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空调温度控制系统毕业论文
空调温度控制系统毕业论文
空调机的温度控制系统设计
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。
在此基拙上，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。
在此基拙上，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
外文摘要
Abstract
ThethesisstudiesthePlantoftemperature.Firstly,thesysteml5
designedandrealized.ThenthecharacteristicsoftemperatureofPlantareanalyzedinalldetailsfromthermodynamics.Theapproximatemathematicsmodeloftemperatureplantwithoneorderanddeadtimeisreducedandthemeaningofeveryparameterofthismodelareexpressed,Whichisusedoftenandpracticallyinthepaper.Inadditiontothis,weidentifythemodelofthesystemandtheresultdemonstratedthemethod
iseffectiveforit.
Secondlyweanalyzedadvantagesanddisadvantagesofpresentcontrolmethodoftemperature.OnekindofimprovedFuzz-DahlincontrolmethodispresentedforTemperaturePlantwithlongdeadtimeandnon-Iinearity.TheDahlincontrolmethod,Thefuzzycontrolmethodarecombinedinthis
improvedmethodItisdemonstratedBydigitalsimulationthattheimprovedFuzzy-Dahlinmakestheextra-regulationmoresmall（evenzero）,
theregulationtimemoreshort,andtherobustnessbetterforthetemperaturecontrolledPlant.ItisdemonstratedbyphysicalexperimentationthatimprovedFuzzy-DahlinmethodpresentedinthisPaperiseffectivefortemperatureplantwithdeadtimeandnon-Iinearity.
Thecontrolsoftwareiscompiledwithvisualc++andmatlab」t'seasytouseandfriendlytotheinterfaceofpersonandmachineonthebasisofwindow2000/xpplatform..
KeywordsIntelligentcontrol,modelidentify,Dahlincontrol,Fuzzycontrol,PIDcontrol
目次
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2课题方案、设计相关知识2
1.3毕业设计目标和任务3
1.4技术指标应用范围4
第2章空调机的总体设计5
2.1课题总体设计5
2.2生产中遇到的问题6
2.3设计系统达到的功能6
第3章硬件设计2
3.1温度采样电路设计2
3.2单片机最小系统的设计4
3.3A/D转换电路设计6
第4章软件设计10
4.1软件程序的主循环框架10
4.2校准程序12
4.3PID算法的研究13
4.4模糊控制系统设计14
第5章整个系统特性22
第6章设计的总结23
致谢24
参考文献25
第1章绪论
1.1课题背景
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。
1.2课题方案、设计相关知识
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：
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。
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PtIOO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。
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，EROM存储器X25043/45的应
用，数码显示管的应用以及按键等的实现。
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。
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。
1.3毕业设计目标和任务
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。
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。
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。
1.4技术指标应用范围
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。
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土0.2C,
