯示流程圖144.5數(shù)字控制算法流程圖15總結(jié)與體會17參考文獻(xiàn)181 緒論空調(diào)即空氣調(diào)節(jié)（airconditioning），是指用人工手段，對建筑/構(gòu)筑物內(nèi)環(huán)境空氣的溫度、濕度、潔凈度、速度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制的過程。

2、一般包括冷源/熱源設(shè)備，冷熱介質(zhì)輸配系統(tǒng)，末端裝置等幾大部分和其他輔助設(shè)備。主要包括水泵、風(fēng)機(jī)和管路系統(tǒng)。末端裝置則負(fù)責(zé)利用輸配來的冷熱量，具體處理空氣，使目標(biāo)環(huán)境的空氣參數(shù)達(dá)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(yīng)來實(shí)現(xiàn)制冷的。液體汽化形成蒸汽。當(dāng)液體（制冷工質(zhì)）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(dá)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)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

3、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(jìn)行，就必須從容器中不斷地抽走蒸汽，并使其凝結(jié)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(zhì)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(jìn)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(zhì)將在低溫、低壓下蒸發(fā)，產(chǎn)生冷效應(yīng)；并在常溫、高壓下冷凝，向周圍環(huán)境或冷卻介質(zhì)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(jìn)入容器。壓縮機(jī)吸入低壓氣體經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮變成高溫高壓氣體，高溫氣體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(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行蒸

4、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(jī)器的型號結(jié)構(gòu)也不同,常用的有風(fēng)冷和地源。）液體經(jīng)過蒸發(fā)器后變成低壓低溫氣體，低溫氣體再次被圖2-1系統(tǒng)方塊圖壓縮機(jī)吸入進(jìn)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(jī) 80C51、溫度檢測電路、鍵盤電路、顯示電路、A/D 轉(zhuǎn)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(diào)工作實(shí)現(xiàn)房間溫度的自動控制。大致過程如下：熱電偶測溫并轉(zhuǎn)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 專換成數(shù)字信號并將數(shù)字信號輸入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后通過數(shù)碼管顯示，同時將測定溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，并計(jì)算出控制量控

5、制繼電器工作，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的制冷與加熱功能，實(shí)現(xiàn)對溫度控制。本系統(tǒng)對丁獨(dú)立式鍵盤設(shè)定的溫度也進(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié)控制。如圖2-1 所示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(jì)算機(jī)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 2-2圖2-2溫度控制系統(tǒng)原理圖3 硬件電路的設(shè)計(jì)硬件電路由 80C51 單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度檢測電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、鍵盤電路、數(shù)碼管顯示電路、繼電器及壓縮機(jī)執(zhí)行電路等組成。正是由丁這些電

6、路模塊的協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)才能完成它的溫度自動控制。3.180C51單片機(jī)及其最小系統(tǒng)80C51 單片機(jī)屆丁 MCS-51 系列單片機(jī)，由 Intel 公司開發(fā)，其結(jié)構(gòu)是 8048 的延伸，改進(jìn)了 8048 的缺點(diǎn)，增加了如乘、除、減、比較、16 位數(shù)據(jù)指針、布爾代數(shù)運(yùn)算等指令，以及申行通信能力和五個中斷源。80C51 采用 40 引腳雙列直插式 DIP，內(nèi)有 128 個 RA元以及 4K 的 ROM80C51 有兩個十六位定時計(jì)數(shù)器，兩個外中斷，兩個定時計(jì)數(shù)中斷，及一個申行中斷，并有 4 個 8 位并行輸入口。(1)80C51 管腳介紹如下：1) XTAL1XTAL2-晶體振蕩電路反相輸入端和輸

