網(wǎng)通機房節(jié)能空調(diào)控制器的設計

摘要空調(diào)對電信行業(yè)起的作用尤為重要,特別是改善機房環(huán)境溫度、濕度、空氣清潔度,確保電信設備正常運行。但是目前機房空調(diào)的能源消耗非常大,要從根本上解決能源問題,除了尋找新的能源,節(jié)能是關鍵的,也是目前最直接有效的重要措施。本文設計的就是網(wǎng)通機房節(jié)能空調(diào)控制器。該控制器是利用Atmega16單片機進行控制網(wǎng)通機房的溫度和濕度,能夠把設定溫度和濕度以及實時顯示出來。它采用溫度傳感器、濕度傳感器檢測室內(nèi)室外的溫度和濕度,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機與設定值進行比較。根據(jù)得出的結(jié)果,進行PID算法來控制送風機的風閥開度,以及選擇新風機的運行速度。通過送風量的不同來調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度和濕度最終達到設定值,從而實現(xiàn)對網(wǎng)通機房溫度和濕度的控制。利用單片機作為控制器的CPU,還有一個主要的好處就是節(jié)能?，F(xiàn)在的電子技術發(fā)展很快,單片機在各行業(yè)控制系統(tǒng)中普遍被采用,其構(gòu)成的實時控制系統(tǒng)日趨完善,系統(tǒng)總體性能也大大提高。關鍵詞:單片機傳感器PIDA/D轉(zhuǎn)換Thedesignaboutenergy-savingcontrollerofair-conditioningfortheCNCmachineroomAbstractAir-conditioningisanimportantroleinthetelecommunicationsindustry.Especiallyitcanimprovethetemperature,humidity,air’squalityoftheroomandensurethetelecommunicationsequipmentsworknormally.Butnowtheconsumptionofenergyisverylarge.Ifwewanttosolvetheenergyproblemfundamentally,inadditiontofindingnewenergysources,energyconservationiscritical,andalsoenergyconservationisthemostimportantdirectandeffectivemeasure.Thisdesignisabouttheenergy-savingcontrollerofair-conditioning.ThecontrollerismadeofAtmega16single-chip.Itisabletosetthetemperatureandhumidityanddisplayreal-time.Itusestemperaturesensors,humiditysensorstodetectindoor’sandoutdoor’stemperatureandhumidity.ThentheA/Dconverterconvertsthemandsendsthedataintothesingle-chip.Thesingle-chipcomparesthedatawiththesetvalue.Accordingtotheresults,thesingle-chipcontrolsthefanwithPIDalgorithmandcontrolsthenewfanuntilthetemperatureandhumidityreachesthesettingvalue.Therefore,wecancontrolthetemperatureandhumidityoftheroom.Usingasingle-chipasthecontrollerCPUcansaveenergy.Innowadays,electronictechnologydevelopsquicklyandsingle-chipisusedwidelyintheindustry.Thecontrolsystemisgoingtobeperfect,whichismadeofsingle-chip.Theperformanceofthesystemisgreatlyimproved.Keywords:Single-chipSensorPIDA/DConverter目錄第一章緒論(11.1課題的來源及研究意義(11.2機房空調(diào)的發(fā)展背景(11.3網(wǎng)通機房空調(diào)原理(21.4空調(diào)的研究現(xiàn)狀(31.5本設計的研究內(nèi)容(3第二章方案論證(52.1系統(tǒng)設計要求(52.2CPU的選擇(52.3溫度傳感器的選擇(62.4濕度傳感器的選擇(62.5風機控制選擇(6第三章硬件設計(83.1系統(tǒng)原理框圖(83.2溫度采集單元的設計(83.2.1DS18B20介紹(83.2.2DS18B20特性(83.2.3DS18B20引腳排列(93.2.4DS18B20原理(93.2.5DS18B20與單片機的接口電路圖(113.3濕度采集單元的設計(123.3.1IH3605結(jié)構(gòu)及引腳介紹(123.3.2IH3605的主要技術指標(123.3.3IH3605的電壓輸出特性(133.3.4IH3605與單片機的接口電路(143.4單片機最小電路設計(143.4.1CPU特性(143.4.2Atmega16引腳配置(153.4.3單片機最小系統(tǒng)電路(163.5電源電路(163.6鍵盤輸入電路(173.7液晶顯示電路(183.7.112864液晶顯示模塊的特性(183.7.212864LCD模塊引腳說明(193.7.3控制器接口信號說明(193.7.412864與單片機的接口電路圖(203.8報警電路(203.9掉電保護電路(213.10風機速度控制(213.10.1新風機電路的設計(213.10.2送風機電路的設計(223.11通訊電路(243.11.1MAX232芯片簡介(243.11.2串行接口電路(243.11.3無線數(shù)據(jù)傳輸(25第四章軟件設計(264.1系統(tǒng)總程序框圖設計(264.2PID控制算法的單片機程序?qū)崿F(xiàn)(284.2.1PID控制基本原理(284.2.2數(shù)字PID控制算法(294.2.3PID算法的改進,飽和作用的抑制(304.3鍵盤程序設計(324.412864液晶顯示子程序設計(334.5與上位機通訊(34第五章總結(jié)(35致謝(36參考文獻(37附錄1:部分程序清單(39附錄2:系統(tǒng)原理圖(49第一章緒論1.1課題的來源及研究意義本課題網(wǎng)通機房節(jié)能空調(diào)控制器的設計是結(jié)合老師的科研項目,為網(wǎng)通公司設計的機房節(jié)能空調(diào)控制器。近年來,民用空調(diào)普及率極大提高。以上海為例,在1978-1996年間,高層建筑增加了十幾倍。在這些新建建筑中,一般都安裝大型集中式空調(diào)系統(tǒng),而在大多數(shù)的改建項目中,增加或改造集中式空調(diào)系統(tǒng)也成了改造計劃中的重要內(nèi)容。建筑空調(diào)已經(jīng)成為現(xiàn)代社會所必需的,可顯著改善人們生活環(huán)境,提高生活質(zhì)量。但是從總體上看,我國目前的經(jīng)濟增長模式還是粗放型的,主要表現(xiàn)為資源利用率較低。空調(diào)作為耗能大戶,與能源供應緊張?zhí)貏e是當前電力供應緊張有著密切的關系。隨著空調(diào)的迅速普及,空調(diào)用電負荷逐年猛增,至2003年底,空調(diào)能耗已占全國耗電量的30%左右。在夏季用電高峰時段,空調(diào)用電負荷甚至高達城鎮(zhèn)總體用電負荷的40%左右,大大增加了電網(wǎng)的負擔。到2020年我國空調(diào)高峰負荷節(jié)電空間約900萬KW,相當于5個三峽電站的滿負荷容量,相應可減少電力建設投資4000億元以上。降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗對于減少建筑系統(tǒng)的能耗、緩解當前電力緊張狀態(tài)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源利用效率等方面都有著非常重要的意義。