摘要本課設(shè)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于AT89S52單片機(jī)的空調(diào)溫度控制系統(tǒng)。闡述了系統(tǒng)的工作原理、硬件電路以及軟件設(shè)計(jì)。詳細(xì)論述了數(shù)字PID控制器的原理及其在溫度控系統(tǒng)中的應(yīng)用。此外本系統(tǒng)采用DS18B20新型單總線數(shù)字溫度傳感器集溫度測量和A/D轉(zhuǎn)換于一體,直接輸出數(shù)字量,與單片機(jī)接口電路簡單。本系統(tǒng)由核心處理模塊、溫度采集模塊、鍵盤顯示模塊、及控制執(zhí)行模塊等模塊組成。由于涉及到PID調(diào)節(jié)所以采用c語言編程。系統(tǒng)的顯示模塊由六個(gè)七段數(shù)碼管組成,分別顯示環(huán)境監(jiān)測溫度和溫度設(shè)定值,溫度值分為三位有一位的小數(shù)?？刂齐娐放c電動(dòng)機(jī)的220v低壓電路中間加光電隔離裝置。保證了系統(tǒng)的可靠性。本課設(shè)主要完成成對電熱培養(yǎng)箱箱的溫度測量、顯示；手動(dòng)設(shè)置溫度；溫度智能PID調(diào)節(jié)等功能,由于時(shí)間緊最后空調(diào)設(shè)計(jì)成只升溫不降溫的單向溫度調(diào)節(jié)器,降溫硬件和程序可類比升溫完成,原理相同。通過本課設(shè)可以溫習(xí)大學(xué)期間學(xué)過的關(guān)于數(shù)電、單片機(jī)、微機(jī)原理、c語言、模電等方面的知識,對我將來的工作大有裨益。關(guān)鍵詞：溫度控制AT89S52單片機(jī)DS18B20PID控制目錄緒論···················································································3第二章參數(shù)計(jì)算和選型···································································52.1參數(shù)計(jì)算···············································································52.2選型·····················································································62.2.1溫度顯示電路··································································72.2.3獨(dú)立式鍵盤工作原理·······················································2.2.4電源··············································································光電隔離電路·································································102.2.6AT89S52第三章系統(tǒng)設(shè)計(jì)···········································································123.1硬件設(shè)計(jì)··············································································133.2軟件設(shè)計(jì)·············································································14主程序········································································143.2.2鍵盤掃描電路程序························································PWM控制波程序··························································163.2.4PID算法程序·····························································17第四章結(jié)論··················································································17參考文獻(xiàn)······················································································19第一章緒論空調(diào)即空氣調(diào)節(jié)器<roomairconditioner>,是一種調(diào)節(jié)室溫度的裝置?，F(xiàn)在得空調(diào)一般都由單片機(jī)來控制的。微型單片機(jī)系統(tǒng)以其體積小、性能價(jià)格比高,指令豐富、提供多種外圍接口部件、控制靈活等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各種家電產(chǎn)品和工業(yè)控制系統(tǒng)中,在溫度控制領(lǐng)域的應(yīng)用也十分廣泛。