基于單片機和DS18B20的空調(diào)溫控系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、 PAGE24 / NUMPAGES25目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc263624926 第一章緒論 PAGEREF _Toc263624926 h 1 HYPERLINK l _Toc263624927 1.1 課題研究背景 PAGEREF _Toc263624927 h 1 HYPERLINK l _Toc263624928 1.1.1 空調(diào)的工作原理 PAGEREF _Toc263624928 h 1 HYPERLINK l _Toc263624929 1.1.2 空調(diào)的功能 PAGEREF _Toc263624929 h 1 HYPERLINK

2、l _Toc263624930 1.2 控制技術(shù)介紹 PAGEREF _Toc263624930 h 2 HYPERLINK l _Toc263624931 1.3 總體方案設(shè)計 PAGEREF _Toc263624931 h 3 HYPERLINK l _Toc263624932 第二章空調(diào)溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc263624932 h 5 HYPERLINK l _Toc263624933 2.1 單片機的選擇 PAGEREF _Toc263624933 h 5 HYPERLINK l _Toc263624934 2.1.1 AT89S52單片機簡介 PAGEREF

3、_Toc263624934 h 5 HYPERLINK l _Toc263624935 2.1.2 AT89S52單片機引腳介紹 PAGEREF _Toc263624935 h 5 HYPERLINK l _Toc263624936 2.1.3 AT89S52單片機的外圍電路 PAGEREF _Toc263624936 h 6 HYPERLINK l _Toc263624937 2.2 溫度傳感器的選擇 PAGEREF _Toc263624937 h 7 HYPERLINK l _Toc263624938 2.3 鍵盤的設(shè)計 PAGEREF _Toc263624938 h 8 HYPERLIN

4、K l _Toc263624939 2.3.1 行列式鍵盤和獨立鍵盤的接口設(shè)計 PAGEREF _Toc263624939 h 8 HYPERLINK l _Toc263624940 2.3.2 矩陣鍵盤和獨立鍵盤的工作原理 PAGEREF _Toc263624940 h 9 HYPERLINK l _Toc263624941 2.4 液晶顯示的設(shè)計 PAGEREF _Toc263624941 h 9 HYPERLINK l _Toc263624942 2.4.1液晶1602的接口電路 PAGEREF _Toc263624942 h 9 HYPERLINK l _Toc263624943 2.

5、4.2 液晶1602工作原理 PAGEREF _Toc263624943 h 9 HYPERLINK l _Toc263624944 2.4.3 液晶1602的其他參數(shù) PAGEREF _Toc263624944 h 10 HYPERLINK l _Toc263624945 2.5 DA轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 PAGEREF _Toc263624945 h 11 HYPERLINK l _Toc263624946 2.5.1 DA轉(zhuǎn)換器的選擇 PAGEREF _Toc263624946 h 11 HYPERLINK l _Toc263624947 2.5.2 DAC0832簡介 PAGEREF _Toc

6、263624947 h 12 HYPERLINK l _Toc263624948 2.5.3 DAC0832結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc263624948 h 12 HYPERLINK l _Toc263624949 第三章空調(diào)溫度控制設(shè)計 PAGEREF _Toc263624949 h 13 HYPERLINK l _Toc263624950 3.1 PID調(diào)節(jié)器控制原理 PAGEREF _Toc263624950 h 13 HYPERLINK l _Toc263624951 3.2 位置式PID算法 PAGEREF _Toc263624951 h 14 HYPERLINK l _Toc2

7、63624952 3.3 數(shù)字PID參數(shù)的整定 PAGEREF _Toc263624952 h 14 HYPERLINK l _Toc263624953 3.3.1 采樣周期選擇的原則 PAGEREF _Toc263624953 h 15 HYPERLINK l _Toc263624954 3.3.2 PID參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響 PAGEREF _Toc263624954 h 15 HYPERLINK l _Toc263624955 3.3.3 PID計算程序 PAGEREF _Toc263624955 h 16 HYPERLINK l _Toc263624956 第四章空調(diào)溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)

8、計 PAGEREF _Toc263624956 h 19 HYPERLINK l _Toc263624957 4.1 系統(tǒng)部件的軟件設(shè)計方案 PAGEREF _Toc263624957 h 19 HYPERLINK l _Toc263624958 4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖 PAGEREF _Toc263624958 h 19 HYPERLINK l _Toc263624959 4.3 主程序和子程序流程圖設(shè)計 PAGEREF _Toc263624959 h 20 HYPERLINK l _Toc263624960 4.3.1 主程序流程圖 PAGEREF _Toc263624960 h 20

