基于单片机实现的空调温度自动控制系统的设计毕业设计论文word格式.docx

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基于单片机实现的空调温度自动控制系统的设计毕业设计论文word格式

空调机的温度控制系统

摘要

空调机的温度控制对于工业和日常生活等工程都具有广阔的应用前景。

本文将传统控制理论与智能控制理论相结合应用于温度控制的实际工程中。

首先，设计出系统的硬件构成，然后，从热力学的角度对温度对象的特性做了较深入的分析，从理论上推导出温度对象的常用的一阶带纯滞后的近似数学模型，并给出了数学模型中各参数的含义。

在此基础上，本文分析了现有空调机控制方法的利弊，并针对它们各自的优、缺点，对具有纯滞后特性的温度对象提出一种改进的模糊控制方法。

该方法将模糊控制、PID控制结合起来。

通过数字仿真表明该方法对空调机温度的控制具有超调小（可达到无超调）、调节时间短、鲁棒性好等优点。

在此基础上，用阶跃信号做激励，辨识出系统的数学模型。

本文的最后，通过对实物实验结果可以看出，本文所提出的改进的模糊控制算法对非线性、具纯滞后环节对象的控制是很有效的。

温度控制系统的软件采用汇编语言编制，控制算法部分采用C与汇编混合编程。

该软件基于Windows20000/xp平台，人机界面友好，易于用户操作。

具有在线修改采样时间、控制算法、控制参数、图形显示及数据保存和打印功能。

设计的空调机温度控制的精确性，使用方便，功能齐全。

关键词：

PWM控制、模型辨识、模糊控制、PID控制

Conditioningtemperaturecontrolsystem

Abstract

The　thesis　studies　the　Plant　of　temperature.Firstly，thesystem15designedandrealized.ThenthecharacteristicsoftemperatureofPlantareanalyzedinalldetailsfromthermodynamics.Theapproximatemathematicsmodeloftemperatureplantwithoneorderanddeadtimeisreducedandthemeaningofeveryparameterofthismodelareexpressed，Whichisusedoftenandpracticallyinthepaper.Inadditiontothis，weidentifythemodelofthesystemandtheresultdemonstratedthemethodiseffectiveforit.

Secondlyweanalyzedadvantagesanddisadvantagesofpresentcontrolmethodoftemperature.OnekindofimprovedFuzz-DahlincontrolmethodispresentedforTemperaturePlantwithlongdeadtimeandnon-linearity.TheDahlincontrolmethod，ThefuzzycontrolmethodarecombinedinthisimprovedmethodItisdemonstratedBydigitalsimulationthattheimprovedFuzzy-Dahlinmakestheextra-regulationmoresmall（evenzero），theregulationtimemoreshort，andtherobustnessbetterforthetemperaturecontrolledPlant.ItisdemonstratedbyphysicalexperimentationthatimprovedFuzzy-DahlinmethodpresentedinthisPaperiseffectivefortemperatureplantwithdeadtimeandnon-linearity.

Thecontrolsoftwareiscompiledwithvisualc++andmatlab.It’seasytouseandfriendlytotheinterfaceofpersonandmachineonthebasisofwindow2000/xpplatform.Therearesomefunctionsasmodifysampletimeormodifycontroller’sparametersonline，displayandcopydataoftemperaturecurve，andsoon.Thecontrolhardwareiseasytouseanditsfunctionsareselfcontained.

KeyWord:

Intelligentcontrol，modelidentify，Dahlincontrol，Fuzzycontrol，PIDcontrol

摘要….............................................................................................................................Ⅰ

Abstract..........................................................................................................................Ⅱ

一、绪论..........................................................................................................................3

（一）课题国内外现状..............................................................................................3

（二）课题的研究目的及意义..................................................................................3

1.课题的研究目的..............................................................................................3

2.本课题的研究意义..........................................................................................4

3.课题的特点及具体要求...................................................................................4

（三）本文的主要工作..............................................................................................4

二、温度控制系统硬件实现........................................................................................6

（一）总体设计.........................................................................................................6

（二）信号采样电路设计.........................................................................................6

1.温度采样设计.................................................................................................6

2.单片机最小系统设计.....................................................................................9

（三）A/D转换电路设计.........................................................................................11

1.A/D转换的常用方法.....................................................................................11

2.A/D转换的主要技术指标….........................................................................11

3.ADC0809的主要特性和内部结构…….........................................................12

4.ADC0809管脚功能及定义….......................................................................13

