空调控制系统设计

电 子 信 息 与 电 气 工 程 系 课程设计报告 设计目：    空调控制系统设计    系    别：      电子系           年级专业：      07自动化（1）    2010 年 06 月 18 日 《空调控制系统设计》任务书 设计内容 设计一空调房间温度控制系统，该系统能准确测量房间温度，并根据设定温度进行有效控制。空调设计变频空调制冷(热)量与压缩机转速有关，通过控制压缩机转速频率来控制所需热量。空调模型相当于一个积分环节与一个惯性环节的串联。房间模型主要考虑室内外温度干扰与散热片热量共同作用于具有初始温度房间，经空气导热延迟，简化为具有一阶惯性环节。 设房间热惯性时间常数 =450，空气导热延迟τ=35，选择合适的控制算法进行控制。 设计步骤 一、 总体设计 二、 控制系统的建模和数字控制器设计 三、 硬件的设计和实现 1、 选择计算机字长(选用 51内核的单片机) 2、 设计支持计算机工作的外围电路(EPROM、RAM、I/O端口、键盘、显示接口电路等)； 3、 设计输入信号接口电路； 4、 设计信号输出控制电路； 5、 其它相关电路的设计或方案(电源、通信等)。 四、 软件设计 1、 分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图； 2、 编写A/D转换和位置子程序框图； 3、 编写控制程序和D/A转换控制子程序模块框图； 4、 其它程序模块(显示与键盘等处理程序)框图。 五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图(A3幅面)。 摘　要: 本文详细叙述了利用51单片机构建了一个空调控制系统。确定了影响室内温度参数检测控制，并对其传感器测量电路、控制器执行电路及软件系统进行了设计。用Matlab软件对系统进行仿真，结果表明系统运行稳定，能达到预期的控制要求。 关键词: 空调模型 51单片机MATLAB 控制系统 目  录 1．本课程设计的目的与意义    4 1.1 设计的目的    4 1.2 课程设计的与意义    4 2．设计任务    5 2.1 设计内容    5 2.2 设计要求    5 3.空调模型    5 3.1模型分析    5 3.2 MATLAB仿真    6 3.3仿真结果    6 4硬件设计    6 4.1硬件系统框图    6 4.2各部分硬件的设计    7 5.软件设计    12 5.1 工作模式分析    12 5.2 系统程序流程图    13 5.3 AD转化程序设计    13 5.4 PID算法设计    13 6.学习心得及体会    14 7.感谢    14 1．本课程设计的目的与意义 1.1 设计的目的 通过该课程的学习使我们对计算机控制系统有一个全面的了解、掌握常规控制算法的使用方法、掌握简单微型计算机应用系统软硬的设计方法，进一步锻炼同学们在微型计算机应用方面的实际工作能力。 1.2 课程设计的与意义 《计算机控制系统》课程是我们自动化专业在这个学期学的一门专业课程。通过该课程的学习使我们对微机系统有一个基本的了解、掌握常规控制算法的使用方法、掌握简单微型计算机应用系统软硬的设计方法。而通过《计算机控制系统》课程设计还进一步锻炼了同学们在计算机应用方面的实际工作能力。计算机科学在自动化控制应用上得到了飞速发展，因此，学习这方面的知识必须紧密联系实际,掌握这方面的知识更要强调解决实际问题的能力。我们要着重学会面对一个实际问题，如何去自己的收集资料，如何自己去学习新的知识，如何自己去制定解决问题的方案并通过实践不断地提高分析和解决问题的能力。 2．设计任务 2.1 设计内容 设计一空调房间温度控制系统，该系统能准确测量房间温度，并根据设定温度进行有效控制。空调设计变频空调制冷(热)量与压缩机转速有关，通过控制压缩机转速频率来控制所需热量。空调模型相当于一个积分环节与一个惯性环节的串联。房间模型主要考虑室内外温度干扰与散热片热量共同作用于具有初始温度房间，经空气导热延迟，简化为具有一阶惯性环节。 2.2 设计要求  五、 总体方案设计 六、 控制系统的建模和数字控制器设计 七、 硬件的设计和实现 6、 选择计算机字长(选用 51内核的单片机) 7、 设计支持计算机工作的外围电路(EPROM、RAM、I/O端口、键盘、显示接口电路等)； 8、 设计输入信号接口电路； 9、 设计信号输出控制电路； 10、 其它相关电路的设计或方案(电源、通信等)。 八、 软件设计 5、 分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图； 6、 编写A/D转换和位置检测子程序框图； 7、 编写控制程序和D/A转换控制子程序模块框图； 8、 其它程序模块(显示与键盘等处理程序)框图。 五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图。 3.空调模型 3.1模型分析 （1）空调模型相当于一个积分环节与一个惯性环节的串联。房间模型主要考虑室内外温度干扰与散热片热量共同作用于具有初始温度房间，经空气导热延迟，简化为具有一阶惯性环节。 （2）由任务书给定条件：房间热惯性时间常数 =450，空气导热延迟τ=35，通过分析,我们选择PID控制算法进行控制。 3.2 MATLAB仿真 图 1 MATLAB仿真 3.3仿真结果 图 2 MATLAB仿真结果 4硬件设计 4.1硬件系统框图 根据任务书可知，该系统需要人机界面（按键输入LCD1602显示），AD采样，以及单片机控制部分等模块，并且可以得到以下硬件系统框图 图 3硬件系统框图 4.2各部分硬件的设计 (1).a温度传感器选择 根据任务要求我们选择了AT590作为温度传感器，根据电阻分压（如下图左），实现由温度到电压值的转换，因为AT590的温度系数比较大，经计算当温度变化范围是0-99度时，可以不用运放，直接送到AD采样的输入端进行AD采样。 b.温度传感器AD590基本知识 AD590产生的电流与绝对温度成正比，它可接收的工作电压为4V－30V，检测的温度范围为－55℃－＋150℃，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1℃，其电流增加1uA，AD590温度与电流的关系如表1所示。 摄氏温度 AD590电流 经10KΩ电压 0℃ 273.2 uA 2.732V 10℃ 283.2 uA 2.832 V 20℃ 293.2 uA 2.932 V 30℃ 303.2 uA 3.032 V 40℃ 313.2 uA 3.132 V 50℃ 323.2 uA 3.232 V 60℃ 333.2 uA 3.332 V 100℃ 373.2 uA 3.732 V       表 1 图4 温度传感器电路 (2).AD转换器的选择 因为温度变化范围是-50--50度，理论上AD位数只要7位（128级）就够了， 所以系统采用了经典的ADC0809（8位AD）作为AD采样芯片。 温度的计算：V=5*Rt/(R+R1+Rt)。 ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 a.ADC0809的内部逻辑结构 图 5 ADC0809内部原理 由图5可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 b.引脚结构(如图6) IN0－IN7：8条模拟量输入通道            图6 ADC0809引脚图 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；地址输入和控制线：4条。 ALE为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，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如表2所示。 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         表 2 数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，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，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。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。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。 c.ADC0809应用说明 ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。