空调控制系统设计.docx

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空调控制系统设计

1设计任务描述

设计主要内容及要求：

设计一个空调控制器。

能利用单片机等原理部件模拟温度的调控和显示等功能，空调器是能控制风机和压缩机同时工作产生调节温度的原理。

硬件要求能有电路原理图及各部件完整的实物分析等，要对空调机有完整的了解。

才能达到此次设计任务的效果。

要求：

1）硬件电路设计，包括原理图和PCB板图。

2）控制器软件设计。

3）要求能够设定温度、测量温度、显示温度、制冷控制以及风机控制。

2设计思路

系统总体结构的设计

可以说空调控制器是围绕着一个核心部件来架设外围部件的设备，在这里核心部件是大多数厂家都会选用的单片机，因为现在的单片机拥有很高的集成设备，包含了大量的存储器和虚拟存储等，而且键盘输入及显示都是在内部集成的省却了扩展外围设备的麻烦，这样更能有利于我们着手于功能设置。

系统的设计出空调器的原理和注意事项，能方便的使用空调器来完成我们所想达到的目的，对于一般的空调器来说能自动的调节温度的变化范围，可以说这是一种恒温的效果，但是毕竟我们模拟的设备部能像真实的一样细致。

所以我采用灯和电机等代替采集和设定的比较结果，能很好的显示和明显的完成任务。

环节设计、部件选择及参数计算

无疑对于空调器的设计来说，要能人工智能的操作其能控制温度的调节和设定温度的比较是一个较大的难题，因为往往我们所用的都是十进制数即所说的阿拉伯数字，但是像单片机这种高级的工具设备是不能识别的，它只能识别机器码也就是术语说的机器语言，这就为我们采集温度带来了一个很大的难题。

对于我所采集的温度值来讲，把每个温度值分为16等份，在每一等份之间我人为的规定每跳变一个数字度即比较一次，当然采集的都是模拟信号这样的话单片机是不能用于比较的，所以接入单片机之前用A/D转换器把数据转换成数字量，这样通过单片机本身的比较器就能计算出设定值和采集值的判定工作模式和是否应该工作电机和风机及压缩机等外部设备。

主要的步骤包括转换十进制数和十六进制数，这其中有一种方法叫按位加权累加和法，即当你把十进制数分别存储在两个存储单元中，即按十位和个位的排法，把个位的数值乘以16的零次方，并且存储在原位，这时可以用另一个单元的数乘以16的一次方这样循环使用把两者的数值相加，即能完成一个数的十进制和十六进制的转化。

这样当你的键盘有输入值的时候，每一个键值会自动转化为每个存储单元供显示作用。

各部分部件选择

温度采集电路中所选用的传感器是热电偶，因为它测量精度高，而且输出的是电压信号，与摄氏温度成正比，同时又能够直接与单片机的A/D直接相连，使用方便，便于处理。

温度的采集是通过热电偶的温度采集电路，将温度转化成模拟电压进行输出，作为输入信号送给单片机，单片机的A/D最高输入电压为

，对应于十二位A/D转换器的最大值FFFH,根据其对应关系得到A/D转换后的值，存入固定的存储单元中准备与温度设定值进行比较。

在比较之前需要按照一定的比例值进行转换，这个比例值近似的取为16倍，得到一个新的十六进制数，由于选用的传感器每摄氏度对应，经过模数转换后得到每摄氏度对应08H,再通过判断查表即可得到温度的十六进制数，再存到相应的单元中与设定值进行比较。