上個(gè)世紀(jì)電子技術(shù)的發(fā)展,特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生,給人們的生活帶來了根本性的變化,如果說微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍,那么單片機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)控制測控領(lǐng)域帶來了一次新的革命。目前,單片機(jī)在工業(yè)控制系統(tǒng)諸多領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。特別是其中的C51系列的單片機(jī)的出現(xiàn),具有更好的穩(wěn)定性,更快和更準(zhǔn)確的運(yùn)算精度,大大加速了工業(yè)的自動(dòng)化進(jìn)程。隨著微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展,微機(jī)測量和控制技術(shù)以其邏輯簡單、控制靈活、使用方便及性能價(jià)格比高的優(yōu)點(diǎn)得到了迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用。它不僅在航空、航天、鐵路交通、冶金,電力、石油化工等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用,而且其技術(shù)在日常生活小諸如電梯、微波爐、電冰箱、智能照相機(jī)、電動(dòng)玩具、全/半自動(dòng)洗衣機(jī)、智能空調(diào)、攜帶式心臟監(jiān)護(hù)機(jī)等高科技產(chǎn)品中也具有廣闊的使用前景,尤其是許多智能儀表和測控系統(tǒng)中引入電腦控制技術(shù)后,使傳統(tǒng)儀器、儀表設(shè)備發(fā)生了根本變化,為工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。溫度控制是無論是在工業(yè)生產(chǎn)過程中,還是在日常生活中都起著非常重要的作用,過低的溫度或過高的溫度都會(huì)使資源失去應(yīng)有的作用,從而造成資源的巨大浪費(fèi)。特別是在當(dāng)前全球能源極度缺乏的情況下,我們更應(yīng)該掌握好對溫度的控制,把身邊的能源好好地利用起來。在現(xiàn)代冶金、石油、化工及電力生產(chǎn)過程中,溫度是極為重要而又普遍的熱工參數(shù)之一。在環(huán)境惡劣或溫度較高等場合下,為了保證生產(chǎn)過程正常安全地進(jìn)行,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量,以及減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約能源,要求對溫度進(jìn)行測、顯示、控制,使之達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn),以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的箱溫控制系統(tǒng),可以同時(shí)采集多個(gè)數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)通過通訊口送至上位機(jī)進(jìn)行顯示和控制。那么無論是哪種控制,我們都希望溫度控制系統(tǒng)能夠有很高的精確度〔起碼是在滿足我們要求的圍,幫助我們實(shí)現(xiàn)我們想要的控制,解決身邊的問題。在現(xiàn)代社會(huì)中,溫度控制不僅應(yīng)用在工廠生產(chǎn)方面,其作用也體現(xiàn)到了各個(gè)方面,隨著人們生活質(zhì)量的提高,酒店廠房及家庭生活中都會(huì)見到溫度控制的影子,溫度控制將更好的服務(wù)于社會(huì).而今,空調(diào)等家用電器隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高越來越普及,一個(gè)簡單,穩(wěn)定的溫度控制系統(tǒng)能更好的適應(yīng)市場。而本次設(shè)計(jì)就是要通過以MCS-51系列單片機(jī)為控制核心,實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)溫度控制器的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)CPU根據(jù)按鍵輸入的命令,對采集和設(shè)置的溫度進(jìn)行智能判斷,做出空調(diào)是否制冷的命令,即是否使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),相應(yīng)的采集和設(shè)置的溫度通過LED顯示出來告訴用戶現(xiàn)在的室溫和設(shè)置溫度。第二章參數(shù)計(jì)算與選型2.1參數(shù)計(jì)算溫度PID控制原理是先求出實(shí)測溫度與設(shè)定溫度的偏差值。然后對偏差值進(jìn)行比例積分與微分?jǐn)?shù)值處理,得到的控制輸出信號用來控制加熱,使溫度控制在設(shè)定的溫度圍。溫控系統(tǒng)采用的數(shù)字PID算法,具體算法采用的是增量式PID算法,增量PID算法的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單,數(shù)據(jù)可以遞推使用,占用存儲空間少,運(yùn)算快．用軟件來實(shí)現(xiàn)。所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量?u<K>,增量式PID控制系統(tǒng)的系統(tǒng)如圖所示。