隨著社會的不斷進步與科學技術的不斷發(fā)展,現(xiàn)在人們越來越關心我們賴以生存的地球,世界上大多數(shù)國家也充分認識到了環(huán)境對我們?nèi)祟惏l(fā)展的重要性。各國都在采取積極有效的措施改善環(huán)境,減少污染。這其中最為重要也是最為緊迫的問題就是能源問題,要從根本上解決能源問題,除了尋找新的能源,節(jié)能是關鍵的也是目前最直接有效的重要措施。作為現(xiàn)代社會必須的家用和商用空調(diào)是消耗電能的大戶,因此設計一個節(jié)能的機房空調(diào)控制器對社會和國家的節(jié)能計劃有很大的促進作用。1.2機房空調(diào)的發(fā)展背景前期機房空調(diào)(1960~1980年。前期的機房空調(diào)是為某臺計算機(大、中、小型機專門建設的,并沒有統(tǒng)一的標準,完全是在摸索中建設的。這時的機房空調(diào)只有降溫措施,但沒有精密的溫度控制,也沒有測試和指標,可用性極差。中期機房空調(diào)(1980~1990年。由于計算機系統(tǒng)的產(chǎn)生,出現(xiàn)了專門為單個計算機系統(tǒng)設計的機房空調(diào),有了專用的機柜(大、中、小機柜,機房空調(diào)制冷也從集中冷卻到采用恒溫恒濕的專用空調(diào)機。后期機房空調(diào)(1990~2000年。IT設備逐漸小型化,服務器逐步成為主體,1多臺計算機、服務器聯(lián)網(wǎng),數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì)水平逐漸提高,對數(shù)據(jù)進行了更嚴格的保護,開始廣泛使用恒溫恒濕的專用機房空調(diào),可用性和可靠性均有了大幅提升?，F(xiàn)代機房空調(diào)(21世紀。IT設備進一步小型化,所有設備都進入機架,機架成為機房IT設備的主體。隨著IT設備的發(fā)展,具有現(xiàn)代氣息的機房專用空調(diào)誕生了。它對電信各部門的機房起的作用尤為重要,起到改善機房環(huán)境溫度、濕度,確保電信設備正常運行。機房專用空調(diào)是針對計算機機房和各類通信機房的特點和要求而設計的。它除了具備普通空氣調(diào)節(jié)器的功能外,還具備恒溫恒濕、控制精度高、空氣潔凈度高、可靠性高等特點。現(xiàn)在的單片機技術迅猛發(fā)展,應用于各個行業(yè),是工業(yè)產(chǎn)品的微型計算機。目前在市場上銷售的空調(diào)控制器,大多數(shù)都是采用單片機來控制的。1.3網(wǎng)通機房空調(diào)原理1.3.1空氣主要參數(shù)1溫濕度的概念:在日常生活中,溫度是表示物體冷熱程度的物理量。濕度表示空氣中含有水蒸氣多少的物理量稱作濕度。絕對濕度是指每立方米的濕空氣中含有的水蒸氣重量,絕對濕度以公斤/立方米計算。相對濕度指某濕空氣中所含水蒸汽的重量與同溫度下飽和空氣中所含水蒸汽的重量之比。2溫濕度對網(wǎng)通機房的影響:(1溫度的影響:溫度過高,會導致體溫升高,出汗量增加。夏天,體溫升高和出汗過很容易導致人的中暑。電信設備尤其是交換機等設備對機房的溫度有著較高的要求。溫度偏高,易使機器散熱不暢,使晶體管的工作參數(shù)產(chǎn)生漂移,影響電路得穩(wěn)定性和可靠性,嚴重時還可能造成元器件的擊穿損壞。通信設備在長期運行工作期間,機器溫度控制在18℃~25℃之間較為適宜。(2濕度的影響:相對濕度對人體健康和器官的舒適感有一定的影響。過低,會導致呼吸系統(tǒng)病癥;過高,會導致不舒服。濕度對通信設備的影響也很大?？諝獬睗?易引起設備的金屬部件和插接件等部件產(chǎn)生銹蝕,并引起電路板、插接件和布線的絕緣降低,嚴重時還可造成電路短路。空氣太干燥又容易引起靜電效應,威脅通信設備的安全。為了保持通信機房的相對濕度符合標準,可視機房具體情況配置加濕器或抽濕機。加濕器工作時不要離通信設備太近,且噴霧口不要正對著通信設備,以防噴出的霧氣對設備有影響。加濕器和抽濕機可根據(jù)機房內(nèi)溫度計的顯示數(shù)據(jù)隨時調(diào)整。一般說來,機房內(nèi)的相對濕度保持在40%~60%范圍內(nèi)較為適宜。1.3.2機房空調(diào)制冷原理現(xiàn)代的機房專用空調(diào)常用的是蒸汽壓縮式制冷。蒸汽制冷是利用某些低沸點的液態(tài)制冷劑在不同壓力下汽化時吸熱的性質(zhì)來實現(xiàn)人工制冷的。在制冷技術中,蒸發(fā)是指液態(tài)制冷劑達到沸騰時變成氣態(tài)的過程。液態(tài)變成氣態(tài)必須從外界吸收熱能才能實現(xiàn),因此是吸熱過程,液態(tài)制冷劑蒸發(fā)汽化時的溫度叫做蒸發(fā)溫度,凝結(jié)是指蒸汽冷卻到等于或低于飽和溫度,使蒸汽轉(zhuǎn)化為液態(tài)。壓縮機是保證制冷的動力,利用壓縮機增加系統(tǒng)內(nèi)制冷劑的壓力,使制冷劑在制冷系統(tǒng)內(nèi)循環(huán),達到制冷目的。開始壓縮機吸入蒸發(fā)制冷后的低溫低壓制冷劑氣體,然后壓縮成高溫高壓氣體送冷凝器;高壓高溫氣體經(jīng)冷凝器冷卻后使氣體冷凝變?yōu)槌馗邏阂后w;當常溫高壓液體流入熱力膨脹閥,經(jīng)節(jié)流成低溫低壓的濕蒸汽,流入蒸發(fā)器,從周圍物體吸熱,經(jīng)過風道系統(tǒng)使空調(diào)房間溫度冷卻下來,蒸發(fā)后的制冷劑回到壓縮機中,又重復下一個制冷循環(huán),從而實現(xiàn)制冷目的。1.4空調(diào)的研究現(xiàn)狀空調(diào)是研究造成室內(nèi)空氣環(huán)境符合一定的溫度、相對溫度、相對濕度、清潔度等控制在需要范圍內(nèi)的專門技術?？照{(diào)對人們生活起著重要的作用。傳統(tǒng)空調(diào)器具有“開一關”調(diào)節(jié)模式。不僅噪音和溫度波動大,而且開關時對空調(diào)壓縮機有很大的損害。隨著計算機技術、變頻技術、智能控制技術的發(fā)展。人們擺脫了傳統(tǒng)定頻定速空調(diào)器的調(diào)節(jié)模式。開發(fā)出性能更為優(yōu)良的變頻變速空調(diào)器。現(xiàn)在人們對生活的要求更高級了,已經(jīng)不再是單純的降溫避暑的要求。對空調(diào)的研究已經(jīng)更深入了,已經(jīng)往空調(diào)的健康化、節(jié)能環(huán)保化、人性化、網(wǎng)絡化方向研究了。1.5本設計的研究內(nèi)容本設計的題目是網(wǎng)通機房節(jié)能空調(diào)控制器的設計,它是一個獨立的工作系統(tǒng),采用溫度采集、濕度采集、數(shù)據(jù)傳輸、A/D轉(zhuǎn)換,然后經(jīng)過微型計算機進行數(shù)據(jù)處理,最后輸出控制、顯示,以達到機房溫度、濕度的環(huán)境要求,確保機房內(nèi)設備的穩(wěn)定安全運行。本論文的內(nèi)容安排如下:1第一章緒論,重點介紹本課題的發(fā)展背景和研究現(xiàn)狀以及研究意義。設計一個節(jié)能的空調(diào)控制器能大大的節(jié)約能源。2第二章是系統(tǒng)方案論證,對采用MCS-51系列單片機作為CPU和采用AVR系列單片機作為CPU的兩個方案進行了設計和對比,最后選用AVR單片機作為CPU。3第三章是系統(tǒng)硬件介紹,溫度采集采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器,能夠直接接到單片機IO口,作為數(shù)字型的溫度傳感器,能夠直接的進行數(shù)據(jù)的讀取而不需要AD轉(zhuǎn)換。濕度傳感器采用IH3605,既要滿足系統(tǒng)工作的溫度和濕度要求,又要滿足精度的要求,采用IH3605能夠滿足設計要求。濕度傳感器輸出模擬量,接到單片機的自帶AD口上,把數(shù)據(jù)傳給CPU。設定機房的溫度、濕度通過鍵盤直接輸入,用12864液晶顯示屏顯示出實時的和設定的溫濕度。新風機的速度控制采用繼電器來控制風機的速度級別,分為高、中、低三個檔。送風機通過DA控制風閥的開度來控制新風量。測得的實際溫濕度偏離正常值超過一定范圍就會報警,報警電路采用聲光報警。至于本設計中用到的加熱、加濕、除濕裝置。加熱裝置選用鹽城惠通機械有限公司生產(chǎn)的空氣加熱器,加濕裝置選用手推式離心加濕器XH-9001,除濕裝置選用DH-803D型號的除濕器,只要有信號輸出,相應裝置通電開始工作。4第四章是軟件的設計,設計出溫度采集,濕度采集及AD轉(zhuǎn)換的程序流程圖。設計整個系統(tǒng)的程序運行流程圖。5第五章是全文總結(jié)?？偨Y(jié)出設計的難點和優(yōu)點。