当温度高于设定值时进行制冷，温度低于设定值时加热，只有温度处于人体适宜温度提示灯才不会亮。

温度设定是通过键盘输入来完成的，再通过查表得到可以进行比较的数，存入相应的存储单元，进行显示。

总体功能解析

它主要完成的功能就是可以设定温度，实时采集温度并在LED上显示设定温度和当前温度。

我设计的空调控制器硬件部分主要有温度采集传感器应用电路、制冷电路、加热电路、指示灯电路、C8051F020单片机，以及单片机的复位和晶振电路。

设计方框图

图空调控制器框图

图空调控制器程序流程图

3各部分硬件电路设计及参数计算

电源电路设计

图电源电路

单片机所采用的电源是，还有复位电路和其他电路也需要直流电源，而家用电是交流220V，所以需要进行整流、滤波。

需要将输入为5V～9V的电压值稳压到需要使用两块LM7805和1117稳压芯片。

其中LM7805的作用是将输入为5V～9V的电压稳压为5V，满足1117稳压芯片的工作电压（5V）,经过1117稳压芯片后其输出的电压为所需的电压。

LM7805系列为3端正稳压电路,TO-220封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。

内含过流、过热和过载保护电路。

带散热片时，输出电流可达1A。

虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。

主要特点：

（1）输出电流可达1A

（2）输出电压有：

（3）过热保护

（4）短路保护

（5）输出晶体管SOA保护

单片机电路

单片机正常工作时，除了要加恒压电源外，还需要设计复位电路和晶振电路，我所设计的复位电路既可以上电复位，又可以在单片机非正常工作时进行手动复位，晶振采用的是12MHZ外部晶振。

通电时，电容

进行充电，电路导通，充电结束后，复位结束，充电时间决定复位时间。

工作过程中，当按下复位键后，电路导通，按键时间决定了复位时间。

电路中电容

的作用是抑制干扰从复位端进入。

器件内还集成了外部振荡器驱动电路，允许使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟。

复位电路和晶振电路图如下所示：

图单片机复位及晶振电路

键盘和显示电路

PB和PC口是8255两个八位带锁存的输入口，可实现输出数据锁存。

PB口的端口地址为8001H，PC口的端口地址为8002H。

PA口未用。

用PB口作六个数码管的位选。

用8708作显示器的位选驱动。

PC口作字型码锁存。

8255控制字的端口地址是8003H。

8078作数码管字型显示驱动。

六位数码管采用共阴极方式。

键盘及显示电路如下图所示：

图键盘输入电路

图输出显示电路

8255扩展接口是由高八位地址（A8～A15）通过74LS138译码产生的。

PA,PB,PC口和8255控制口的地址分别是8000H,8001H,8002H和8003H,它们由低位地址A0和A1区别。

低位地址A0和A1从低位地址锁存器74LS138的输出端引出。

温度传感器的选择

本系统采用镍铬-镍硅热电偶作为温度传感器，由热电偶的特性可知，进入放大器的电压信号实为热电偶冷热端温差引起的热电势信号，冷端处于设定温度，热端处于外界室温，单片机的A/D通道可以直接采集热电偶信号，经冷端温度补偿后，在查K分度表则可以得到热端温度值，室温的测量可以经过热电阻式传感器变化为电压信号，经放大后直接送给单片机的A/D通道，单片机程序自动完成热电偶信号的采集和冷端信号采集，计算出实际的温度，从而控制控制空调的外部设备工作。

图传感器采集电路

外围部件的选择

在单片机的程序中需要设定适宜温度的范围，当从传感器接受的温度电压信号经过模数转换后，室内温度高于或者低于设定的范围，那么指示灯亮，通过编写单片机的I/O输出来控制指示信号的发出。

当采集温度高于设定温度时，需进行制冷，通过程序的设计启动风机；当采集温度低于设定温度需利用电机进行加热。

图外部工作灯电路

由于二极管所能承受的最大电流为

而电源电压为5V，所以应串接一个电阻，其阻值最小为：

4主要元器件介绍

热电偶传感器

镍铬温度传感器是一种电压输出型精密温度传感器。

它工作类似于齐纳二极管，其反向击穿电压随绝缘温度以

的比例变化。

该器件在工作电流为

范围内的动态电阻小于

，当对它在

校准后，它在范围内具有小于的典型误差。

热电偶可应用于范围在

内的任何形式的温度检测，它的低阻抗和线性输出使得其读出和控制接口电路非常简单。

热电偶测温范围分别为

。

其短时间使用测温上限可扩宽至

。

主要特点：

（1）?

在绝对温度下直接校准。

（2）?

1℃的初始精度。

（3）工作于400uA~5mA电流范围。

（4）低于1Ω的动态阻抗。

（5）?