9、HYPERLINK l _Toc263624961 4.3.2 液晶1602流程圖 PAGEREF _Toc263624961 h 21 HYPERLINK l _Toc263624962 4.3.3 溫度轉(zhuǎn)換子程序流程圖 PAGEREF _Toc263624962 h 21 HYPERLINK l _Toc263624963 4.3.4 鍵盤處理子程序流程圖 PAGEREF _Toc263624963 h 22 HYPERLINK l _Toc263624964 結(jié)束語 PAGEREF _Toc263624964 h 23 HYPERLINK l _Toc263624965 參考文獻 PAG

10、EREF _Toc263624965 h 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(guān)系的物理量，也是一種在生產(chǎn)、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(chǎn)等帶來重大影響，因此對溫度的測量至關(guān)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(shù)的發(fā)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，已成為自動檢測、自動控制系統(tǒng)和計量測試中不可缺少的重要技術(shù)工具，其應(yīng)用已遍與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個領(lǐng)域?？照{(diào)即空氣調(diào)節(jié)器(room air condit

11、ioner)，是一種用于給空間區(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）空氣的溫度、濕度、潔凈度和空氣流速等參數(shù)進行調(diào)節(jié)，以滿足人體舒適或工藝過程的要求。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(fēng)。 然后到毛細(xì)管，進入蒸發(fā)器（室機），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，室機的風(fēng)扇將室的空氣從蒸發(fā)器中吹過，所以室機吹出來的就

12、是冷風(fēng)；空氣中的水蒸汽遇到冷的蒸發(fā)器后就會凝結(jié)成水滴，順著水管流出去，這就是空調(diào)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(fēng)，室機吹的是熱風(fēng)。 其實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(diào)的功能(1)降溫在空調(diào)器設(shè)計與制造中，一般允許將溫度控制在16-30之間。如若溫度設(shè)定過低時，一方面增加不必要的電力消耗，另一方面造成室外溫差偏大時，人們進出房間不能很快適應(yīng)溫度變化，容易患感冒。(2)除濕空

13、調(diào)器在制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(yīng)在40-60%左右，當(dāng)相對濕度過大如在90%以上，即使溫度在舒適圍，人的感覺仍然不佳。(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，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，以與各種汗臭、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(shù)介

14、紹控制理論的發(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(gòu)、輸入輸出接口。控制器的輸出經(jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)都不一樣。PID控制與其控制器或智能PID控制器已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到廣泛的應(yīng)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(diào)節(jié)器，其中PID調(diào)節(jié)器參數(shù)是自動調(diào)節(jié)是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)，有利

15、用PID調(diào)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(shè)計中應(yīng)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(shù)以與應(yīng)用需求的發(fā)展，單片機技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在高集成度，高速度，低功耗以與高性能方面取得了很大的進展。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)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(shù)在現(xiàn)在最為成熟，控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)整，不必求出被控對象的數(shù)學(xué)模型就可以調(diào)節(jié)，所以在恒

16、溫控制系統(tǒng)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(diào)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(zhǔn)確性。三個環(huán)節(jié)在實際控制中的作用：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，提高無差度。因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)就停止。積分調(diào)節(jié)輸出為一常

17、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(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(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)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢。因此能產(chǎn)生超前的控制作用。在偏差還沒有形成之前，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)的動態(tài)性能。在為時間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)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(dāng)輸入沒有變化時，微分作用的輸出為零。微分作用不能單

18、獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成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(shè)計應(yīng)用PID控制技術(shù)最為有效。1.3 總體方案設(shè)計選用89S52單片機為中央處理器，通過溫度傳感器DS18B20對室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(shè)計溫度是否一致，然后驅(qū)動空調(diào)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(diào)溫度控制單元的工作情況。溫度的設(shè)定部分，采

19、用4*3矩陣鍵盤設(shè)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(shè)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(shè)置，加溫和降溫三個?？照{(diào)器通電后，制冷系統(tǒng)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(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)過過濾、節(jié)流機構(gòu)后噴入蒸發(fā)器，并在相應(yīng)的低壓下蒸發(fā)，吸取周圍的熱量。同時貫流風(fēng)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。如此室空氣不斷循環(huán)流動，達(dá)到降低溫度的目的?？傮w方案結(jié)構(gòu)如圖2.1：89S52DA