第二章方案論證2.1系統(tǒng)設計要求本設計的要求:設計一個節(jié)能空調(diào)控制器,要求采集室內(nèi)、室外及送風三點溫度、濕度,與設定值比較后分別控制新風機與送風機運行。該控制器還能實現(xiàn)設定與顯示溫濕度值等功能。技術參數(shù):1檢測范圍:40%RH~90%RH,-30℃~60℃。2檢測精度:≤5%RH,±0.5℃。3LCD顯示及聲光報警。4完成與上位機通信。2.2CPU的選擇方案一:采用AT89C51微處理器作為系統(tǒng)的主控器,AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓,高性能CMOS8位微處理器,俗稱單片機。但由于該系列單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較簡單,要想實現(xiàn)本次設計必須在外部擴展相當多的外部輔助電路,比如要外接有A/D轉(zhuǎn)換電路,外部存儲芯片,而且由于本次設計中要是采用的是直流電機,對于直流電機的調(diào)速,采用PWM調(diào)速,所以還要外接PWM調(diào)解電路。由此會使整個電路結(jié)構(gòu)非常復雜,在設計電路過程中帶來一些不必要的麻煩,由于添加較多外部輔助電路,也使得外部結(jié)構(gòu)的硬件連接增多,容易產(chǎn)生連接過程中的短路或是斷路的現(xiàn)象。而通過采取下面的AVR芯片控制就可以大大減少外部電路的數(shù)量,而且在設計的過程中,很多硬件模塊可以通過計算機軟件的形式代替,可以他使設計結(jié)構(gòu)簡單,清晰,準確度高,成本低。方案二:采用Atmega16單片機作為CPU。AVRCPU最大的優(yōu)點是:1超功能精簡指令集(RISC,具有32個通用工作寄存器,克服了如8051MCU采用單一ACC進行處理造成的瓶頸現(xiàn)象。2快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng),大大優(yōu)化了目標代碼的大小、執(zhí)行效率,部分型號FLASH非常大,特別適用于使用高級語言進行開發(fā);3片內(nèi)集成多種頻率的RC振蕩器、上電自動復位、看門狗、啟動延時等功能,外圍電路更加簡單,系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠;4大部分AVR片上資源豐富:帶E2PROM,PWM,RTC,SPI,UART,TWI,ISP,AD,AnalogComparator,WDT等;5AVR單片機可重設啟動復位,以提高單片機工作的可靠性。有看門狗定時器實行安全保護,可防止程序走亂飛,提高了產(chǎn)品的抗干擾能力。比較兩個方案,所以本系統(tǒng)采用了AVR單片機作為主控芯片。2.3溫度傳感器的選擇方案一:采用單片集成兩端感溫傳感器AD590。AD590的電源電壓范圍為4~30V,可以承受44V正向電壓和20V反向電壓,因而器件即使反接也不會被損壞;精度高,AD590在-55℃~+150℃范圍內(nèi),非線性誤差僅為±0.3℃。但是AD590需要A/D電路,而且成本偏高,電路繁多,對線阻有要求。方案二:采用一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20。本設計要求檢測溫度范圍為:-30℃~60℃,檢測精度為±0.5℃。DS18B20滿足設計要求,并且能快速準確的檢測溫度,精確度也高,最主要的是:輸出的數(shù)據(jù)是數(shù)字型的,不是像AD590輸出的是模擬量,還需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路才能把數(shù)據(jù)送回CPU,再進行下一步的處理。相對而言,電路簡單、精度更高、讀取也很簡單,在編寫程序時也會很方便的。比較兩個方案,采用DS18B20作為本設計的溫度傳感器。2.4濕度傳感器的選擇方案一:采用MHC1A濕敏電容型濕度測量模塊。工作電壓為5V,工作的溫度范圍為0~70℃,能檢測出的濕度為0~100℃,輸出的電壓范圍為0~3V,檢測精度能達到控制要求。但是因為整個控制系統(tǒng)要工作在-30℃~60℃,此濕度傳感器在0℃以下不能正常工作。而且這是一個模塊,不是單個的傳感器,占用了一部分空間。并且保存溫度為-20~85℃,不能在本設計要求的-30℃情況下工作。方案二:采用IH3605集成溫度傳感器,IH3605是HONEYWELL公司生產(chǎn)的熱固聚酯電容式RH濕度傳感器,采用集成電路技術,可在集成電路內(nèi)部完成對信號的調(diào)整。其具有精度高、輸出電壓范圍大、線性好、互換性強等諸多優(yōu)點,其獨特的多層結(jié)構(gòu)使之能抵抗塵埃、臟物、油和其他一般化學物質(zhì)的侵蝕。最重要的是因為IH3605能夠在本設計的要求工作溫度下工作,而且精度高,完全能滿足系統(tǒng)的設計要求。比較兩個方案,采用IH3605作為本設計的濕度傳感器。2.5風機控制選擇方案一:根據(jù)電機的速度級別,把電機速度分為高、中、低三檔。使用單片機來控制繼電器的來控制風機速度的選擇。但是此種方案只有三個速度,也就是控制風量只有三個級別。不能達到更精確地、更省電的控制。方案二:通過DA輸出模擬量來控制電動風閥,從而能夠精確地控制風量。達到省電、精確的標準。風閥是0~10V控制的,所以需要在DA后加一個放大電路,把DA輸出的0~5V放大為0~10V。比較兩個方案,本設計中選用:送風機采用DA控制電動風閥的開度來控制送風量;新風機采用三級調(diào)速來控新風的風量。第三章硬件設計本設計是基于單片機對數(shù)字信號的高敏感和可控性、濕度傳感器可以產(chǎn)生模擬信號,和A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的性能,我設計了以Atmega16為核心的一套控制系統(tǒng),其中包括電源系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換、單片機以及最小系統(tǒng)的設計、溫濕度檢測及控制、鍵盤及顯示、報警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設計。3.1系統(tǒng)原理框圖圖3-1系統(tǒng)原理框圖3.2溫度采集單元的設計這里選擇的DS18B20數(shù)字溫度傳感器,它能夠快速準確的檢測溫度,精確度也高,并且輸出的數(shù)據(jù)是數(shù)字型的,不需要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換就能被單片機識別出來,從而進行控制。3.2.1DS18B20介紹DSl8B20數(shù)字溫度計提供9位溫度讀數(shù),指示器件的溫度。信息經(jīng)過線接口送入DSl8B20或從DSl8B20送出,因此從中央處理器到DSl8B20僅需連接一條線(和地。讀、寫和完成溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供,而不需要外部電源。但是一般也可接上外部電源。3.2.2DS18B20特性獨特的單線接口,只需1個接口引腳即可通信多點(multidrop能力使分布式溫度檢測應用得以簡化不需要外部元件,不需備份電源,用數(shù)據(jù)線供電測量范圍為-55℃~+125℃,增量值為0.5℃。等效的華氏溫度范圍是-67℉至257℉,增量值為0.9℉以9位數(shù)字值方式讀出溫度,并且在1秒(典型值內(nèi)把溫度變換為數(shù)字用戶可定義的,非易失性的溫度告警設置應用范圍包括恒溫控制,工業(yè)系統(tǒng),消費類產(chǎn)品,溫度計或任何熱敏系統(tǒng)3.2.3DS18B20引腳排列引腳說明圖3-2DS18B20管腳圖圖3-3DS18B20封裝圖表3-1DS18B20引腳3.2.4DS18B20原理1圖3-3是DS18B20方框圖,有三個主要的數(shù)據(jù)部件:64位激光(laseredROM;溫度靈敏元件;非易失性溫度告警觸發(fā)器TH和TL。器件從單線的通信線取得其電源,在信號線為高電平的時間周期內(nèi),把能量貯存在內(nèi)部的電容器中,在單信號線為低電平的時間期內(nèi)斷開此電源,直到信號線變?yōu)楦唠娖街匦陆由霞纳?電容電源為止,作為另一種可供選擇的方法,DSl820也可用外部電源供電。圖3-4DS18B20方框圖2寄生電源(parasitepower當I/O或VDD引腳為高電平時,這個電路便“取”得電源。只要符合指定的定時和電壓要求,I/O將提供足夠的功率。