7、出端。2) ALE/PRO 視址鎖存允許/片內(nèi) EPROMfi 程脈沖。3) ALE 功能：用來鎖存 P0 口送出的低 8 位地址表3-1K型熱電偶分度表4)PSEN 夕卜 ROMS 選通信號。5)RST/VPD 復(fù)位/備用電源。6)RST(Reset)功能：復(fù)位信號輸入端。7)EA 功能：內(nèi)外 RO 誕擇端。8)80C51 共有 4 個 8 位并行 I/O 端口：PCXP1、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,P3 口還具有第二功能，用丁特殊信號輸入輸出和控制信號(屆控制總線)。(2)單片機(jī)最小系統(tǒng)如

8、圖 3-1 所示1) 晶振電路。單片機(jī)內(nèi)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(jī)的工作速度也就不同。本次選用 6MHz 的晶振。所以一個機(jī)器周期為 2 微秒。構(gòu)成晶振電路還需要電容，對電容值無嚴(yán)格要求，可取 20100PF,這里使用30PF 的電容。2) 復(fù)位電路。復(fù)位電路，對單片機(jī)來說是必不可少的。當(dāng)進(jìn)行復(fù)位操作時，單片機(jī)內(nèi)部各寄存器以及各功能部件便恢復(fù)到初始狀態(tài)。 單片機(jī)工作后， 只要在它的復(fù)位端加上一定時間的局電平，單片機(jī)就可以有效的復(fù)位。51 單片機(jī)通常采用上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。這里采用按鈕復(fù)位方式進(jìn)行復(fù)位。3)外接上拉電阻。為了使單片機(jī)輸出的高電平信號

9、不至丁過低，所以接上拉電阻使其為+5V。80C51圖3-1單片機(jī)最小系統(tǒng)0 口C2X16MHz191829ALE3031RP1U1XTAL1XTAL2RSTPSENR14.7kALEEAC31uFP2.6/A14P2.7/A15R24.7kp1.01p1.12p1.23p1.34P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD397P0.0238 P0.1337 P0.2436 P0.3535 P0.4634 P0.5733 P0.6832 P0.7921

10、P2.0922P2.18237246_25KEY1526KEY2427KEY3 3RESPACK-8RP2RESPACK-81314INT1151617C130PF30PF1P0.6/AD6P0.7/AD7P2.4/A12P2.5/A132821P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P2.2/A10P2.3/A11P2.0/A8P2.1/A9101112INT03.2溫度檢測與信號放大電路3.2.1K 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(diào)節(jié)器配套使用。K 型熱電偶可以直接測量各種

11、生產(chǎn)中從 0C 到 1300C 范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)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(qiáng)，價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用丁氧化性惰性氣余中。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銳銘-銳硅合金構(gòu)成，正極（KP）的名義化學(xué)成分為：Ni:Cr=90:10,負(fù)極（KN）的名義化學(xué)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。由丁銳銘-銳硅合金具有較好的高溫抗氧化性，可適用丁氧化性或中性介質(zhì)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

12、。K 型熱電偶不能直接在高溫下用丁硫，還原性或還原，氧化交替的氣余中和真空中，也不推薦用丁弱氧化氣余。熱電偶傳感器是利用塞貝克（Seeback）效應(yīng)（第一熱電效應(yīng)）來檢測溫度的。塞貝克效應(yīng)， 是指由丁兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)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(dǎo)體的接觸電勢（珀?duì)柼妱荩┖蛦我粚?dǎo)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：EABT-EABT0=k2-1T）一T010NY熱電偶回路溫差電勢為：EABT,T0=Tl口A-BdT（2-2）對丁勻質(zhì)導(dǎo)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：EABT,T。

13、=EABT-0A；BdT式中 E 一電動勢；T 一接觸處絕對溫度；k波爾茲曼常數(shù)，為；e 一電子電荷數(shù)；NA、N4 金屆 A、B 的自由電子密度；、AB 導(dǎo)體的湯姆遜系數(shù)。3.2.2K 型熱電偶分度表如表 3-1 所小。表3-1K型熱電偶分度表由丁空調(diào)是用來調(diào)節(jié)房間溫度的，所以溫度肯定小丁 90C,所以熱電偶的輸出電壓在0-4uV以內(nèi)。溫度測量電路如圖 3-2。TC1TCKCJ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(wù)是將小信號放大到 A/D 轉(zhuǎn)換器的量程范圍內(nèi)（如 0-5V）本設(shè)計(jì)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。100