5.ADC0809与8031的接口电路.....................................................................14

三、温度控制系统软件实现........................................................................................15

（一）系统初始化程序...........................................................................................15

（二）程序的主循环框架.......................................................................................15

（三）校准程序........................................................................................................18

四、控制算法研究........................................................................................................19

（一）PID算法研究.............................................................................................19

（二）模糊控制系统设计.....................................................................................19

1.模糊控制算法................................................................................................19

2.模糊控制的基本概念....................................................................................21

3.模糊控制器的设计要点................................................................................22

4.模糊控制过程................................................................................................24

（三）比较算法......................................................................................................28

五、结论及展望..........................................................................................................30

（一）结论..............................................................................................................30

（二）展望..............................................................................................................30

致谢..............................................................................................................................32

参考文献.....................................................................................................................33

一、绪论

（一）课题的国内外现状

控制菌种生长环境的设施和设备由功能简单、单一的气候箱发展成现在控制复的人工气候室，这对于研究在人工模拟自然生态环境中生长因素对菌种生长的提供了必要的条件和能够继续深入研究的基础。

目前，大多数菌种培养车间都采取通过控制水加热机组和水制冷机组进行温度的调节，这使得整个控制设备占于庞大，控制复杂，能耗大，投资高。

部分气候室采用中央空调控制温度，但中央空调同样存在成本高低精度的问题，且存在不同气候室同时向主机提出两种不同运行式请求，导致系统失控的可能，因此，此种车间的控温方法也存在缺陷。

所以，操作简单，控制精度高，系统性能好，投资低的新型菌种培养车间正为人们所期待。

本文提出了一种以普通壁挂式空调来调节人工气候室温度的新方法，加以合理智能算法可以有效地对温度进行高精度恒温控制，而且成本较低，操作方便。

（二）课题的目的及意义

1.课题的研究目的

高精度温度控制就是实现温度的更加精确化,准确化。

实现温度恒温化,更好的来满足菌种的生长温度。

当今空调机的温度控制是人们利用可控电路对空调机进行控制,来实现对温度的控制。

它只能满足人们一般的需求，温控精度也不高，对更高的温度需求不能满足。

例如菌种的培养车间，菌种的生长需要非常稳定的温度环境，对温度的要求非常高，这就需要对空调机的温度来实现高精度控制。

培养菌种的培养车间需要较高的温度精度，它的温度控制一般是由空调机来实现的，而现今空调机的控温精度不高，一般在2～3度左右,误差比较大。

这就需要对我们控温系统进行改进。

来实现空调机高精度的控制。

菌种培养车间需要的误差一般在0.5度左右，这首先需要非常灵敏的装置对温度进行检测，防止因检测而带来的错误。

这可以用电接水银温度计（WXG型）进行测量。

将测量的信号通过高灵敏度的温度传感器送到微处理器中。

从而用微处理器来实现对空调机的高精度温度控制。

这样才能满足培菌车间的需要。

2.本课题的研究意义

（1）要使菌种培育更好，就必须有一流的生长条件和环境。

传统的菌种培养车间是育种试验必不可少的条件，它可以缩短试验周期，可以模拟各种气候条件而不受自然气候的制约和影响。

但是温度控制的精度还是不高,这就必须对空调机进行改进,实现对温度高精度控制。

（2）本系统就是针对以上老系统存在的不足及实际要求设计开发的。

只要设定运行曲线后，就可连续自动地运行，按照给定曲线同时调节温度，并保存实际运行的参数和设定参数。

3.课题的特点及具体要求

（1）菌种培养车间是一个多变量相互祸合的复杂系统，温度具有纯滞后、大惯性特性。

而且外界的气候的变化也会对室内的温度产生影响。

所以按照常规的的控制方法，要对温室对象建立精确数学模型几乎是不可能的，而且控制精度很难保证育种过程的要求。

培养车间能够在任意时候模拟任意的气候条件，而且温度要能够严格按照给定曲线变化，要求具有保护功能。

根据己有控制系统的运行经验和不足之处，改造其老系统，要求实现的主要功能和技术指标如下：

系统需采用两级计算机控制，上位机采用工控机，下位机采用自行开发的智能控制器。

（2）系统的控制算法采用智能控制算法，温度的控制精度要求为±0.2℃，

（3）上位机应用程序是在Windows98环境下开发的应用程序，可以监控多台下位机，要求有参数设定计算、过程监控、数据存储和通信等功能。

（4）下位机具有实时控制功能，在上位机出现故障的时候可以实施单独控制，并且可靠性要高。

（三）本文的主要工作

本文针对单片机对温度控制监测系统若干关键技术展开研究工作，主要集中在以下几个方面：

1．分析项目要求，介绍以低成本为核心指导思想的温度控制系统的总体方案设计，统的组成和工作原理，阐述多点校准技术和线型插值技术在系统设计中的应用，以及些技术的应用对降低成本的作用。