容易校准。

（6）-40℃~+100℃宽工作温度范围。

8255扩展芯片

8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。

具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。

其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。

8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。

8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。

同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。

由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：

与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。

主要特点：

8255管脚特性如下：

（1）一个并行输入/输出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作为CPU总线与外围的接口。

（2）具有24个可编程设置的I/O口,即3组8位的I/O口为PA口,PB口和PC口.它们又可分为两组12位的I/O口,A组包括A口及C口（高4位,PC4~PC7）,B组包括B口及C口（低4位,PC0~PC3）.A组可设置为基本的I/O口,闪控（STROBE）的I/O闪控式,双向I/O3种模式;B组只能设置为基本I/O或闪控式I/O两种模式,而这些操作模式完全由控制寄存器的控制字决定。

引脚功能：

（1）RESET:

复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。

（2）CS:

芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯;/CS=1时,8255无法与CPU做数据传输.　　

（3）RD:

读信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/RD=0且/CS=0时,允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。

（4）WR:

写入信号，当这个输入引脚为低电平时,即/WR=0且/CS=0时,允许CPU将数据或控制字写入8255。

（5）D0～D7:

三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。

（6）PA0～PA7:

端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。

（7）PB0～PB7:

端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器，一个8位的输入输出缓冲器。

（8）PC0～PC7:

端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。

端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。

（9）A0,A1:

地址选择线,用来选择8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器。

当A0=0,A1=0时,PA口被选择;当A0=0,A1=1时,PB口被选择;当A0=1,A1=0时,PC口被选择;当A0==1时,控制寄存器被选择。

C8051F020系列单片机

本系统的核心控制部件采用SiliconLaboratories公司生产的C8051F020单片机作为控制器。

C8051F系列单片机是集成的混合信号片上系统（SOC），具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成的数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。

C8051F系列单片机的功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/I2C、UART、SPI、可编程计数器/定时器阵列（PCA）、定时器、数字I/O端口、电源监视器、看门狗定时器WDT和时钟振荡器等。

C8051F020单片机是C8051F系列中一个比较有代表性的型号，该器件是完全集成的混合信号系统级SCM芯片，具有64个数字I/O引脚。

主要性能：

（1）高速、流水线结构的8051兼容的MCS-51内核（可达25MIPS）。

（2）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）。

（3）真正12位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关。

（4）真正8位、500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关。

（5）两个12位DAC，具有可编程数据更新方式。

（6）64KB可在系统编程的Flash存储器。

（7）4352（4096+256）B的片内RAM。

（8）可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口。

（9）硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口。

（10）5个通用的16位定时器。

（11）具有5个捕捉/比较模块的可编程计数/定时器阵列。

C8051F系列单片机都可工作在工业温度范围（-45~+85℃）内用~的电压工作。

端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。

C8051F020为100引脚TQFP封装。

5控制算法的研究

PID算法的研究

PID是一种负反馈控制，用设定的控制目标值与受控对象的输出反馈值相比较，对其差作比例、微分、积分后用来控制受控对象。

PID控制规则:

u=（3-1）

式中占为比例带，介为积分时间，与为微分时间。

传递函数为:

（3-2）

δ、TI、TD的改变对控制作用影响很大:

δ越大，比例调节的残差越大，从这一点说，δ越小能使残差越小。

但δ小则使调节系统的开环增益加大，从而可能导致系统激烈振荡甚至不稳定，系统首先要稳定，所以比例带的设定必须保证一定的稳定裕度TI越大即积分速度越小，积分作用越弱，使过度时间变长，达到稳定的速度越慢。

TI越小积分速度越快，而增大积分速度会降低控制系统的稳定程度，直至出现发散的振荡过程；TD则主要改善系统的动态性能，TD增大会加快系统的响应，降低超调，增大系统稳定性，但TD过大，会使系统的抗干扰能力减弱，而且微分环节对纯滞后过程无效。