寄生電源的優(yōu)點是雙重的:(1利用此引腳,遠程溫度檢測無需本地電源;(2缺少正常電源條件下也可以讀ROM。3DS18B20測溫操作DS18B20通過一種片上溫度測量技術來測量溫度。DSl820通過門開通期間內(nèi)低溫度系數(shù)振蕩器經(jīng)歷的時鐘周期個數(shù)計數(shù)來測量溫度,而門開通期由高溫度系數(shù)振蕩器決定。計數(shù)器予置對應于-55℃的基數(shù),如果在門開通期結(jié)束前計數(shù)器達到零,那么溫度寄存器也被予置到-55℃的數(shù)值增量,指示溫度高于-55℃。圖3-5溫度測量電路的方框圖在DSl820中,溫度是以1/2℃LSB(最低有效位形式表示時,產(chǎn)生以下9位格式:=-25℃最高有效(符號位被復制到存儲器內(nèi)兩字節(jié)的溫度寄存器中較高MSB的所有位,這種“符號擴展”產(chǎn)生了如表3-1所示的16位溫度讀數(shù)。以下的過程可以獲得較高的分辨率。首先,讀溫度,并從讀得的值截去0.5℃位(最低有效位。這個值便是TEMP_READ。然后可以讀留在計數(shù)器內(nèi)的值。此值是門開通期停止之后計數(shù)剩余(COUNT_REMAIN。(COUNT_PER_C-COUNT_REMAINTEMPRATURE(=TEMP_READ-0.25+COUNT_PER_C溫度所需的最后一個數(shù)值是在該溫度處每一攝氏度的計數(shù)個數(shù)(COUNT_PER_C。用戶可以使用下式計算實際溫度:表3-2溫度/數(shù)據(jù)關系3.2.5DS18B20與單片機的接口電路圖圖3-6DS18B20與單片機的連接電路圖從DS18B20數(shù)據(jù)線讀回來的16進制數(shù),把這些數(shù)送入單片機,單片機根據(jù)這些數(shù)據(jù)來判斷整個系統(tǒng)的溫度情況,從而調(diào)節(jié)風機的工作情況。3.3濕度采集單元的設計這里選用的是集成濕度傳感器IH3605。IH3605集成溫度傳感器是HONEYWELL公司生產(chǎn)的,采用集成電路技術,可在集成電路內(nèi)部完成對信號的調(diào)整。由于其具有精度高、線性好、互換性強等諸多優(yōu)點,因此得到廣泛的應用。3.3.1IH3605結(jié)構(gòu)及引腳介紹由于IH3605內(nèi)部的兩個熱化聚合體層之間形成的平板電容器電容量的大小可隨濕度的不同發(fā)燒變化,從而可完成對濕度信號的采集。熱化聚合體層同時具有防御污垢、灰塵、油及其他有害物質(zhì)的功能。IH3605的結(jié)構(gòu)及引腳定義分別見下圖。IH3605采用SIP封裝形式。圖3-7IH3605結(jié)構(gòu)示意圖圖3-8IH3605引腳圖表3-3IH3605引腳說明3.3.2IH3605的主要技術指標電源電壓:4~5.8V;供電電流:200uA(5VDC;濕度范圍:0~100%RH;精度:±2%RH(0~100%RH、25℃、V=5VDC;互換性:±5%RH(0~60%RH±8RH%(90%RH;線性度:±0.5%RH(典型;重復性:±0.5%RH;穩(wěn)定度:±1%RH(50%RH、5年內(nèi);響應時間:15s(25℃及空氣緩慢流動環(huán)境下;工作溫度:-40℃~85℃;3.3.3IH3605的電壓輸出特性IH3605的輸出電壓與相對濕度的關系曲線如圖3-9所示:圖3-9IH3605的輸出電壓與濕度的關系曲線IH3605的輸出電壓是供電電壓、濕度及溫度的函數(shù)。電源電壓升高,輸出電壓將成比例升高,在實際應用中,通過兩個步驟可計算出實際的相對濕度值。1.首先根據(jù)下述計算公式,計算出25℃溫度條件下相對濕度值R0H。(outDC0V0.0062RH0.16V=+(3-1其中Vout為IH3605的電壓輸出值,DCV為IH3605的供電電壓值,R0H為25℃溫度條件下相對濕度值。2.進行溫度補償,計算出當前溫度下的實際相對濕度值RH。(0/1.05460.00216RHRHt=-(3-2其中RH為實際的相對濕度值,t是當前的溫度值,單位為℃。3.3.4IH3605與單片機的接口電路圖3-10IH3605與單片機的連接電路圖由于IH3605的輸出電壓較高且線性較好,因此電路無需進行信號放大,加上一個電壓跟隨器,進行隔離,從而將IH3605的輸出信號送到A/D轉(zhuǎn)換器上,完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。3.4單片機最小電路設計這里選用的是Atmel公司的Atmega16單片機。3.4.1CPU特性高性能、低功耗的8位AVR微處理器,先進的RISC結(jié)構(gòu)非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器:16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash;512字節(jié)的EEPROM;1K字節(jié)的片內(nèi)SRAMJTAG接口:通過JTAG接口實現(xiàn)Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程外設特點:兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC四通道PWM8路10位ADC片內(nèi)模擬比較器兩個可編程的串行USART可工作于主機/從機模式的SPI串行接口具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器片內(nèi)模擬比較器上電復位以及可編程的掉電檢測片內(nèi)經(jīng)過標定的RC振蕩器,片內(nèi)/片外中斷源,6種睡眠模式、空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴展的Standby模式工作電壓::ATmega16:4.5~5.5V,速度等級:0~16MHzATmega16總結(jié):ATmega16是基于增強的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間,ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz,從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。3.4.2Atmega16引腳配置圖3-11Atmega16引腳圖表3-4Atmega16引腳說明3.4.3單片機最小系統(tǒng)電路圖3-12Atmega16的最小系統(tǒng)原理圖單片機的最小系統(tǒng)包括復位電路和晶振電路兩大部分。復位操作通常有兩種基本形式:上電復位和開關復位。上電復位要求接通電源后,自動實現(xiàn)復位操作。開關復位即能夠手動的使系統(tǒng)復位。晶振電路是給整個系統(tǒng)起振作用。本來Atmega16有內(nèi)部1M晶振,但是為了系統(tǒng)能夠運行快速,就人工的采用外部晶振電路。Atmega16單片機本身帶有看門狗,就不用外接看門狗電路,直接使用就行,能夠保證程序的穩(wěn)定進行,不會出現(xiàn)程序失控跑飛現(xiàn)象。3.5電源電路電源電路是給整個系統(tǒng)提供電源,在這個系統(tǒng)中用到了直流24V電源,12V電源,直流5V電源。電路為經(jīng)變壓器把交流220V電源變壓為24V直流電源,再經(jīng)過7812穩(wěn)壓為12V電源,然后是7805穩(wěn)壓為5V電源。在整個系統(tǒng)中,24V電源是供給電動風閥的,12V電源用來驅(qū)動控制風機的繼電器工作,5V電源就直接供給單片機使用。圖3-13系統(tǒng)的電源電路圖3.6鍵盤輸入電路鍵盤是一個輸入裝置,用來設置網(wǎng)通機房的溫度和濕度的。鍵盤電路采用4*3行列陣型的鍵盤。除了0~9數(shù)字鍵外,還擴展了“設置”,“下一個”兩個鍵。當某一鍵按下時,系統(tǒng)采集不同的掃描鍵值,從而區(qū)別不同的鍵號,以實現(xiàn)鍵的定位。鍵位排布情況如圖3-14所示。圖3-14鍵位排布圖3-15鍵盤與單片機接口電路3.7液晶顯示電路本系統(tǒng)是采用12864液晶顯示屏來對整個系統(tǒng)的實時溫度、濕度和設定濕度、溫度的顯示的。