2．系统的硬件设计，介绍主要硬件的选型及其主要特点，温度传感器Pt100采样以及信号放大处理，信号调理与A/D转换电路的设计，低压线性稳压器的电路设计，片机接口电路的设计以及电路的总体设计等。

3．模块功能设计及实现，详细介绍在温度监控系统中应用到的各个模块的功能和应方法，涉及到各个模块的功能和工作原理，各个控制寄存器的设定，模块之间的关系协作方式等。

包括基本始终模块的应用，E2ROM存储器x25043/45的应用，数码显示管的应用以及按键等的实现。

4．系统的总体设计和主要程序模块，程序设计采用汇编语言和C语言模式，并将低本高精度思想融入其中，介绍的程序模块包括：

系统初始化程序、主循环框架、准程序、LED数码显示程序并给出了程序的设计流程图和部分程序源代码。

5．总结温度控制系统的设计，介绍了使用现状以及未来的改进和发展方向。

二、温度控制系统硬件实现

（一）总体设计

总的设计思想是通过温、湿度器及执行机构，完成温、湿度自动调节及声光报警等功能，总体设计框图如图传感器将温度、湿度值转换为电量输出，由A/D转换器对模拟信号进行数字化，被数字化的信号经过单片机处理后，送显示

图2.1总体设计框图

本系统完成以下功能：

可对温、湿度进行多点自动检测、显示、报警和调控。

当温、湿度超过上、下限设定值时，可自动发出声光报警，并进行温、湿度调节控制，直到报警消除，报警的上下限值可通过键盘随时设定。

为实现以上功能需安排以下五个部分组成整个控制系统如图2.1所示。

系统的硬件组成：

（1）信号采样电路

（2）单片机基本系统（8031）

（3）A/D转换电路（4）键盘和显示电路（5）执行电路

（二）信号采样电路设计

采样电路在整个控制装置中占据着十分重要的地位，采样值是8031主要处理的数据，是实施控制的依据，所以保证采样电路的准确是进行良好控制的基础。

1.温度采样电路设计

（1）温度传感器的选择

温度传感器的种类很多，根据温室使用条件，选择恰当的传感器类型才能保证测量的准确可靠，并同时达到增加使用寿命和降低成本的目的。

根据温室温度控制的特点，本系统中温度传感器选用AD590集成温度传感器。

集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的关系实现对温度的检测：

（2-1）

式中，K—波尔兹常数；q—电子电荷绝对值。

集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。

集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。

电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。

电流输出型的灵敏度一般为1μA/K。

AD590是美国模拟器件公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。

这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。

该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。

它的主要特性参数如下：

1.流过器件的电流（μA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，

即：

（2-2）

式中：

Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为μA。

T—热力学温度，单位为K。

2．AD590的测温范围为-55～+150℃。

3．AD590的电源电压范围为4V～30V。

电源电压可在4V～6V范围变化，电流Ir变化1μA，相当于温度变化1K。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。

4．输出电阻为710M

。

5．精度高：

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。

6.灵敏度：

1μA/K。

1.2温度检测电路的设计

在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。

因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器RP1的电阻之和为10k

时，输出电压VO的变化为10mV/K。

但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。

为了使此电阻精确（0.1%），可用一个9.6k

的电阻与一个1k电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10k

的电阻。

温度检测电路如图2.2所示，其中运算放大器A1被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。

而运放A2的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给A2的同相输入端输入一个恒定的电压，然后将此电压放大到2.732V。

这样，A1与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。

图2.2温度检测电路

将AD590放入0℃的冰水混合溶液中，A1同相输入端的电压应为2.732V，同样使A2的输出电压也为2.732V，因此A1与A2两输出端之间的电压为0V即对应于0℃。

AD590温度与电流的关系如表2.1所示。

2.1AD590温度与电流的关系

摄氏温度

AD590电流

经10K

电压

0