空调控制新版专业系统设计.doc
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1、1设计任务描述1.1设计重要内容及规定:设计一种空调控制器。能运用单片机等原理部件模仿温度调控和显示等功能,空调器是能控制风机和压缩机同步工作产生调节温度原理。硬件规定能有电路原理图及各部件完整实物分析等,要对空调机有完整顿解。才干达到本次设计任务效果。规定:1)硬件电路设计,涉及原理图和PCB板图。 2)控制器软件设计。 3)规定可以设定温度、测量温度、显示温度、制冷控制以及风机控制。2设计思路2.1系统总体构造设计可以说空调控制器是环绕着一种核心部件来架设外围部件设备,在这里核心部件是大多数厂家都会选用单片机,由于当前单片机拥有很高集成设备,包括了大量存储器和虚拟存储等,并且键盘输入及显示
2、都是在内部集成省却了扩展外围设备麻烦, 这样更能有助于咱们着手于功能设立。系统设计出空调器原理和注意事项,能以便使用空调器来完毕咱们所想达到目,对于普通空调器来说能自动调节温度变化范畴,可以说这是一种恒温效果,但是毕竟咱们模仿设备部能像真实同样细致。因此我采用灯和电机等代替采集和设定比较成果,能较好显示和明显完毕任务。2.2环节设计、部件选取及参数计算无疑对于空调器设计来说,要能人工智能操作其能控制温度调节和设定温度比较是一种较大难题,由于往往咱们所用都是十进制数即所说阿拉伯数字,但是像单片机这种高档工具设备是不能辨认,它只能辨认机器码也就是术语说机器语言,这就为咱们采集温度带来了一种很大难题
3、。对于我所采集温度值来讲,把每个温度值分为16等份,在每一等份之间我人为规定每跳变一种数字度即比较一次,固然采集都是模仿信号这样话单片机是不能用于比较,因此接入单片机之前用A/D转换器把数据转换成数字量,这样通过单片机自身比较器就能计算出设定值和采集值鉴定工作模式和与否应当工作电机和风机及压缩机等外部设备。重要环节涉及转换十进制数和十六进制数,这其中有一种办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,即按十位和个位排法,把个位数值乘以16零次方,并且存储在原位,这时可以用另一种单元数乘以16一次方这样循环使用把两者数值相加,即能完毕一种数十进制和十六进制转化。这样当你键盘有
4、输入值时候,每一种键值会自动转化为每个存储单元供显示作用。2.3各某些部件选取温度采集电路中所选用传感器是热电偶,由于它测量精度高,并且输出是电压信号,与摄氏温度成正比,同步又可以直接与单片机A/D直接相连,使用以便,便于解决。温度采集是通过热电偶温度采集电路,将温度转化成模仿电压进行输出,作为输入信号送给单片机,单片机A/D最高输入电压为,相应于十二位A/D转换器最大值FFFH,依照其相应关系得到A/D转换后值,存入固定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比例值进行转换,这个比例值近似取为16倍,得到一种新十六进制数,由于选用传感器每摄氏度相应0.01V,通过模数转换后
5、得到每摄氏度相应08H,再通过判断查表即可得到温度十六进制数,再存到相应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,只有温度处在人体适当温度提示灯才不会亮。温度设定是通过键盘输入来完毕,再通过查表得到可以进行比较数,存入相应存储单元,进行显示。2.4总体功能解析它重要完毕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。我设计空调控制器硬件某些重要有温度采集传感器应用电路、制冷电路、加热电路、批示灯电路、C8051F020单片机,以及单片机复位和晶振电路。2.5设计方框图 图2.1空调控制器框图图2.2空调控制器程序流程图3各某些硬件电路设计及
6、参数计算3.1电源电路设计图3.1电源电路单片机所采用电源是3.3V,尚有复位电路和其她电路也需要直流电源,而家用电是交流220V,因此需要进行整流、滤波。需要将输入为5V9V电压值稳压到3.3V需要使用两块LM7805和1117稳压芯片。其中LM7805作用是将输入为5V9V电压稳压为5V,满足1117稳压芯片工作电压(5V),通过1117稳压芯片后其输出电压为所需3.3V电压。LM7805 系列为 3 端正稳压电路,TO-220 封装,能提供多 种固定输出电压,应用范畴广。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,可获得不同电压和