12864是一種帶中文字庫的圖形點陣液晶顯示器,具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式,其顯示分辨率為128×64,內(nèi)置8192個16*16點漢字,和128個16*8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令,可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字,也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比,不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多,且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。3.7.112864液晶顯示模塊的特性低電源電壓(VDD:+3.0~+5.5V內(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)換電路,無需外加負壓顯示分辨率:128×64點2MHZ時鐘頻率內(nèi)置漢字字庫,提供8192個16×16點陣漢字(簡繁體可選內(nèi)置128個16×8點陣字符顯示方式:STN、半透、正顯驅(qū)動方式:1/32DUTY,1/5BIAS背光方式:側(cè)部高亮白色LED,功耗僅為普通LED的1/5—1/10通訊方式:串行、并口可選工作溫度:0℃~+55℃存儲溫度:-20℃~+60℃3.7.212864LCD模塊引腳說明表3-512864模塊引腳說明3.7.3控制器接口信號說明1.RS,R/W的配合選擇決定控制界面的4種模式:表3-6控制的4種模式2.E信號:表3-7E信號3.忙標志BF:BF標志提供內(nèi)部工作情況.BF=1表示模塊在進行內(nèi)部操作,此時模塊不接受外部指令和數(shù)據(jù).BF=0時,模塊為準備狀態(tài),隨時可接受外部指令和數(shù)據(jù).利用STATUSRD指令,可以將BF讀到DB7總線,從而檢驗模塊之工作狀態(tài)。3.7.412864與單片機的接口電路圖圖3-1612864與單片機接口圖在本系統(tǒng)中,LCD顯示模塊選擇的是串行通訊。復位引腳直接接高電平,不使用程序的復位,而使用系統(tǒng)上電LCD復位。LCD能顯示4行漢字,主要用來顯示實時的溫度和濕度值,設定的溫度和濕度值。3.8報警電路當實際的溫度值和濕度值不在機房要求的安全范圍內(nèi)時,CPU就會輸出信號給報警電路,使報警電路的蜂鳴器響,指示燈亮,實現(xiàn)聲光報警。這樣會保證整個機房設備能夠安全的運行。圖3-17聲光報警電路3.9掉電保護電路當系統(tǒng)因為突然停電的原因?qū)е聰?shù)據(jù)丟失時,為了避免不必要的損失,就需要一個掉電保護電路。在本設計中,因為選用的CPU本身就有EEPROM,就可以直接把采集回來的數(shù)據(jù)存進單片機的EEPROM,一旦系統(tǒng)斷電,下次還能從EEPROM中讀取上次保存的值,對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)起保護作用。3.10風機速度控制3.10.1新風機電路的設計根據(jù)流體力學等方面的知識可知,對空調(diào)系統(tǒng)要實現(xiàn)不同風速的控制,可以根據(jù)需要的風量,將新風機的轉(zhuǎn)速分為三個檔,即高風檔、中風檔、低風檔。選取風機由三抽頭的電機控制。根據(jù)三個抽頭中某一個抽頭的接通情況來確定是什么也的風速。任何時刻,風機的抽頭只應有一個是選中的。這就要求程序中必須保證不能讓電機出現(xiàn)兩個導通的情況,設計中是通過軟件的方法來預防同時導通的情況。風機的調(diào)速跟風扇的原理一樣,電機線圈分為短,中,長三個級別,線圈越長電阻值就越大,電流就小,速度就慢;反之越短的就電阻值小,電流大,速度就快,就是高擋。新風機控制原理圖如圖3-18所示,選用2個繼電器來控制電機的三個抽頭。在不加風速選擇的情況下自然選擇中風。圖3-18新風機速度選擇電路3.10.2送風機電路的設計1.TLC5615芯片簡介TLC5615是一個串行10位DAC芯片,性能比早期的電流型輸出的DAC藥好,只要3根串行總線就可以完成10位數(shù)據(jù)的串行輸入,易于和工業(yè)標準的微處理器或微控制器接口,適用于數(shù)字失調(diào)與增益調(diào)整以及工業(yè)控制場合。(1其主要有以下特點:單5V電源工作3線串行接口DAC輸出的最大電壓為2倍基準輸入電壓上電時內(nèi)部自動復位(2引腳說明圖3-19TLC5615引腳圖表3-8TLC5615引腳說明2.電動風閥本文中采用的是M9106-GGx-2系列6Nm連續(xù)調(diào)節(jié)型電動風閥。M9106系列-GG×-2系列電動執(zhí)行器是直接安裝、非彈簧復位、24VDC供電的電動執(zhí)行器。該系列執(zhí)行器為同步電機驅(qū)動,提供0~10VDC控制。運行扭矩為6Nm。適用于電動控制,也適合用于可變風量末端裝置的閥板控制應用。3.風機控制電路室內(nèi)的溫度和濕度主要是靠送風來控制的,新風機只是來配合送風機的運行。因此送風機送風量的多少直接就影響了室內(nèi)的溫度和濕度。在本設計中,通過DA輸出的0~5V模擬量再進行放大2倍,直接控制電動風閥的開度來控制送風量的多少。送風機的控制電路如圖3-20所示。圖3-20送風機電路DA控制風閥3.11通訊電路在現(xiàn)代工業(yè)自動化控制中,單片機的應用越來越廣泛,隨著應用范圍的擴大和解決問題的需要,對某些數(shù)據(jù)需要進行較復雜的處理。由于單片機的運算功能較差,借助PC機來進行數(shù)據(jù)的處理已經(jīng)顯得尤為重要。因此,利用AVR單片機的串行接口通過MAX232與PC機的串行接口COM1或COM2進行串行通信更具實際意義。在本設計中,采用的是單片機給上位機和遠程上位機或者遙控器發(fā)送數(shù)據(jù),和接收數(shù)據(jù)。能達到上位機和遠程都能顯示數(shù)據(jù)和設置數(shù)據(jù)的功能。3.11.1MAX232芯片簡介MAX232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗、單電源雙RS232發(fā)送/接收器MAX232芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器,可以把輸入的+5V電源變換成RS-232C輸出電平所需±10V電壓,所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的+5V電源就可以。MAX232外圍需要4個電解電容C1、C2、C3、C4,是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需電容。其取值均為1μF/25V宜選用鉭電容并且應盡量靠近芯片1C5為0.1μF的去耦電容。MAX232的引腳T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT為接TTL/CMOS電平的引腳。引腳T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN為接RS-232C電平的引腳。因此TTL/CMOS電平的T1IN、T2IN引腳應接AVR單片機的串行發(fā)送引腳TXD;R1OUT、R2OUT應接AVR的串行接收引腳RXD1與之對應的RS-232C電平的T1OUT、T2OUT應接PC機的接收端RD;R1IN、R2IN應接PC機的發(fā)送端TXD。3.11.2串行接口電路采用MAX232接口的硬件接口電路如圖1所示?，F(xiàn)選用其中一路發(fā)送/接收R1OUT接AVR單片機的RXD,T1IN接AVR的TXD1,T1OUT接PC機的RD,R1IN接PC機的TXD1因為MAX232具有驅(qū)動能力,所以不需要外加驅(qū)動電路。圖3-21MAX232與單片機的接口電路3.11.3無線數(shù)據(jù)傳輸整個控制器與上位機的有線通訊外,還有一個無線通訊,可以把數(shù)據(jù)通過無線模塊,發(fā)送給遙控器、其他上位機。通過其他的上位機或者是遙控器直接就可以設定機房的溫度和濕度。在本設計中,無線和有線通訊時通過手動切換的。本設計中選用的無線模塊是APC200A-43多通道微功率嵌入式無線數(shù)傳模塊。無線模塊與單片機的接口電路如圖3-22。圖3-22無線模塊與單片機的接口電路第四章軟件設計4.1系統(tǒng)總程序框圖設計系統(tǒng)程序總體框圖如圖4-1所示,介紹了整個系統(tǒng)的運行過程。