14、4.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.737102030405060708090熱電動勢mV0.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.681-Vin圖3-3信號放大電路3.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊(1)ADC080 源列包括 ADC080 辟日 ADC080 酒種型號的芯片。ADC0808WADC0809 兩種芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管腳分布都是一樣的，在 Protues 軟件中有ADC080 咐片，所以在電路圖中應(yīng)用的是 ADC0808S 行的設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)將其換成ADC0809(2)ADC0

15、80 丸 8 位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器。 它由一個 8 路模擬開關(guān)、一個地址鎖存譯碼器、一個 A/D 轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)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(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 三態(tài)輸出鎖器用丁鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量， 當(dāng) OE 端為高電平時， 才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)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 0-5V,若信號太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。(3)管腳的功能1)ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng) ALE

16、 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(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A,B 和 C 為地址輸入線，用丁選通 IN0IN7 上的一路模擬量輸入。2)START%轉(zhuǎn)換啟動信號。當(dāng) STAR跳沿時，所有內(nèi)部寄存器活零；下跳沿時，開始進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，STARTS 保持低電平。3) EO0 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。 當(dāng) EOC高電平時， 表明轉(zhuǎn)換結(jié)束； 否則， 表明正在進(jìn) A/D轉(zhuǎn)換。4) OE 為輸出允許信號，用丁控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE1,輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；。日 0,輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。5) D7-D0 為數(shù)

17、字量輸出線。6) CLK 為時鐘輸入信號線。因 ADC0809 勺內(nèi)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(jī)的 ALE 信號進(jìn)行二分頻后的信號彳為 CLK 信號。7) VREF(+),VREF(-)為參考電壓輸入。(4)本設(shè)計(jì)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。CLOC 廉口需要輸入 0.5MHz 的時鐘信號，所以可以將單片機(jī)的時鐘信號經(jīng)過定時器計(jì)算后輸出。STAR 神 ALE 端都由 P3.6 端口輸出信號來驅(qū)動，當(dāng)轉(zhuǎn)換完之后 EOC口輸出信號從 P3.2 口輸入讓單片機(jī)進(jìn)入一個

18、中斷程序然后由 P3.7 口輸出信號給 OE 端使 ADC0808 俞出數(shù)字信號。A/D 轉(zhuǎn)換模塊電路圖如圖圖 3-4 所示U574LS02圖3-4A/D轉(zhuǎn)換電路圖3.4鍵盤電路溫度控制電路的溫度設(shè)定值是通過鍵盤電路輸入的，設(shè)定溫度將在設(shè)定顯示ALEDCLKDTFFU4IN02627281234IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6252423START22ADDAADDBADDCALE1216VREF(+)VREF(-)OE67STARTINT121P0f20P0*19P0.218P0.38P0*515P014P0*617PE94_fADC080810EOCCLOCKSTARTOUT1O

19、UT2OUT3OUT4OUT5U6:A74LS02電路中顯示。按下“設(shè)置”進(jìn)行溫度的設(shè)置，從個位開始設(shè)置溫度，設(shè)定時該位數(shù)字閃爍點(diǎn)亮，表示該位處丁設(shè)置狀態(tài)。該位設(shè)置好之后通過“移位”按鈕設(shè)置下一位。都設(shè)置完后按下“確定”按鈕，將測溫度數(shù)據(jù)保存在單片機(jī)中作為設(shè)定溫度與測量溫度進(jìn)行比較，計(jì)算出調(diào)節(jié)信號。本電路用的是 3 大 2 鍵盤，通過單片機(jī)的 I/O 端口的輸入輸出來進(jìn)行判斷是哪個鍵按下。比如當(dāng) P2.0-P2.2 端口都給出低電平，若兩列中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(zhuǎn)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