7、电流。重要特点:(1)输出电流可达 1A(2)输出电压有:5V(3)过热保护 (4)短路保护(5)输出晶体管 SOA 保护3.2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,容许使用晶体、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
8、图如下所示: 图3.2单片机复位及晶振电路3.3键盘和显示电路PB和PC口是8255两个八位带锁存输入口,可实现输出数据锁存。PB口端口地址为8001H,PC口端口地址为8002H。PA口未用。用PB口作六个数码管位选。用8708作显示屏位选驱动。PC口作字型码锁存。8255控制字端口地址是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3.3键盘输入电路图3.4输出显示电路8255扩展接口是由高八位地址(A8A15)通过74LS138译码产生。PA,PB,PC口和8255控制口地址分别是8000H,8001H,8002H和8003H,它们由低位
9、地址A0和A1区别。低位地址A0和A1从低位地址锁存器74LS138输出端引出。3.4温度传感器选取本系统采用镍铬-镍硅热电偶作为温度传感器,由热电偶特性可知,进入放大器电压信号实为热电偶冷热端温差引起热电势信号,冷端处在设定温度,热端处在外界室温,单片机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,室温测量可以通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A/D通道,单片机程序自动完毕热电偶信号采集和冷端信号采集,计算出实际温度,从而控制控制空调外部设备工作。图3.5传感器采集电路3.5外围部件选取在单片机程序中需要设定适当温度范畴,当从传感
10、器接受温度电压信号通过模数转换后,室内温度高于或者低于设定范畴,那么批示灯亮,通过编写单片机I/O输出来控制批示信号发出。当采集温度高于设定温度时,需进行制冷,通过程序设计启动风机;当采集温度低于设定温度需运用电机进行加热。图3.6外部工作灯电路由于二极管所能承受最大电流为,而电源电压为5V,因此应串接一种电阻,其阻值最小为: 4 重要元器件简介4.1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比例变化。该器件在工作电流为范畴内动态电阻不大于,当对它在校准后,它在范畴内具备不大于典型误差。热电偶可应用于范畴在内任何形式温度检测,它
11、低阻抗和线性输出使得其读出和控制接口电路非常简朴。热电偶测温范畴分别为。其短时间使用测温上限可扩宽至。重要特点:(1) 在绝对温度下直接校准。(2) 1初始精度。(3) 工作于400uA5mA电流范畴。(4) 低于1动态阻抗 。(5) 容易校准 。(6) -40+100宽工作温度范畴。4.2 8255扩展芯片8255是Intel公司生产可编程并行I/O接口芯片,有3个8位并行I/O口。具备3个通道3种工作方式可编程并行接口芯片(40引脚)。 其各口功能可由软件选取,使用灵活,通用性强。8255可作为单片机与各种外设连接时中间接口电路。8255作为主机与外设连接芯片,必要提供与主机相连3个总线接
12、口,即数据线、地址线、控制线接口。同步必要具备与外设连接接口A、B、C口。由于8255可编程,因此必要具备逻辑控制某些,因而8255内部构造分为3个某些:与CPU连接某些、与外设连接某些、控制某些。重要特点:8255管脚特性如下:(1)一种并行输入/输出LSI芯片,多功能I/O器件,可作为CPU总线与外围接口。 (2)具备24个可编程设立I/O口,即3组8位I/O口为PA口,PB口和PC口.它们又可分为两组12位I/O口,A组涉及A口及C口(高4位,PC4PC7),B组涉及B口及C口(低4位,PC0PC3).A组可设立为基本I/O口,闪控(STROBE)I/O闪控式,双向I/O3种模式;B组只
13、能设立为基本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控制字决定。引脚功能:(1) RESET:复位输入线,当该输入端处在高电平时,所有内部寄存器(涉及控制寄存器)均被清除,所有I/O口均被置成输入方式。 (2) CS:芯片选取信号线,当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表达芯片被选中,容许8255与CPU进行通讯;/CS=1时,8255无法与CPU做数据传播. (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,容许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