圖4-1A系統(tǒng)程序總體框圖圖4-1B系統(tǒng)程序總體框圖4.2PID控制算法的單片機程序?qū)崿F(xiàn)4.2.1PID控制基本原理PID控制即比例(Proportional、積分(Integrating、微分(Differentiation控制。在PID控制系統(tǒng)中,完成PID控制規(guī)律的部分稱為PID控制器。它是一種線形控制器,用輸出y(t和給定量r(t之間的誤差的時間函數(shù)e(t=r(t-y(t。實際應用中,可以根據(jù)受控對象的特性和控制的性能要求,靈活地采用不同的控制組合,圖4-2中,Kp為比例運算放大系數(shù),Ti為積分時間,Td為微分時間。圖4-2PID控制算法框圖比例調(diào)節(jié)作用:是按比例反映系統(tǒng)的偏差,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差,比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差,屬于“即時”型調(diào)節(jié)控制。比例作用大,可以加快調(diào)節(jié),減少誤差,但是過大的比例,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用:使系統(tǒng)消除靜態(tài)誤差,提高無誤差度。因為有誤差,積分調(diào)節(jié)就進行,直至無誤差,積分調(diào)節(jié)停止,積分調(diào)節(jié)輸出一常值,屬于“歷史積累”型調(diào)節(jié)控制。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù)Ti,Ti越小,積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動態(tài)響應變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合,組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)作用:微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率,具有預見性,能預見偏差的變化趨勢,因此能產(chǎn)生超前的控制作用,在偏差還沒有形成之前,以被微分調(diào)節(jié)作用消除,因此屬于“超前或未來”型調(diào)節(jié)控制。因此,可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適的情況下,可以減少超調(diào),減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用,因此過強的加微分調(diào)節(jié),對系統(tǒng)抗干擾不利。此外,微分反映的是變化率,而當輸入沒有變化時,微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用,需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合,組成PD或PID控制器。4.2.2數(shù)字PID控制算法在單片機數(shù)字控制系統(tǒng)中,PID控制算法是通過單片機程序來實現(xiàn)的。對于數(shù)字信號處理,不論是積分還是微分,只能用數(shù)值計算去逼近。當采樣周期相當短時,用求和代替積分,用差商來代替微商,使PID算法離散化,將描述連續(xù)時間PID算法的微積分方程,變?yōu)槊枋鲭x散時間PID算法的差分方程。在模擬系統(tǒng)中,PID算法的表達式:((((1uDpITdettKetetdtTdt??=++?????(4-1式中:u(t:調(diào)節(jié)器輸出e(t:調(diào)節(jié)器的偏差信號Kp:比例系數(shù)Ti:積分時間Td:微分時間對前一算式離散化,即為數(shù)字式的差分方程(((((p01kDjIEkEkTukKEkEjTTT=??--=++????∑(4-2式中:T:采樣周期E(k:第k次采樣時的偏差值E(k-1:第k-1次采樣時的偏差值k:采樣序號u(k:第k次采樣時的調(diào)節(jié)器輸出上面的PID算法為非遞推形式,稱為全量算法。為了求和,必須將系統(tǒng)偏差的全部過去值e(j(j=0,1,2……值都存儲起來。這種算法得出了控制量的全量輸出u(k,是控制量的絕對數(shù)值。在控制系統(tǒng)中,這種控制量決定了執(zhí)行機構(gòu)的的位置,比如,在本設計電機控制系統(tǒng)中,這種算法的輸出對應了相應的速度值。因此,人們將這種算法稱為“位置PID算法”。除了“位置PID算法”以外,常見的還有增量式PID控制算法。當執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對值,而是控制量的增量時,需要用PID“增量算法”。此算法可由“位置PID算法”求出。根據(jù)遞推原理,可得增量式:((((((((11212pIDukukKEkEkKEkKEkEkEk=-+--++--+-????????式中:Kp比例系數(shù)Ki=Kp*(T/Ti積分系數(shù)Kd=Kp*(Td/T微分系數(shù)。綜合兩種算法,本設計是計算出一個合適的數(shù)字量通過DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量,從而控制送風閥的開度來調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫濕度。是每次計算出一個合適的數(shù)字量,而不是一個控制量的增量。但是如果采用“位置PID算法”則需要考慮控制量的基值u0,即Kp=0時的控制量,而直接用增量式PID算法只能計算出控制量的增量。所以,設計中,先采用增量式控制控制算法計算出控制量的增量,然后加上上一次的控制量即可以得到本次的控制量。綜合來說,本系統(tǒng)的PID算法是以增量式算法實現(xiàn)“位置PID算法”的結(jié)果,使控制得到簡化、容易實現(xiàn)。4.2.3PID算法的改進,飽和作用的抑制抑制PID算法的“飽和”作用,通常有兩種方法。一種算法是遇限削弱積分法,其基本思想是:一旦控制變量進入飽和區(qū),將只執(zhí)行削弱積分項的運算而停止進行增大積分項的運算。具體地說,在計算u(k時,將判斷上一時刻的控制量u(k是否已超出限制范圍,如果已超出,那么將根據(jù)偏差的符號,判斷系統(tǒng)輸出是否在超調(diào)區(qū)域,由此決定是否將相應偏差計入積分項。另一種算法是積分分離法。減小積分飽和的關鍵在于不能使積分項累積過大。第一種修正方法是一開始就積分,但進入限制范圍后即停止累積。后者介紹的積分分離法正好與其相反,它在開始時不進行積分,直到偏差達到一定的閾值后才進行積分累計,算法流程圖見圖4-3。圖中,A,B,C分別代表q0,q1,q2。這樣,一方面防止了一開始有過大的控制量,另一方面即使進入飽和后,因積分累積小,也能較快退出,減少了超調(diào)。由于本系統(tǒng)的控制對象是一個具有慣性的電動風閥,一方面要求控制要盡可能高的反映速度,另一方面也要盡可能減少超調(diào)。因此,積分分離法比較適合本系統(tǒng)。綜合上面關于PID算法的研究,已經(jīng)得出一個針對本系統(tǒng)的PID算法——“增量式積分分離PID控制算法”。在此控制算法中,誤差較大時采用的是PD算法控制。要編寫一個已知算法的單片機程序,首先要考慮的就是數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和存儲方式了。因為它直接影響到系統(tǒng)的控制精度,以及PID算法的實現(xiàn)質(zhì)量。本系統(tǒng)是為了節(jié)能,就必須盡可能的節(jié)省電機運行的能源消耗,為了精確地控制風閥,采用PID算法。要提高系統(tǒng)的控制精度,對于ATmega16單片機而言,有足夠的內(nèi)(((1ukukuk?=--]2(1(2([(]1(([-+--++--=kEkEkEKkEKkEkEKDIp存去存儲和處理這些數(shù)據(jù)。PID算法的程序框圖如圖4-3所示算法。圖4-3增量式積分分離PID算法流程圖4.3鍵盤程序設計鍵盤程序是掃描各個按鍵,完成溫度和濕度值的輸入和把這些數(shù)值傳給CPU,讓CPU來進行判斷和處理。程序框圖如圖4-4所示。圖4-4鍵盤程序框圖4.412864液晶顯示子程序設計通常12864LCD的初始化包括復位設置、清除顯示、地址歸位、顯示開關、游標設置、讀寫地址設置、反白選擇以及睡眠模式等等。實際中根據(jù)需要,正確、靈活地修改這些設置可以達到較為滿意的顯示效果。