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。
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。
第2章空调机的总体设计
2.1课题总体设计
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）
⑶A/D转换电路
（4）键盘和显示电路
（5）执行电路
2.2生产中遇到的问题
空调器的电气控制电路的故障往往涉及制冷系统和空气循环系统，故应联系起来
综合分析。
元件
故障原因
解决方法
电源
无电，电源电压不正常或缺相
检查供电，测试电压
电源
电源线路问题
检查供电，测试电压
控温器
压力式温控器内部故障
更换
电容器
电容器断路、短路、容量不足
更换
电加热器
电热丝烧断、断线和接线错误等
更换或重接
过载保护器
损坏
更换
压力继电器
其他故障原因造成压力继电器
动作
查找具体故障
遥控器
导电胶片积灰过厚，线路板故障
清洗、维修
2.3设计系统达到的功能
1.采用两级计算机控制系统，加强了系统的过程控制功能，在DDO单独控制下也可以很好地完成过程控制，增强系统的可靠性。
2.系统控制方案合理，算法实现自寻优，温度跟踪特性好，稳态精度高，超调量小。
3.系统可以实现长时间的、全过程的自动控制及监控，减轻了实验人员的劳动强度，提高了实验效率。
4.系统的人机界面友好，操作人员操作简单方便。
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第3章硬件设计
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。
3.1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和通过发射极电流工的关系实现对温度的检测：
KIT
vbe=一mi（3-1）
q
式中，K一波尔兹常数；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0C时输出为0,温度25C时输出2.982V。
电流输出型的灵敏度一般为1卩A/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（卩A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：
=1上卩A/K（3-2）
T
式中:
I「一流过器件（AD590）的电流，单位为卩Ao
T—热力学温度，单位为Ko
2.AD590的测温范围为-55〜+150C。
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1「变化1卩A,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710MQ。
5.精度高:
AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55〜+150C范围内，非线性误差为土0.3C。
6.灵敏度:
1卩A/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IOkQ
图3.2温度检测电路
时，输出电压VO的变化为IOmV/匕但由于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9.6kQ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10kQ的电阻。
温度检测电路如图2.2所示，其中运算放大器Al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，Al与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。
将AD590放入0C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0C
AD590温度与电流的关系如表2.1所示。
表3.1AD590温度与电流的关系
摄氏温度
AD590
电流
经10KQ电压
0
273.2
卩A
2.732V
10
283.2
卩A
2.832V
20
293.2
卩A
2.932V
30
303.2
卩A
3.032V
40
313.2
卩A
3.132V
50
323.2
卩A
3.232V
60
333.2
卩A
3.332V
100
373.2
卩A
3.732V
3.2单片机最小系统的设计
（1）单片机复位电路的设计
复位电路是单片机应用中重要的一环，它对单片机抗干扰有重要作用。
在振荡运
行的情况下，要实现复位操作，必须使RST引脚至少保持两个机器周期的高电平。
复位期间不产生ALE及PSEN言号。
复位后，各内部寄存器状态如表2.2所示。
8031单片机的复位电路如图3.3所示。
表3.2各内部寄存器状态
寄存器
内容
寄存器
内容
PC
0000H
TMOP
00H
AAC
00H
TCON
00H
B
00H
TH
00H
PSW
00H
TH
00H
SP
07H
TL
00H
DPTR
0000H
TL
00H
P0-P3
0FFH
SCON
00H
IP
xxx00000
SBUF
不定
IE
0xx00000
PCON
0XXXXXXX
图3.3复位电路
⑵单片机时钟电路的设计
单片机的时钟产生方法有两种：
内部时钟方式和外部时钟方式。
本系统中8031单片机采用内部时钟方式。
最常用的内部时钟方式是采用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。
振荡晶体可在1.2MHz〜12MHz之间。
电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小和振荡电路起振速度有少许影响，一般可在20pF-100pF之
间取值。
8031单片机的时钟电路如图3.4所示。