圖14增量式PID控制系統(tǒng)框圖通過離散化過程,可得離散的PID表達(dá)式為：式中：k為采樣序號,k=O、1、2、3、……；u<k>為第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e<k>為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；e<k-1>為第k-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；Ki=Ts/Ti；KD=TD/Ts。可由式<1>導(dǎo)出提供增量的PID控制算式,根據(jù)遞推原理可得：用式<1>減去式<2>,可得：可見?？刂葡到y(tǒng)的輸出僅僅與最近3次的偏差有關(guān)。在確定了Ts、Ti、TD、Kc之后,根據(jù)最近3次的偏差即可求出控制增量。PID參數(shù)的整定PID參數(shù)的設(shè)定決定了升溫速度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。面對不同的控制對象參數(shù)都不相同。根據(jù)這些參數(shù)在整個(gè)PID控制過程中的作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象具體調(diào)節(jié)。1>溫度很迅速就能達(dá)到目標(biāo)值,但是過沖很大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因是：比例系數(shù)太大,致使在達(dá)到設(shè)定值之前溫度上升比例過高；微分系數(shù)過小,致使對控制對象的反應(yīng)不夠靈敏。2>溫度經(jīng)常達(dá)不到目標(biāo)值,小于目標(biāo)值的時(shí)間較長．出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因是：比例系數(shù)過小,升溫比例不夠；積分系數(shù)過小,對恒定偏差補(bǔ)償不足。3>基本上能夠控制在目標(biāo)溫度上,但上下偏差很大經(jīng)常波動(dòng)．出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因是：微分系數(shù)過小,對即時(shí)變化反應(yīng)不夠迅速；積分系數(shù)過大,使微分反應(yīng)被淹沒鈍化；設(shè)定的基本控制周期過短,加熱沒來得及傳到測溫點(diǎn)上。PID參數(shù)的調(diào)整步驟一般為先比例,后積分,再微分的整定步驟．編程時(shí)先設(shè)定他們的大概數(shù)值。然后通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)調(diào)試,根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象最終選定比較理想的參數(shù)值。對溫度控制系統(tǒng),通過實(shí)驗(yàn)測量,被控對象的純滯后時(shí)間為120秒。γ=120s。測得加熱爐絲的溫度相對時(shí)間的階躍響應(yīng)曲線．由階躍響應(yīng)曲線可以確定T=240s,K=O．5,對象的數(shù)學(xué)模型為一階慣帶延遲的近似環(huán)節(jié)特性：2.2選型溫度傳感器DS18B20本系統(tǒng)選用的是數(shù)字式的溫度傳感器DSl8B20。DSl8B20是美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的新一代數(shù)字式溫度傳感器,采用TO一92封裝。它具有獨(dú)特的單總線接口方式,將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線復(fù)用為一根信號線。輸入輸出均為數(shù)字信號。這使得其與單片機(jī)接口變得十分簡單,克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時(shí)需要的AD轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn),由它組成的溫度測控系統(tǒng)非常方便,而且成本低、體積小、可靠性高。DSl8B20供電電壓圍為3．0～5．5V。測溫圍：-55℃—125℃,測量分辨率為0．0625℃,在-10℃—85℃圍,精度為±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(bào)警觸發(fā)器TH和TL配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖9所示,DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸人端<在寄生電源接線方式時(shí)接地>。光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的,它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位<28H>是產(chǎn)品類型標(biāo)號,接著的48位是該DS18B20自身的序列號,最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼<CRC=X^8+X^5+X^4+1>。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同,這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。