LCD中所有漢字、數(shù)字和字符都可以通過它的ASCII碼來訪問顯示,也可以直接就輸入漢字,因為ST7920帶字庫。LCD程序框圖見圖4-5。圖4-5LCD顯示程序4.5與上位機通訊與上位機通訊中,需要設置波特率,設置一些寄存器,一般還有奇偶校驗。程序流程如圖4-6所示。圖4-6通訊程序框圖第五章總結(jié)本設計是用AVR單片機設計一個節(jié)能空調(diào)控制器。通過DS18B20溫度傳感器和IH3605濕度傳感器測得室內(nèi)室外的溫度和濕度,其中DS18B20是數(shù)字溫度傳感器,直接接到單片機的IO口上,而IH3605輸出的是模擬量,經(jīng)過單片機自帶的AD轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給CPU。CPU再進行應用PID運算,計算出該輸出的數(shù)字量給DA來控制風閥的開度以及控制新風機的速度,從而控制室內(nèi)的溫度和濕度。系統(tǒng)中應用到的PID算法,根據(jù)實際需要,若要進一步提高系統(tǒng)控制的反應速度、精確度和穩(wěn)定度還需要設計更穩(wěn)定和精確的電動風閥以及設置更準確的PID參數(shù)。由此能更精確地控制整個系統(tǒng),從而更節(jié)省能源。通過這次的畢業(yè)設計,我查閱了很多關于空調(diào)的資料,了解了現(xiàn)代的空調(diào)的原理和發(fā)展情況。更重要的是,通過這次畢業(yè)設計,使我學到了許多新的知識,同時也是對大學四年學習生活的總結(jié),把所學的東西系統(tǒng)化。在本設計中應用了大量的單片機、模擬電子技術、數(shù)字電子技術知識,讓我對專業(yè)基礎課進行更深入的理解,為我以后學習研究和工作打下了良好的基礎,對自身素質(zhì)也是一種提高。致謝隨著緊張的畢業(yè)設計時間的結(jié)束,研制過程中無論硬件還是軟件設計,都經(jīng)過不斷摸索和幾經(jīng)反復,終于達到滿意的結(jié)果。為了提高整機可靠性,在總體設計上用軟件來實現(xiàn)某些硬件可完成的功能,盡管在設計中出現(xiàn)了很多問題,但經(jīng)過此畢業(yè)設計使我學到很多知識,增加了獨立設計能力。在論文設計期間,我的指導老師劉帥師老師給了我很大的幫助,在我撰寫論文過程中,給我提供了寶貴的意見,以及在論文遇到問題時,總能給出好的建議,使我能夠完成該系統(tǒng)的設計,在此表示深深的感謝!同時,設計難免有不足之處,在此,望各位老師批評指正。參考文獻1沈文,EagleLee,詹為前.AVR單片機C語言開發(fā)入門指導[M].清華大學出版社,2003.2先鋒工作室.單片機程序設計實例[M]清華大學出版社,2003.104-1103MEGA16單片機使用手冊2466G–AVR–10/034劉耀浩熱能與空調(diào)的微機測控技術天津大學出版社,19955張毅剛彭喜元姜守達MCS-51單片機應用設計哈爾濱工業(yè)大學出版社,20036董曉紅單片機原理及接口技術西安電子科技大學出版社,20047何希才傳感器及應用電路北京電子工業(yè)出版社,20018周澤存檢測技術北京機械工業(yè)出版社,19939姜泓自動控制原理北京工業(yè)出版社,199410黃凡,姜周曙,丁強,汪志強,鄧軍琦,楊維軍基于AVR單片機的行車空調(diào)控制器.機電工程,2008年10月第25卷第10期:10-1311鄭震璇基于PIC單片機的汽車空調(diào)控制器設計機電技術,2009年第2期:37-4012尤佳寧用AVR控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[D]上海:華東師范大學分析化學系,2006:26-4113解韶峰,李愛蓮使用空調(diào)控制器的單片機實現(xiàn)機械與電子,2009年第21期:8514張軍,胡孝昌單片機應用系統(tǒng)抗干擾技術的研究計算機測量與控制,2006:367-39115遲潔茹,楊杰中央空調(diào)只能溫度監(jiān)控器的設計自動化儀表,2003年7月第24卷第7期:28-3016劉洪基于DS18B20的溫度測量系統(tǒng)設計[J]華南師范大學學報(自然科學報,2002(1:85-8917程明陽,劉伯強,馬愛君,王雷基于單片機的變風量空調(diào)系統(tǒng)的研制測試技術與自動化卷,2004年第1期:14-1518孫寧,李吉生,彥啟森變風量空調(diào)系統(tǒng)設計淺談[J]暖通空調(diào),1997,27(5:53-6019宋宏光變風量系統(tǒng)最小新風量控制方法的討論[J]暖通空調(diào),1999,29(1:36-3820.胡漢才單片機原理及其接口技術北京:清華人學出版社,199621王兆安,黃俊電力電子技術北京:機械工業(yè)出版社,200022段九州電源電路使用設計手冊沈陽:遼寧科學技術出版社,200223鄭學堅微型計算機原理及應用清華大學出版社,199524高光天模數(shù)轉(zhuǎn)換器應用技術科學技術出版社25謝運樣,歐陽森電力電子單片機控制技術北京:機械工業(yè)出版社,200726張培仁單片機應用與實踐中國科學技術大學出版社,199327趙新民智能儀器原理及設計哈爾濱工業(yè)大學出版社,199028周澤存檢測技術北京機械工業(yè)出版社,199329譚浩強微型計算機原理接口技術中國鐵道出版社,199630丁鎮(zhèn)生傳感器及傳感器技術應用北京電子工業(yè)出版社,199831閻石數(shù)字電子技術基礎高等教育出版社,1997附錄1:部分程序清單增量式PID控制算法C程序/*==========================================================PIDFunctionThePID(比例、積分、微分functionisusedinmainlycontrolapplications.PIDCalcperformsoneiterationofthePIDalgorithm.WhilethePIDfunctionworks,mainisjustadummyprogramshowingatypicalusage.===========================================================*/typedefstructPID{intSetPoint;//設定目標DesiredValuelongSumError;//誤差累計doubleProportion;//比例常數(shù)ProportionalConstdoubleIntegral;//積分常數(shù)IntegralConstdoubleDerivative;//微分常數(shù)DerivativeConstintLastError;//Error[-1]intPrevError;//Error[-2]}PID;staticPIDsPID;staticPID*sptr=&sPID;/*===========================================================InitializePIDStructurePID參數(shù)初始化========================================*/voidIncPIDInit(void{sptr->SumError=0;sptr->LastError=0;//Error[-1]sptr->PrevError=0;//Error[-2]sptr->Proportion=0;//比例常數(shù)ProportionalConstsptr->Integral=0;//積分常數(shù)IntegralConstsptr->Derivative=0;//微分常數(shù)DerivativeConstsptr->SetPoint=0;}/*===========================================================增量式PID計算部分===========================================================*/intIncPIDCalc(intNextPoint{registerintiError,iIncpid;//當前誤差iError=sptr->SetPoint-NextPoint;//增量計算iIncpid=sptr->Proportion*iError//E[k]項-sptr->Integral*sptr->LastError//E[k-1]項+sptr->Derivative*sptr->PrevError;//E[k-2]項//存儲誤差,用于下次計算sptr->PrevError=sptr->LastError;sptr->LastError=iError;//返回增量值return(iIncpid;}/*===========================================================DS18B20程序===========================================================*//*******************************************函數(shù)名稱:B20_init功能:復位DS18B20/********************************************/voidB20_init(void{DDRA|=BIT(DS18B20;//配置為輸出PORTA&=~BIT(DS18B20;//拉低Delayus(600;//等待600微秒PORTA|=BIT(DS18B20;//釋放總線Delayus(60;//等待60微秒DDRA&=~BIT(DS18B20;//配置為輸入while((PINA&(BIT(DS18B20;//等待DS18B20拉低while(!