20、轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)實現(xiàn)方案的技術(shù)路線為：用按鈕輸入標(biāo)準(zhǔn)溫度值，用LCD實時顯示環(huán)境空氣溫度，通過PID運算，同標(biāo)準(zhǔn)溫度值進行比較，然后用驅(qū)動電路控制壓縮機完成加熱和制冷調(diào)節(jié)，第二章 空調(diào)溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 單片機的選擇考慮到盡量降低成本和避免與復(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、片含8kb可反復(fù)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(fù)擦除。所以可以降低成

21、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(fù)擦寫(1000次)Flash ROM（9）256x8bit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(shè)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

22、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,有效(低電平),以實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。：訪問程序存儲趨控制信號但信號為低電平時,對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器； 而當(dāng)信號為高電平時,則對ROM的讀操作是從部程序存儲器開始,并可延續(xù)至外部程序存儲器。RST：復(fù)位信號當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)2個機器周期以上高電平時即為有效，用以完成單片機的復(fù)位操作。和：外接晶體引線端當(dāng)使用芯片部時鐘時，此二引線端用語外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時鐘

23、時，用于接外部時鐘脈沖信號。：地線：+5V電源2.1.3 AT89S52單片機的外圍電路(1)時鐘電路圖3.時鐘電路單片機部有一個高增益反向放大器，輸入端為芯片引腳，輸出端為引腳。而在芯片外部和 之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。晶體震蕩頻率高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也高，單片機運行速度也就快，但反過來運行速度快對存儲器的速度要求就高，對印制電路板的工藝要求也高，所以，這里使用震蕩頻率為6MHz的石英晶體。震蕩電路產(chǎn)生的震蕩脈沖并不直接是使用，而是經(jīng)分頻后再為系統(tǒng)所用，震蕩脈沖經(jīng)過二分頻后才作為系統(tǒng)的時鐘信號。在設(shè)計電路板時，振蕩器和電容應(yīng)盡量靠近單片機以避免干擾。需要注意

24、的是：電路板時，振蕩器和電容應(yīng)盡量安裝得與單片機靠近，以減小寄生電容的存在更好的保障振蕩器穩(wěn)定、可靠的工作電路圖如圖3所示(2)復(fù)位電路單片機的復(fù)位電路分上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。圖4 按鍵復(fù)位電路上電復(fù)位是指在加電之后通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。當(dāng)?shù)纳仙龝r間不超過1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化電路原理圖。RST上的電壓必須保證在斯密特觸發(fā)器的閥值電壓以上足夠長時間，滿足復(fù)位操作的要求。按鍵復(fù)位是指程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動RST引腳是復(fù)位信號的輸入端，復(fù)位信號是高電平有效。按鍵復(fù)位又分按鍵脈沖復(fù)位

25、和按鍵電平復(fù)位。電平復(fù)位將復(fù)位端通過電阻與相連，按鍵脈沖復(fù)位是利用RC分電路產(chǎn)生正脈沖來達(dá)到復(fù)位的。(3)注意因為按鍵脈沖復(fù)位是利用RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來達(dá)到復(fù)位的。所以電平復(fù)位要將復(fù)位端通過電阻與相連.如復(fù)位電路中R、C的值選擇不當(dāng)，使復(fù)位時間過長，單片機將處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。故本設(shè)計采用按鍵復(fù)位。2.2 溫度傳感器的選擇溫度測量轉(zhuǎn)換部分是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，直接影響系統(tǒng)的可靠性。傳統(tǒng)的溫度測量方法是：溫度傳感器例如AD590，將測量的溫度轉(zhuǎn)換成模擬電信號，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機再對采集的數(shù)字信號進行處理3。這種模擬數(shù)字混合電路實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，濾波消噪難度大系統(tǒng)

26、穩(wěn)定性不高，鑒于這些考慮，本設(shè)計采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。DS18B20支持“一線總線”接口，測量溫度的圍為-55C+125C，現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字式傳輸，大大的提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20為3引腳， DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端。圖5 溫度采集模塊溫度采集電路模塊如圖5所示。DSB8B20的2腳接系統(tǒng)中單片機的INT1口，用于將采集到的溫度送入單片機中處理，2腳和3腳之間接一個4.7K上拉電阻，即可完成溫度采集部分硬件電路。DS18B20部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和T