PID控制器中，δ、TI、TD的选择如果合适，则能发挥它们的长处，从而较好地控制系统，否则，不仅不能发挥各种调节作用，反而适得其反。

模糊控制系统设计

模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言变量及模糊推理为基础的一种计算机数字控制。

模糊控制模仿人的思维通过把精确量模糊化，通过模糊推理，然后经过清晰化处理得到控制量。

模糊控制算法

模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。

尤其是模糊控制和遗传算法、神经网络及混沌理论等新学科相结合，正在显示出其巨大的应用潜力。

模糊控制原理

①模糊控制的引入

随着计算机的发展和应用，自动控制理论和技术获得了飞跃的发展，在解决线性或非线性，定常或时变的多输入多输出系统问题上，获得了广泛的应用。

但是，采用传统控制理论来设计一个控制系统，需要事先知道被控对象精确的数学模型，然后再根据给定的性能指标选择适当的控制规律，进行控制系统设计。

然而，在许多情况下，被控对象的精确数学模型很难建立，有时甚至是不可能的。

这样一来，对于这类对象或过程就难以进行自动控制。

与此相反，对于一些难以自动控制的生产过程，有经验的操作人员进行手动控制，却可以达到满意的效果。

这是由于作为操作者的人在长期的操作实践中获得了对系统的认识，在头脑中形成了他自己对该系统的认识模型，并积累了操作经验。

总结人的控制行为，用语言描述人的手动控制决策，形成一系列的条件语句和决策规则，进而设计一个控制器，利用计算机实现这些控制规则，再驱动设备对工业过程进行控制，这就是模糊控制。

实践表明，模糊控制器具有以下几个特点:

1.它不需要知道被控对象或过程的精确数学模型。

2.易于实现对不确定性系统和强非线性系统的控制。

3.对被控对象或过程参数的变化有较强的鲁棒性。

4.对干扰有较强的抑制能力。

②模糊控制系统的组成

模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统。

它的组成核心是具有智能性的模糊控制器，其基本结构如图所示。

图模糊控制系统框图

模糊控制系统一般由四个部分组成:

l.模糊控制器:

它是以模糊逻辑推理为主要组成部分，同时又具有模糊化和去模糊功能的控制器。

2.输入/输出接口装置:

模糊控制器通过输入/输出接口从被控对象获取数字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模变换，将其转变为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。

3.广义对象:

包括被控对象和执行机构。

被控对象可以是线性或非线性的、定常或时变的、也可以是单变量或多变量的、有时滞或无时滞的以及有强干扰的多种情况。

4.传感器:

传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号的一类装置。

传感器在模糊控制系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个控制系统的精度。

模糊控制的基本概念

（1）模糊集合

模糊集合用于在无法明确地定义元素是否属于集合的情况下，利用一种度量来表示某一元素属于这一集合的程度，这就是隶属度，也就是级别。

当一个元素肯定属于这一集合时，级别为1，肯定不属于这一集合时，级别为0，其余的级别为0到1的中间值。

以论域为离散有限集{xl,x2......,xn}为例，设A（xi）=ui（i=1,2......n），模糊集合用扎德法表示如下:

A=（3-3）

（2）量化因子

连续论域进行离散化的过程称为量化。

设有连续论域[a,b]，量化后的离散论域为{-n，-n+1,…，0,…，n-1,n}，将连续论域分为2n段，则有系数K=2n/（b-a），K称为量化因子。

（3）比例因子

偏差的基本论域与偏差的实际变化范围的比值称为比例因子。

当偏差的实际变化范围超出基本论域的范围时，采用最大输出或零输出。

对于偏差的任何采样值，乘以比例因子后取整，可以得到相应的值。

模糊控制过程

模糊控制过程可以分为以下三个步骤:

模糊化过程、模糊推理过程和反模糊化过程。

（1）模糊化过程

模糊化（Fuzzification）就是将基础变量论域上的确定量变换成基础变量论域上的模糊集的过程。

其主要功能就是根据输入变量的隶属度函数求出精确输入量相对于输入变量各语言值的隶属度。

常规控制都是用系统的实际输出值与设定值相比较，得到一个偏差值E，控制器根据这个偏差值及偏差值的变化率来决定如何对系统进行控制。

无论是偏差还是偏差的变化率都是精确的输入值，要采用模糊控制技术就必须首先把它们转换成模糊集合的隶属函数。

因此，要实现模糊控制就要先通过传感器和变送器把被控量变换成电量，再通过模/数转换器得到精确的数字量。

精确输入量输入至模糊控制器后，首先要把精确量转换成模糊集合的隶属函数，这就是精确量的模糊化或者模糊量化。

（2）模糊推理过程

模糊推理过程就是对于给定的模糊输入量，模糊控制器根据判定的模糊规则和事先确定好的推理方法进行模糊推理，求出模糊输出量的过程。

模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人类基于模糊概念的推理能力，是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。