(PINA&(BIT(DS18B20;//等待DS18B20釋放總線}/*******************************************函數(shù)名稱:B20_readB功能:讀取一個字節(jié)的數(shù)據(jù)返回值:retd--返回的一個字節(jié)數(shù)據(jù)/********************************************/ucharB20_readB(void{uchari,retd=0;for(i=0;i<8;i++//位計數(shù)值{retd>>=1;//右移,準備接受新的數(shù)據(jù)位DDRA|=BIT(DS18B20;//配置為輸出PORTA&=~BIT(DS18B20;//拉低,啟動讀數(shù)據(jù)位PORTA|=BIT(DS18B20;//釋放總線Delayus(5;//等待5微秒DDRA&=~BIT(DS18B20;//配置為輸入,開始讀取數(shù)據(jù)位if(PINA&BIT(DS18B20//該位是否為高{retd|=0x80;//是就將此位置高}Delayus(50;//等待50微秒}returnretd;//將讀到的一個字節(jié)返回}/*******************************************函數(shù)名稱:B20_writeB功能:寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)參數(shù):wrd--要寫入的數(shù)據(jù)返回值:無/********************************************/voidB20_writeB(ucharwrd{uchari;for(i=0;i<8;i++//位計數(shù)值{DDRA|=BIT(DS18B20;//配置為輸出PORTA&=~BIT(DS18B20;//拉低,啟動寫數(shù)據(jù)位Delayus(1;//等待1微秒if(wrd&0x01//此位數(shù)據(jù)是否為高{PORTA|=BIT(DS18B20;//是高則將單總線拉高}else{PORTA&=~BIT(DS18B20;//是低則將單總線拉低}Delayus(50;//等待50微秒PORTA|=BIT(DS18B20;//釋放總線wrd>>=1;//右移,為寫入新的數(shù)據(jù)位做準備}Delayus(50;//等待50微秒}/*******************************************函數(shù)名稱:Read_temp功能:讀取溫度值參數(shù):無返回值:rettemp--返回的溫度值/********************************************/uintRead_temp(void{uchartempl,temph;uinttemp;B20_init(;//初始化,每次寫命令都從初始化開始B20_writeB(0xcc;//跳過ROMB20_writeB(0x44;//啟動溫度轉(zhuǎn)換B20_init(;//初始化,每次寫命令都從初始化開始B20_writeB(0xcc;//跳過ROMB20_writeB(0xbe;//讀寄存器templ=B20_readB(;//讀溫度低字節(jié)temph=B20_readB(;//讀溫度高字節(jié)temp=templ+temph*256;//將溫度整理成16位變量returntemp;//返回16位變量}/*******************************************函數(shù)名稱:Num_BCD功能:將一個字節(jié)的整數(shù)轉(zhuǎn)換成三位BCD碼參數(shù):num--需要轉(zhuǎn)換的整數(shù)返回值:chr--三位BCD碼數(shù)組指針/********************************************/uchar*Num_BCD(uintnum{uchari,chr[3];uchar*rept;rept=&(chr[0];//返回指針指向BCD碼數(shù)組for(i=0;i<3;i++{chr[2-i]=num%10;//對10取余數(shù)(其實是求模,但是對于正數(shù),取余與求模是相等的num/=10;//除以10,為取出下一位做準備}returnrept;//返回指針}IH3605濕度AD采集程序:/*******************************************函數(shù)名稱:Mega16_ad功能:對指定的通道進行模數(shù)轉(zhuǎn)換參數(shù):chl--指定的通道(本開發(fā)板只用了通道0返回值:addata--10位數(shù)據(jù)輸出/********************************************/uintMega16_ad(ucharchl{uintaddata;DDRA&=~(BIT(PA0|BIT(PA1;//轉(zhuǎn)換口設置為輸入、無上拉PORTA&=~(BIT(PA0|BIT(PA1;ADMUX=0;//采用外部參考電壓,輸出數(shù)據(jù)右對齊ADMUX|=chl;//設置指定的通道ADCSR=0x80;//采用單次轉(zhuǎn)換,查詢模式,2分頻ADCSR|=BIT(ADSC;//啟動轉(zhuǎn)換while(!(ADCSR&(BIT(ADIF;//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束addata=ADCL;//讀取低8位數(shù)據(jù)addata+=ADCH*256;//讀取高2位數(shù)據(jù)returnaddata;//返回10位數(shù)據(jù)}12864液晶顯示程序:/*******************************************函數(shù)名稱:LCD12864_portini功能:初始化12864液晶用到的IO口參數(shù):無返回值:無/********************************************/voidLCD12864_portini(void{LCDb_CTRL_DDR|=BIT(LCDb_RS|BIT(LCDb_RW|BIT(LCDb_E|BIT(LCDb_RST;//配置控制管腳為輸出LCDb_DATA_DDR|=0xFF;//配置數(shù)據(jù)管腳為輸出LCDb_SET_RST;//不使能復位端}/*******************************************函數(shù)名稱:LCD12864_readbyte功能:從12864液晶讀出一個字節(jié)數(shù)據(jù)或者指令參數(shù):DatCmd--為iDat時是數(shù)據(jù),為iCmd時是指令返回值:dByte--讀回的數(shù)據(jù)或者指令/********************************************/ucharLCD12864_readbyte(ucharDatCmd{uchardByte;if(DatCmd==iCmd//指令操作LCDb_CLR_RS;elseLCDb_SET_RS;LCDb_SET_RW;//讀操作LCDb_SET_E;LCDb_DAT