27、L、配置寄存器。DS18B20中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換如下表2.1。表1 DS18B20溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表LS ByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0232221202-12-22-32-4MS ByteBit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS262524這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。2.3

28、鍵盤的設(shè)計鍵盤采用43的行列式鍵盤，又叫矩陣式鍵盤。用I/O口線組成行、列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點上。43的行列結(jié)構(gòu)可組成12個鍵的鍵盤。因此，在按鍵數(shù)量較多時，可以節(jié)省I/O口線。本例中還有三個獨立按鍵。2.3.1 行列式鍵盤和獨立鍵盤的接口設(shè)計行列式鍵盤和獨立按鍵的接口方法，直接接口于單片機的P1口上，如圖6所示，其中S0-S9為數(shù)字鍵輸入，S10和S11為加減鍵。最下面三個為獨立按鍵。圖6 行列式鍵盤和獨立鍵盤的接口設(shè)計2.3.2 矩陣鍵盤和獨立鍵盤的工作原理鍵盤設(shè)置在行、列線的交點上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。行線通過上拉電阻接5V，被拉在高電平狀態(tài)。獨立鍵盤為按鍵S12-S

29、14，分別對應(yīng)“設(shè)置”“升溫”“降溫”三個功能，按鍵的一端接+5V，一端接地，當(dāng)有按鍵按下時，對應(yīng)的口被拉低電平。對鍵盤的工作過程可分兩步：第一步時CPU首先檢查獨立按鍵上是否有鍵按下；如果按了設(shè)置鍵，表明開始設(shè)置溫度，進入溫度設(shè)置狀態(tài)，開始掃描矩陣鍵盤。當(dāng)掃描到設(shè)置鍵按下時，退出設(shè)置溫度與退出矩陣鍵盤掃描。2.4 液晶顯示的設(shè)計2.4.1液晶1602的接口電路液晶顯示的接口方法，直接接口于單片機的I/O口上，如圖7所示。圖7 液晶1602的接口電路2.4.2 液晶1602工作原理顯示采用DMC1602A LCM，采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳接口，其中：第1腳：GND為地電源第2腳：VCC接5V正電源第3

30、腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時選擇指令寄存器第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：EN端為始能端，當(dāng)E端由高電平變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線第15腳：背光源正極第16腳：背光源負(fù)極1602液晶模塊部的控制器共有11

31、條控制指令它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。指令1：清顯示，指令碼01H，光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H指令3：光標(biāo)和現(xiàn)實模式設(shè)置I/D：光標(biāo)移動方向，高電平右移，低電平左移 S：屏幕上所有文字是否左移或右移。高電平有效，低電平則無效指令4：顯示開關(guān)控制。D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) B:控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍指令5：光標(biāo)或顯示以為S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標(biāo)指令6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時為4位總線，低電平時

32、為8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平雙行顯示 指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置指令8：DDRAM地址設(shè)置指令9：讀忙信號和光標(biāo)地址 BF：為忙標(biāo)志，高電平表示忙，此時模塊不能接受命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令10：寫數(shù)據(jù)指令11：讀數(shù)據(jù)2.4.3 液晶1602的其他參數(shù)（1）RAM地址映射與標(biāo)準(zhǔn)字庫表液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，圖4.3.2是1602的部顯示地址。圖4.3.2 1602LCD部顯示地址在對液晶模塊的初始化中要先設(shè)置其顯

33、示模式，在液晶模塊顯示字符時光標(biāo)是自動右移的，無需人工干預(yù)。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)。（2）一般初始化（復(fù)位）過程延時15mS寫指令38H（不檢測忙信號）延時5mS寫指令38H（不檢測忙信號）延時5mS寫指令38H（不檢測忙信號）以后每次寫指令、讀/寫數(shù)據(jù)操作均需要檢測忙信號寫指令38H：顯示模式設(shè)置寫指令08H：顯示關(guān)閉寫指令01H：顯示清屏寫指令06H：顯示光標(biāo)移動設(shè)置寫指令0CH：顯示開與光標(biāo)設(shè)置2.5 DA轉(zhuǎn)換電路設(shè)計2.5.1 DA轉(zhuǎn)換器的選擇 溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過DS18B02傳給單片機后，通過PID運算得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后送到DA轉(zhuǎn)換器變成模擬量輸出來控制壓縮機的轉(zhuǎn)