DSI81320的部結(jié)構(gòu)DS18B20的管腳排列本設(shè)計(jì)DS18B20采用外接電源方式,其VDD端用3V～55V電源供電。DS18B20與微處理器的典型連接圖溫度顯示電路本系統(tǒng)采用因?yàn)楸鞠到y(tǒng)采用的是共陽極LED顯示器,位選應(yīng)接高電平,P2口輸出的段選信號,通過74LS245芯片接LED段碼引腳,74LS245的高電平輸出電流在15毫安左右,可以驅(qū)動(dòng)LED顯示。另外74LS245的輸出接上拉電阻,幫助驅(qū)動(dòng)顯示器。LED顯示器是由發(fā)光二極管顯示子段組成的顯示器件。在單片機(jī)系統(tǒng)常使用的是七段LED顯示器,這種顯示器有共陰極共陽極兩種,在這次設(shè)計(jì)中選用陽極LED顯示器。共陽極七段LED顯示器的管腳表1共陰極LED顯示器七段碼顯示字符共陰極七段碼顯示字符共陰極七段碼0C05921F96832A47F83B0880499998溫度由來自單片機(jī)P2．0<RXD>口輸出的數(shù)據(jù),通過串入并出移位寄存器74L5164來驅(qū)動(dòng)3位七段LED數(shù)碼顯示,顯示溫度值的十位、個(gè)位、小數(shù)位。顯示圍為0.0℃~AT89S51P2.0三位AT89S51P2.0三位七段數(shù)碼顯示串入并出移位寄存器74L5164顯示模塊的組成框圖獨(dú)立式鍵盤工作原理因?yàn)殒I盤較少所以用簡單的獨(dú)立式鍵盤,它的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單,缺點(diǎn)是占用I/O口多,適用于鍵盤較少的電路。鍵盤的工作原理是按鍵的一端高電平,另一端已單片機(jī)的某個(gè)I/O口相連,當(dāng)按鍵閉合時(shí),即相當(dāng)于該I/O口通過按鍵已電源相連,變成高電平,程序一旦檢測到I/O口變?yōu)楦唠娖絼t說明在年間被按下,然后執(zhí)行相應(yīng)的指令。這是基本原理,在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)還要考慮鍵盤的延時(shí)去抖,去抖的原理是,當(dāng)檢測到有鍵按下時(shí),單片機(jī)先不動(dòng)作,延時(shí)10毫秒以后,單片機(jī)再次檢測按鍵是否按下,如果還是按下,就說明此鍵確實(shí)是按下狀態(tài),單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)操作電源由于本設(shè)計(jì)由+5V電壓供電,并且+5V是主電源。變壓器分別采用220/8的變壓器,穩(wěn)壓電路分別采用集成穩(wěn)壓器件7805進(jìn)行穩(wěn)壓。光電隔離模塊執(zhí)行信號輸出通道的原理圖如圖所示,AT89S52的輸出信號經(jīng)過光電耦合器,直接控制雙向可控硅的門極,從而控制電熱絲的平均加熱功率。這樣使輸出通道省去了D/A轉(zhuǎn)換器和可控硅移相觸發(fā)電路,大大的簡化了硬件。而且可控硅在工作在過零觸發(fā)狀態(tài),提高了設(shè)備的功率因數(shù),減輕了對電網(wǎng)的干擾。光電耦合器的光敏三極管所能通過的電流足以觸發(fā)5A的雙向可控硅,其間不必功放環(huán)節(jié)。可控硅門極回路與220V電源相通,光電耦合器的絕緣耐壓,能有效地把微機(jī)系統(tǒng)與220V強(qiáng)電隔離。系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.2.6AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司制造,與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程,亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上,擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash,256字節(jié)RAM,32位I/O口線,看門狗定時(shí)器,2個(gè)數(shù)據(jù)指針,三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu),另外,AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作,支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下,CPU停止工作,允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下,RAM容被保存,振蕩器被凍結(jié),單片機(jī)一切工作停止,直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。3.1硬件設(shè)計(jì)由于掌握知識有限,又有考試占用課設(shè)時(shí)間。本次課設(shè)的選型盡量選擇設(shè)計(jì)簡單功能單一的原件,以完成設(shè)計(jì)任務(wù)為前提。本次課設(shè)主要用了單片機(jī)的p1和p2口。P1.0接溫度采集,p1.2和p1.3接鍵盤加減,p1.4接信號輸出也就是制熱壓縮機(jī),p2端口則用來連接七段數(shù)碼管顯示溫度。AT89S52是整個(gè)系統(tǒng)的CPU．