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1、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
2、，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控制目录摘要IAbstract- 2 -目录- 3 -前言- 4 -1 MCS-51单片机简介- 8 -1.1芯片的引脚描述- 8
3、-1.2 MSC-51单片机中央处理器- 11 -2 温度控制系统的实现- 13 -2.1总体设计- 13 -2.2信号采样电路设计- 14 -2.2.1温度采样电路设计- 14 -2.2.2单片机最小系统的设计- 16 -2.3 A/D转换电路设计- 18 -2.3.1 A/D转换的常用方法- 18 -2.3.2 A/D转换器的主要技术指标- 19 -2.3.3 ADC0809的主要特性和内部结构- 19 -2.3.4 ADC0809管脚功能及定义- 20 -2.3.5 ADC0809与8031的接口电路- 22 -2.4软件系统的初始化程序- 22 -2.5软件程序的主循环框架- 23 -
4、2.6校准程序- 25 -3 控制算法的研究- 27 -3.1 PID算法的研究- 27 -3.2模糊控制系统设计- 27 -3.2.1模糊控制算法- 28 -3.2.2模糊控制的基本概念- 29 -3.2.3模糊控制过程- 30 -总结- 35 -致谢- 36 -参考文献- 37 -前言 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。
5、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。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
6、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23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-1-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
7、制。这样才能满足培菌车间的需要。本课题的研究意义： 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。课题的特点及具体要求： 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
8、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0.2, 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
9、独控制，并且可靠性要高。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: 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。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
10、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。 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。-3-1 MCS-51单片机简介1.1芯片的引脚描述HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40引脚的直插封装（DIP方式），制造工艺为CHMOS的80C51/80C31芯片除采用
11、DIP封装方式外，还采用方型封装工艺，引脚排列如图。其中方型封装的CHMOS芯片有44只引脚，但其中4只引脚（标有NC的引脚1、12、23、34）是不使用的。在以后的讨论中，除有特殊说明以外，所述内容皆适用于CHMOS芯片。 图1.1 MCS-51的逻辑符号图如图，是。在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。 下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。1、主电源引脚VCC和VSSVCC（40脚）接+5V电压；VSS（20脚）接地。2、外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）接外部晶
12、体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。3、控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPPRST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚之
13、间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10F的电容，以保证可靠地复位。VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（50.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。ALE/PROG（30脚）：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收
14、或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。对于EPROM单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。PSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。EA/VPP（引脚）：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，-5-但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程
15、序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。4、输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）P0口（39脚至32脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。P1口（1脚至8脚）：是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。P2口（21脚至28脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路