34、速。此次選擇美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DAC0832芯片。2.5.2 DAC0832簡介DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路與轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。2.5.3 DAC0832結(jié)構(gòu)D0D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時間應(yīng)大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯)；ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效；CS：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于50

35、0ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當(dāng)LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負(fù)跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存；XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效；圖8 DAC0832引腳WR2：DAC寄存器選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由WR2、XFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當(dāng)LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負(fù)跳變時將數(shù)據(jù)鎖存器的容打入DAC寄存器并開始D/A轉(zhuǎn)換。IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的容線性變化；IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)；R

36、fb：反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度；Vcc：電源輸入端，Vcc的圍為+5V+15V；VREF：基準(zhǔn)電壓輸入線，VREF的圍為-10V+10V；AGND：模擬信號地DGND：數(shù)字信號地第三章 空調(diào)溫度控制設(shè)計在控制系統(tǒng)中,控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖9所示。系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成。3.1 PID調(diào)節(jié)器控制原理圖9 PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器,一種它根據(jù)給定值rin(t)與實際輸出值yout(t)構(gòu)成控制偏差：E (t)=rin(t)-yout(t)PID控制就是對偏差信號進行比例、積分、微分運算后，

37、形成一種控制規(guī)律。即，控制器的輸出為：或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式：左中，kp比例系數(shù)；Ti積分時間常數(shù)；T d微分時間常數(shù)。簡單說來，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號error(t),偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。比例控制： Gc(s)= Kp積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。積分控制： Gc(s) = Kp/T is微分環(huán)節(jié)：反偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)

38、節(jié)時間。微分控制： Gc(s) =KpT ds3.2 位置式PID算法基本PID控制器的理想算式為式中u(t)控制器(也稱調(diào)節(jié)器)的輸出；e(t)控制器的輸入（常常是設(shè)定值與被控量之差，即e(t)=r(t)-c(t)）；Kp控制器的比例放大系數(shù)；Ti控制器的積分時間；Td控制器的微分時間。設(shè)u(k)為第k次采樣時刻控制器的輸出值，可得離散的PID算式式中 ，。由于計算機的輸出u(k)直接控制執(zhí)行機構(gòu)（如閥門），u(k)的值與執(zhí)行機構(gòu)的位置（如閥門開度）一一對應(yīng)，所以通常稱式(2)為位置式PID控制算法。位置式PID控制算法的缺點：當(dāng)前采樣時刻的輸出與過去的各個狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e(k)進行累

39、加，運算量大；而且控制器的輸出u(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化。3.3 數(shù)字PID參數(shù)的整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。

40、本設(shè)計采用PID歸一整定法把對控制臺三個參數(shù)（Kc、Ti、Td,）轉(zhuǎn)換為一個參數(shù)，從而使問題明顯簡化。以達(dá)到控制器的特性與被控過程的特性相匹配,滿足某種反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標(biāo)。3.3.1 采樣周期選擇的原則1.根據(jù)香農(nóng)采樣定理，系統(tǒng)采樣頻率的下限為fs=2fmax，此時系統(tǒng)可真實地恢復(fù)到原來的連續(xù)信號。 2.從執(zhí)行機構(gòu)的特性要求來看，有時需要輸出信號保持一定的寬度。采樣周期必須大于這一時間。3.從控制系統(tǒng)的隨動和抗干擾的性能來看，要求采樣周期短些。 4.從微機的工作量和每個調(diào)節(jié)回路的計算來看，一般要求采樣周期大些。 5.從計算機的精度看，過短的采樣周期是不合適的。 6.當(dāng)系統(tǒng)滯后占主導(dǎo)地位

41、時，應(yīng)使滯后時間為采樣周期的整數(shù)倍下表4.1列出了幾種常見的被測參數(shù)的采樣周期T的經(jīng)驗選擇數(shù)據(jù)。表4.1 采樣周期的經(jīng)驗數(shù)據(jù)表被測參數(shù)采用周期T（s）備注流量15s優(yōu)先選用1s壓力310s優(yōu)先選用5s液位68s溫度1520s或純滯后時間成分1520s3.3.2 PID參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響表4.2 PID參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響參數(shù)圖作用缺點P加快調(diào)節(jié)，減少穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定I因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差.消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(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)器或PID調(diào)節(jié)器。D反映系統(tǒng)偏差信號變化率，具有預(yù)