測量的溫度由DSl8B20數(shù)字溫度傳感器檢測并直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,單片機(jī)將該溫度值與被控制值<設(shè)定溫度值>進(jìn)行比較,計(jì)算出溫度偏差,根據(jù)其偏差值的大小,然后采用PID控制算法并計(jì)算出相應(yīng)的控制輸出量,最后通過D／A轉(zhuǎn)換電路<這里采用PWM調(diào)功方式,相當(dāng)于D／A轉(zhuǎn)換器>控制固態(tài)繼電器在控制周期的通斷占空比<即控制電阻爐平均功率的大小>,將控制輸出量輸出,控制加熱器工作,進(jìn)而達(dá)到對溫度進(jìn)行控制的目的?；赑ID算法的溫度測控系統(tǒng)由核心處理模塊、溫度采集模塊、鍵盤顯示模塊、及控制執(zhí)行模塊等模塊組成?？刂茍?zhí)行模塊采用PID數(shù)字控制算法。溫度采用3個(gè)七段數(shù)碼管顯示。溫度測控系統(tǒng)總框圖如下圖所示核核心處理模塊〔單片機(jī)溫度采集模塊溫度采集模塊鍵盤顯示模塊鍵盤顯示模塊控制執(zhí)行模塊控制執(zhí)行模塊系統(tǒng)接線圖：P0.0~P0.7為七段數(shù)碼管的片選輸出端P2.0~P2.5為七段數(shù)碼管的位選輸出端P1.0為溫度信號輸入端P1.2為設(shè)定溫度"+"鍵的輸入端P1.3為設(shè)定溫度"-"鍵的輸入端P1.4為信號輸出端3.2軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖和程序主函數(shù)：voidmain<> //主函數(shù){ uchari; TMOD=V_TMOD;//定時(shí)器初始化TH0=V_TH0;TL0=V_TL0;ET0=1;EA=1; while<1> {keyscan<>; //按鍵調(diào)整溫度的設(shè)定值 tempchange<>; //溫度轉(zhuǎn)換函數(shù) for<i=10;i>0;i--> { dis_temp<get_temp<>>; //獲取實(shí)際溫度并顯示dic_temp<wendu_c>;//設(shè)定溫度顯示}鍵盤掃描電路程序其中S1為溫度加鍵,S2為溫度減鍵,當(dāng)按S1鍵時(shí),設(shè)置溫度加0.5度。當(dāng)按S2鍵時(shí),設(shè)置溫度減0.5度。但是由于系統(tǒng)要求在5度至70度之間所有在減到15或加到30后就不在進(jìn)行加減。圖8所示為鍵盤掃描子程序的流程圖。實(shí)現(xiàn)程序如下：voidkeyscan<> //鍵盤掃描{ if<key_up==0> //數(shù)字加按鍵按下{ delay<5>; //延時(shí)消除按鍵抖動(dòng) if<key_up==0> //確認(rèn)數(shù)字加按鍵按下 {if<wendu_c>=200>wendu_c=200; elsewendu_c=wendu_c+5; //溫度初始值加0.5度 } while<key_up==0> { dic_temp<wendu_c>; //顯示的方式等待按鍵松開 } } if<key_down==0> //數(shù)字減按鍵按下 { delay<5>; //延時(shí)消除按鍵抖動(dòng) if<key_down==0> //確認(rèn)數(shù)字減按鍵按下 { if<wendu_c>=200>wendu_c=200; elsewendu_c=wendu_c+5; //溫度初始值加0.5度 } while<key_down==0> { dic_temp<wendu_c>; //顯示的方式等待按鍵松開 } } dic_temp<wendu_c>; //顯示調(diào)整后的溫度初始值}PWM控制波的軟件實(shí)現(xiàn)PWM控制采用軟件定時(shí)器實(shí)現(xiàn),定時(shí)器以工頻周期為基本計(jì)數(shù)周期進(jìn)行加法定時(shí)。定時(shí)器采用工作方式0,時(shí)基定為100毫秒。這里假定PWM波的周期為10秒,把每個(gè)周期分成M=100份,由PID算法得到一個(gè)0～100之間整數(shù)形式的輸出控制量N。一個(gè)周期開始時(shí)M=0,P1．1腳輸出高電平,加熱器停止加熱,每100毫秒M加l,當(dāng)M小于等于由PID算法得出的控制量時(shí),P1．1腳電平翻轉(zhuǎn)輸出低電平,這時(shí)加熱器開始加熱,直到M加到100,重新開始下一個(gè)控制周期。等到下一周期開始P1．1腳電平又被置為高電平,如此反復(fù)進(jìn)行便產(chǎn)生溫度控制的PWM波。具體實(shí)現(xiàn)程序如下：#defineV_TH00X3C#defineV_TL00XB0#defineV_TMOD0X01voidtimer0<void>interrupt1{TH0=V_TH0;//恢復(fù)定時(shí)器初始值TL0=V_TL0;ET0=1;EA=1;TR0=1;click++;if<click>=100>//判斷采樣周期是否到？{click=0;zhouqi=1;}if<click<=ZKB>//判斷脈寬定時(shí)周期是否到？從而實(shí)現(xiàn)占空比的調(diào)整shuchu=1;else shuchu=0;}3.2.4PID算法軟件實(shí)現(xiàn)voiddeal<uintt> //加熱控制函數(shù){ TR0=1;if<zhouqi==1>//進(jìn)行PID算法,求新的占空比 { zhouqi=0; ek=wendu_c-t;//計(jì)算偏差u_k=kp*<ek-ek1>+ki*ek+kd*<ek-2*ek1+ek2>;//計(jì)算增量uk=uk1+u_k;zkc=100*uk/uc; if<zkc>=95>zkc=95; kkk=<int>zkc; }if<t>=wendu_c>//大于設(shè)定值shuchu=0;//輸出高電平voiddeal<uintt> /壓縮機(jī)控制函數(shù){ TR0=1;if<