14、平时,即/WR=0且/CS=0时,容许CPU将数据或控制字写入8255。 (5) D0D7:三态双向数据总线,8255与CPU数据传送通道,当CPU 执行输入输出指令时,通过它实现8位数据读/写操作,控制字和状态信息也通过数据总线传送。 (6) PA0PA7:端口A输入输出线,一种8位数据输出锁存器/缓冲器, 一种8位数据输入锁存器。 (7) PB0PB7:端口B输入输出线,一种8位I/O锁存器, 一种8位输入输出缓冲器。 (8) PC0PC7:端口C输入输出线,一种8位数据输出锁存器/缓冲器, 一种8位数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而提成2个4位端口, 每个4位端口包括一种4位锁
15、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:地址选取线,用来选取8255PA口,PB口,PC口和控制寄存器。当A0=0,A1=0时,PA口被选取;当A0=0,A1=1时,PB口被选取;当A0=1,A1=0时,PC口被选取;当A0=1.A1=1时,控制寄存器被选取。4.3 C8051F020系列单片机本系统核心控制部件采用Silicon Laboratories公司生产C8051F020单片机作为控制器。C8051F系列单片机是集成混合信号片上系统(SOC),具备与MCS-51内核及指令集完全兼容微控制器,除了具备原则8051数字外设部件之外,片
16、内还集成数据采集和控制系统中惯用模仿部件和其她数字外设及功能部件。C8051F系列单片机功能部件涉及模仿多路选取器、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/定期器阵列(PCA)、定期器、数字I/O端口、电源监视器、看门狗定期器WDT和时钟振荡器等。C8051F020单片机是C8051F系列中一种比较有代表性型号,该器件是完全集成混合信号系统级SCM芯片,具备64个数字I/O引脚。重要性能:(1) 高速、流水线构造8051兼容MCS-51内核(可达25MIPS)。(2) 全速、非侵入式在系统调试接口(片内)。(3)
17、真正12位、100ksps8通道ADC,带PGA和模仿多路开关。(4) 真正8位、500kspsADC,带PGA和8通道模仿多路开关。(5) 两个12位DAC,具备可编程数据更新方式。(6) 64KB可在系统编程Flash存储器。(7) 4352(4096+256)B片内RAM。(8) 可寻址64KB地址空间外部数据存储器接口。(9) 硬件实现SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口。(10) 5个通用16位定期器。(11) 具备5个捕获/比较模块可编程计数/定期器阵列。 C8051F系列单片机都可工作在工业温度范畴(-45+85)内用2.73.6V电压工作。端口I/O、/RST和JT
18、AG引脚都容许5V输入信号电压。C8051F020为100引脚TQFP封装。5控制算法研究5.1 PID算法研究 PID是一种负反馈控制,用设定控制目的值与受控对象输出反馈值相比较,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:G= (3-2) 、TI、TD变化对控制作用影响很大:越大,比例调节残差越大,从这一点说,越小能使残差越小。但小则使调节系统开环增益加大,从而也许导致系统激烈振荡甚至不稳定,系统一方面要稳定,因此比例带设定必要保证一定稳定裕度TI越大即积分速度越小,积分作用越弱,使过度时间变长,
19、达到稳定速度越慢。TI越小积分速度越快,而增大积分速度会减少控制系统稳定限度,直至浮现发散振荡过程;TD则重要改进系统动态性能,TD增大会加快系统响应,减少超调,增大系统稳定性,但TD过大,会使系统抗干扰能力削弱,并且微分环节对纯滞后过程无效。PID控制器中,、TI、TD选取如果适当,则能发挥它们长处,从而较好地控制系统,否则,不但不能发挥各种调节作用,反而适得其反。5.2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本一种计算机数字控制。模糊控制模仿人思维通过把精准量模糊化,通过模糊推理,然后通过清晰化解决得到控制量。5.2.1模糊控制算法 模糊自动控制是以模糊集合
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