模糊控制是模仿人的思维方式和人的控制经验来实现的一种控制。

根据有经验的操作者或者专家的经验制订出相应的控制规则即是模糊控制规则，它是模糊控制器的核心。

为了能存入计算机，就必须对控制规则进行形式化处理，再模仿人的模糊逻辑推理过程确定推理方法，控制器根据制订的模糊控制规则和事先确定好的推理方法进行模糊推理，得到模糊输出量，即模糊输出隶属函数，这就是模糊控制规则的形成和推理。

其目的是用模糊输入值去适配控制规则，为每个控制规则确定其适配的程度，并通过加权计算合并那些规则的输出。

（3）模糊量的去模糊

模糊量的去模糊（Defuzzification）就是将基础变量论域上的模糊集变换成基础变量论域上的确定值的过程。

根据模糊逻辑推理得到的输出模糊隶属函数，用不同的方法找一个具有代表性的精确值作为控制量，就是模糊量的去模糊；它要求在推理得到的模糊集合中取一个最能代表这个模糊推理结果可能性的精确量，去控制或驱动执行机构。

（4）模糊控制器及系统设计

模糊控制器（FuzzyController）在模糊自动控制系统中占有举足轻重的地位，因此在模糊控制系统中，设计和调整模糊控制器的工作是很重要的。

模糊控制器的设计包括以下几项内容:

1）确定模糊控制器的输入变量和输出变量。

2）设计模糊控制器的控制规则。

3）建立模糊化和反模糊化的方法。

4）选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数（如量化因子、比例因子）。

5）编制模糊控制算法的应用程序。

6）合理选择模糊控制算法的采样时间。

（5）模糊控制器的结构设计

模糊控制器有两种组成方式，一种是由模糊逻辑芯片组成的硬件专用模糊控制器，它是用硬件芯片来直接实现模糊控制算法；另一种是用微处理器组成硬件系统，用软件来实现模糊控制算法，这种模糊控制器的特点是资源开销小、灵活性高、通用性强、应用范围广。

在一般控制系统中，目前多采用第二种方式。

模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。

模糊控制器的输入一般有三个:

偏差、偏差的变化及偏差变化的变化，输出变量一般选择控制量的变化。

目前广泛采用的是二维模糊控制器，这种控制器的输入变量选偏差及偏差的变化，以控制量的变化为输出变量。

根据本系统的特点及控制要求，模糊控制器选用二维结构，其结构如图所示

图二维模糊控制机构框图

根据本系统的特点及控制要求，模糊控制器采用双输入单输出结构，分别用偏差e和偏差的变化率△e作为输入变量，以控制量u作为输出变量。

（6）精确量的模糊化

在温室温度模糊控制器里，将键盘输入的温度值作为给定值T，由传感器测量得到的温度值记为t（k），则误差e及误差的变化△e为:

e（k）=T-t（k）（3-2）

△e（k）=e（k）-e（k-1）（3-3）

将e（k）和△e（k）作为温度模糊控制器的输入变量，输出变量为加热器及风扇的通断状态。

根据温室的实际工作情况，从温带植物三基点温度如表2-1所示，可以看出其适宜温度变化值在10℃左右，考虑到实际检测条件和适当的控制精度，将温度误差的基本论域定为[-5℃～+5℃],温度误差变化的基本论域定为[-1℃～+1℃]。

为提高控制精度和响应速度，将温度的控制范围分为模糊控制区和确定控制区，以温度设定值的±5℃为界。

温度在设定值的±5'C以内为模糊控制区，以外为确定控制区。

在确定控制区，系统将进行强制冷却或加热，并发出温度超标报警信号。

而在模糊控制区，将温度偏差、偏差变化率的模糊集合分为7个模糊子集，分别为PB（正大），PM（正中），PS（正小），Z（零），NS（负小），NM（负中），NB（负大）。

选取语言变量e,△e的论域均为:

x={-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4}温度偏差、偏差变化率的隶属函数赋值表如表所示

表△e的隶属度函数赋值表

论域

-4

-3

-2

-1

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