42、見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用?？梢詼p少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)蓄料目結(jié)合，組成PD或PID控制.綜上所述，（Kp、Ti、Td,）對系統(tǒng)的性能影響如表4.3所示：表4.3 Kp、Ti和Td對系統(tǒng)的影響影響KpTiTd穩(wěn)態(tài)性能可以減少靜差，但不能消除消除靜差，但不能太大配合比例控制，可以減少靜差動態(tài)性能加快系統(tǒng)速度，但會引起震蕩太小會不穩(wěn)定，太大會影響性能太大和太小都會引起超調(diào)量大，過渡時間長。3.3.3 PID計算程序PID調(diào)節(jié)規(guī)律的基本輸入輸出關(guān)系可用微分方程表示

43、為：（4.5）式中為調(diào)節(jié)器的輸入誤差信號，且 （4.6）其中：為給定值，為被控變量；為調(diào)節(jié)器的輸出控制信號；為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；微分時間常數(shù)。計算機只能處理數(shù)字信號，若采樣周期為T第n次采樣的輸入誤差為，且，輸出為，PID算法用的微分由差分代替，積分由代替，于是得到 （4.7）寫成遞推形式為= = = =其中：顯然，PID計算只需要保留現(xiàn)時刻以與以前的兩個偏差量和。初始化程序初值通過采樣并根據(jù)參數(shù)、以與、和計算。根據(jù)輸出控制增量，可求出本次控制輸出為+=本設(shè)計采用Ziegler-Nichols提出的 PID歸一調(diào)整法，調(diào)整參數(shù)，主要是為了減少在線整定參數(shù)的數(shù)目，常常人為假定約束條件，以

44、減少獨立變量的個數(shù)，令：式中稱為臨界周期。在單純比例作用下（比例增益由小到大），是系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩的比例增益，這時的工作周期為臨界周期，則可以得到 = =式中=0.2，=1.258從而可以調(diào)節(jié)的參數(shù)只有一個?？稍O(shè)計一個調(diào)整子程序，通過鍵盤輸入改變值，改變運行參數(shù)，使系統(tǒng)滿足要求。下面對PID運算加以說明：所有的數(shù)都變成定點純小數(shù)進行處理。算式中的各項有正有負(fù)，以最高位作為符號位，最高位為0表示為正數(shù)，為1表示負(fù)數(shù)。正負(fù)數(shù)都是補碼表示，最后的計算以原碼輸出。雙精度運算，為了保證運算精度，把單字節(jié)8位輸入采樣值和給定值都變成雙字節(jié)16位進行計算，最后將運算結(jié)果取成高8位有效值輸出。輸出控制量的限幅

45、處理。為了便于實現(xiàn)對晶閘管的通斷處理，PID的輸出現(xiàn)在在0250之間。大于250或小于0的控制量都是沒有意義的，因在算法上對進行限幅，即=PID的計算公式采用位置式算法，計算公式為+ =第四章 空調(diào)溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)部件的軟件設(shè)計方案一、每個模塊的程序結(jié)構(gòu)簡單，任務(wù)明確，易于編寫、調(diào)試和修改。二、程序可讀行好，對程序的修改可局部進行，其它部分可以保持不變，便于功能擴充。三、對于使用頻繁的子程序可以建立子程序庫，便于多個模塊調(diào)用。4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖主 程 序溫 度 采 集模塊液晶顯示模塊鍵盤掃描模塊溫度控制模塊圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖如圖9所示，根據(jù)設(shè)計要求，首先要確定軟件設(shè)計方案，即確定該軟件應(yīng)該完成那些功能；其次是規(guī)劃為了完成這些功能需要分成多少個功能模塊，以與每一個程序模塊的具體任務(wù)是什嫫。一般劃分模塊應(yīng)遵循下述原則：1）每個模塊應(yīng)具有獨立的功能，能產(chǎn)生一個明確的結(jié)果 。2）模塊之間的控制參數(shù)應(yīng)盡量簡單，數(shù)據(jù)參數(shù)應(yīng)盡量少?？刂茀?shù)是指模塊進入和退出的條件與方式，數(shù)據(jù)參數(shù)是指模塊間的信息交換方式、交換量的多少與交換的頻繁程度。3）模塊長度要適中。模塊太長時，分析和調(diào)試比較困難，失去了模塊化程序結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性；模塊太短則信息交換太頻繁，也不合適。4.3 主程序和子程序流程圖設(shè)計4.3.1 主程序流程圖采集溫度查詢溫度