20、路圖如圖 3-5 所示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(shè)定溫度和測量溫度。將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成七段顯示碼通過編程來實(shí)現(xiàn)。具體電路圖如圖 3-6 所示設(shè)定值顯示圖3-5鍵盤電路、一加度溫圖3-6顯示電路此電路用動態(tài)掃描方式進(jìn)行工作，數(shù)據(jù)端由數(shù)據(jù)口循環(huán)輸出。控制端由單片機(jī)的三個I/O 口進(jìn)行控制。3.6壓縮機(jī)控制驅(qū)動電路經(jīng)過單片機(jī)這個控制器處理之后，使控制驅(qū)動電路的控制信號的有效，進(jìn)而控制繼電器的開斷來控制壓縮機(jī)的兩種工作狀態(tài)，來控制溫度。電路圖中用兩個模塊來代替壓縮機(jī)的制冷和制熱部分。電路圖如圖 3-7 所示圖3-7壓縮機(jī)控制驅(qū)動電路3.7系統(tǒng)總電路原理圖何口口口口口口口口口

21、-U-U=d0nnp不 5S刊=3-S-NUS-N.5S-NswluSAWu.inxlpIJHlnuuuiiw313pLlSTKPu!.珥一.=:.-uFu.w-耳LK：SR密35*H*段(HsSVHq融Fq-rsnf至“T&TU圖3-8系統(tǒng)總電路原理圖UAmFEOS5KSTATBQ*m03*Kd|匚EE備罪.反hpesihole4 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)包括主程序、A/D 轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)圖4-1系統(tǒng)流程圖這里用設(shè)定溫度計(jì)算出的上下限是離設(shè)定溫度比較近的兩個值，如說上下相差 2 度。對丁三種加熱模式是

22、指雙向可控硅在一個周期內(nèi)導(dǎo)通的時間的長短，比如說當(dāng)溫度相差 20 到 10 度時進(jìn)行全速加熱， 當(dāng)溫度相差加熱， 當(dāng)溫度相差 5 到 0 度之間時進(jìn)行微加熱。4.2A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖圖4-2A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖4.3 LED顯示流程圖設(shè)計(jì)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10 到 5 度時進(jìn)行半速已。所以在進(jìn)行流程圖的繪制時只需要繪制一個就可以了。由丁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(fù)雜一些。圖4-3LED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(jìn)行控制，并且數(shù)字 PID 控制算是采用位置算式進(jìn)行計(jì)算。圖4-

23、4數(shù)字控制算法流程圖初始化控制步數(shù)、采樣點(diǎn)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(diǎn)化求ek=start-inputfuk=KP*ek+KI*ek2+KD*(ek-ek1)輸出ek1=ekek2=ek2+ek畫被控對象第J點(diǎn)輸出inputf總結(jié)與體會說長不長，說短也不短，為期三個禮拜的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了。給我的感覺是學(xué)習(xí)了一段時間之后的知識，當(dāng)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(shè)計(jì)就是要用上學(xué)期學(xué)過的單片機(jī)知識以及大二時學(xué)的數(shù)電，模電及自動原理知識來完成。本次課程設(shè)計(jì)， 可以說我還是很認(rèn)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(shí)現(xiàn)方式。再結(jié)合自己學(xué)的知識，完成了這次課程設(shè)計(jì)，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(gòu)成，這是一個很考驗(yàn)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(diào)工作。最后就是撰寫報(bào)告這一塊了，對于 WOR 排版是一個考驗(yàn)。還好最后都過來了。對于學(xué)過的課程，先說一下單片機(jī)這門課吧。當(dāng)時學(xué)的的確不好，所以現(xiàn)在以它為基礎(chǔ)來做課程設(shè)計(jì)還是挺有難度的。首先溫度控制系統(tǒng)要用到 80C