图3.4时钟电路
（3）8031单片机最小系统
一个最小8031单片机系统有CPU（8031）,8位3态D锁存器74LS373,ROM£RAM时钟电路和复位电路等基本电路组成。
3.3A/D转换电路设计
由信号处理电路输出的信号为模拟信号，而单片机只能处理数字量，所以必须首先将模拟量经过一定电路转换为数字信号，单片机才能处理，这种电路被称为A/D转
换电路，是模拟系统与计算机之间的接口部件。
3.3.1A/D转换的常用方法
A/D转换的常用方法有：
双积分式A/D转换、逐次逼近型A/D转换、计数型A/D转换等。
双积分式A/D转换的工作原理是将对输入电压的测量，转换成对基准源积分时间的测量，再测量时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值。
这种方法的主要优点是分辩率高、精度高、抗干扰性好；主要缺点是转换速度慢。
逐次逼近型A/D由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑构成，顺序地增加内部D/A的输入值，并将其输出电压与A/D测量输入电压比较，当二者相等时，内部D/A的输入值就是A/D转换的结果。
这种方法的主要优点是速度快、功耗低；主要缺点是抗干扰性差。
3.3.2A/D转换器的主要技术指标
A/D转换器的主要技术指标有：
分辨率、精度、量程、转换时间等。
分辨率
（Resolution）分辨率反映转换器所能分辨的被测量的最小值。
通常用输出二进制代码的位数来表示。
8位A/D转换器的分辨率为8位。
精度（Precision）精度指的是转换的结果相对于实际的偏差，精度有两种表示方法：
绝对精度和相对精度。
绝对精度用最
低位（LSB）的倍数来表示，如：
土1LSB相对精度用绝对精度除以满量程值的百分数来表示，如：
土0.05%。
同样分辨率的转换器其精度可能不同。
量程（满刻度范围一FullScaleRange）量程是指输入模拟电压的变化范围。
如：
某转换器具有lOV的单极性范围或-5〜+5V的双极性范围，它们的量程都为10V。
实际的A/D,D/A转换器的最大输入/输出值总是比满刻度值小。
转换时间（ConversionTime）A/D转换器的转换时间是指：
从启动转换开始，直至取得稳定的数字量或模拟量所需的时间称为转换时间。
转换时间与转换器原理及其位数有关。
同种工作原理的转换器，通常位数越多，转换时间越长。
3.3.3ADC0809的主要特性和内部结构
本系统采用ADC080肽规模集成电路芯片，它是逐次逼近式A/D转换器，输出的数字信号有三态缓冲器，可以和单片机直接接口。
ADC0809勺主要技术指标为：
分辨率:
8位；
单电源供电：
+5V;
最大不可调误差小于土1LSB
转换时间为100卩s（时钟频率为640KHZ）;
模拟输入范围：
单极性0〜5V;
不必进行零点和满刻度调整；
功耗为15Mw
8位A/D转换器和
ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个一个三态输出锁存器组成。
其内部结构框图如图3.5所示。
图3.5ADC0809转换器的内部机构框图
334ADC0809管脚功能及定义
ADC0809莫数转换器的管脚定义如图3.6所示
DK）
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
B
C
AI£
图3.6ADC0809管脚结构
•IN0〜IN7:
8通道模拟量输入。
•ADDAADDSADDCA、BC为地址输入线，用于选通工IN0〜IN7上的一路模拟量输入。
通道选择表如表2-3所示。
•ALE:
地址锁存允许输入线，高电平有效。
当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A、BC三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中通道的模拟量进转换器进行转换。
•D0-D7:
8位输出数据线（三态），A/D转换结果由这8根线传送给单片机。
•OE允许输出信号。
当0E=1时，输出转换得到的数据；当OE=0时，输出数据线呈高阻状态。
•START转换启动信号。
STAR■为正脉冲，其上跳沿所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，START应保持低电平。
•EOC转换结束信号。
当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。
•CLK:
时钟输入信号。
因ADC080啲内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，频率范围为10KHz-1.2MHz典型值为640KHz
表3.3通道的选择表
C
B
A
选择的通道
0
0
0
IN0:
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
3.3.5ADC0809与8031的接口电路
A/D转换
ADC0809有8个通道的模拟量输入，在程序控制下，可令任意通道进行并可得到相应的8位二进制数字量。
第4章软件设计
系统初始化程序是为了在进入主程序循环之前，做好必要的准备工作，包括如下
内容：
1.停止X25043内部的看门狗。
2.设定X25043内部WD■为定时器模式，定时为0.25秒，并允许内部WDT中断。
3.设定UO端口状态，全部设定为输入状态，降低功耗。
4.初始化EPROM设定位于EPROM内的看门狗定时为1.4s。
5.从护EPROM读入校准数据，将校准数据写到内存。
6.启动位于UPRON内的看门狗。
7.将UPRO啲片选端CS置为1,使EPROMS入待机模式，以降低功耗。
8.设定校准按键为中断允许状态。
9.总中断允许设为1。
10.示模块开始。
11.PID参数初始化。
12.PWM参数初始化。
4.1软件程序的主循环框架
程
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