課程設(shè)計(jì)報(bào)告----基于pic16f877的空調(diào)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì)</p><p>　　課程設(shè)計(jì)名稱： 空調(diào)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　專 業(yè) 班 級(jí) ： </p><p>　　學(xué) 生 姓 名 ： </p><p>　　學(xué) 號(hào) ：

2、 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 ： </p><p>　　課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)： </p><p>　　課程設(shè)計(jì)時(shí)間： 2008.12.29-01.04 </p><p>　　計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p><

3、b>　　摘 要</b></p><p>　　近幾年，隨著人民生活水平的逐步提高，居住條件也越來(lái)越寬敞；另一方面，環(huán)境保護(hù)運(yùn)動(dòng)的蓬勃發(fā)展，也要求進(jìn)一步提高制冷和空調(diào)系統(tǒng)的利用率。此外，人們對(duì)舒適的生活品質(zhì)與環(huán)境愈來(lái)愈重視，要求也愈來(lái)愈高，不僅對(duì)室內(nèi)溫、濕度提出了較高的要求，也希望室內(nèi)環(huán)境趨于自然環(huán)境。</p><p>　　綜觀空調(diào)器的發(fā)展過(guò)程，有三個(gè)主要的發(fā)展階段：(1)

4、從異步電機(jī)的定頻控制發(fā)展到變頻控制。(2)從異步電機(jī)變頻控制發(fā)展到無(wú)刷直流電機(jī)的變頻控制。 (3)控制方法從簡(jiǎn)單的開關(guān)控制向智能控制轉(zhuǎn)變。隨著對(duì)變頻空調(diào)器研究的日漸深入，控制目標(biāo)逐漸從單一的室溫控制向溫濕度控制、舒適度控制轉(zhuǎn)移;控制方法從簡(jiǎn)單的開關(guān)控制向PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)控制等智能控制方向發(fā)展。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)難度較大而且效果不一定很理想，因此本設(shè)計(jì)采用PID控制算法。 本設(shè)計(jì)從硬件和軟件兩方面

5、完成了空調(diào)的溫度控制系統(tǒng)，主要是以PIC系列單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用PID控制算法，即通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將溫度傳感器采集來(lái)的溫度數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定溫度相比較決定壓縮機(jī)的工作狀態(tài)，單片機(jī)通過(guò)對(duì)制冷壓縮機(jī)的控制，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)的制冷。</p><p>　　空調(diào)的硬件電路只是起到支持作用，因?yàn)樽鳛樽詣?dòng)化控制的大部分功能，只能采取軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且軟件程序的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。它

6、既經(jīng)濟(jì)又靈活方便，而且易于模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。同時(shí)，軟件程序所占用的空間和時(shí)間相對(duì)來(lái)說(shuō)比硬件電路的開銷要小得多。同時(shí)，與硬件不同，軟件有不致磨損、復(fù)制容易、易于更新或改造等特點(diǎn)，但由于它所要處理的問(wèn)題往往遠(yuǎn)較硬件復(fù)雜，因而軟件的設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試及維護(hù)往往要花費(fèi)巨大的經(jīng)歷及時(shí)間。對(duì)比軟件和硬件的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用軟硬件結(jié)合的辦法設(shè)計(jì)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：空調(diào) 單片機(jī) PID算法 溫度傳感器 </p

7、><p><b>　　目 次</b></p><p><b>　　1 引言3</b></p><p>　　2 總體方案設(shè)計(jì)4</p><p><b>　　3 硬件設(shè)計(jì)4</b></p><p>　　3.1控制器的選擇5</p>

8、<p>　　3.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換及調(diào)理電路6</p><p>　　3.3 數(shù)據(jù)采集模塊7</p><p>　　3.4 數(shù)據(jù)顯示模塊7</p><p>　　3.5 脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動(dòng)電路8</p><p>　　3.6 鍵盤接口8</p><p>　　3.7 原理圖9</p>

9、<p>　　4 軟件設(shè)計(jì)10</p><p>　　4.1 軟件設(shè)計(jì)思想10</p><p>　　4.2 流程圖12</p><p>　　4.2.1 主程序的設(shè)計(jì)及流程圖12</p><p>　　4.2.2 PID運(yùn)算子程序13</p><p>　　4.2.3溫度測(cè)量子程序16<

10、/p><p>　　4.3 數(shù)字濾波設(shè)計(jì)17</p><p><b>　　心得體會(huì)19</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)20</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　隨著人們生活水平的不斷提高，智能建筑得

11、到了迅猛發(fā)展，并已成為21世紀(jì)建筑業(yè)的發(fā)展主流。而空調(diào)系統(tǒng)是智能建筑中樓宇自動(dòng)化的一個(gè)非常重要的組成部分，在各個(gè)行業(yè)、各個(gè)部門中得到了廣泛的應(yīng)用，因此對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的研究十分必要。變頻空調(diào)由于性能優(yōu)異、節(jié)省能源等特點(diǎn)逐漸成為各大空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展方向，變頻技術(shù)也日漸得到各個(gè)廠家的重視。</p><p>　　隨著高層建筑的不斷增加，中央空調(diào)的使用量也不斷增加，在整個(gè)建筑能耗中的比重越來(lái)越大，其送風(fēng)機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在設(shè)計(jì)容量下

12、，而在日常運(yùn)行中的實(shí)際負(fù)荷大部分時(shí)間里只是設(shè)計(jì)負(fù)荷的70％，因此節(jié)能運(yùn)行就顯得格外重要。商場(chǎng)、辦公樓等區(qū)域的空調(diào)負(fù)荷隨著時(shí)間變化會(huì)有較大不同，如晚間由于人員的離開，需要實(shí)際風(fēng)量遠(yuǎn)小于白天人員高峰期的風(fēng)量?；趯?duì)實(shí)時(shí)的風(fēng)量需要，應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制管理，用改變送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變送風(fēng)量，使送風(fēng)量能隨著空調(diào)負(fù)荷變化而變化，達(dá)到節(jié)能效果，即采用變風(fēng)量(Variable Air Volume，VAV)系統(tǒng)，變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，因此在中央空調(diào)中越來(lái)越多

13、地使用變頻技術(shù)，采用變風(fēng)量系統(tǒng)節(jié)電率可達(dá)到50％以上。</p><p><b>　　2 總體方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　(1)輸入通道：采用AD590作溫度傳感器，雙積分式A/D芯片MC14433提高抗干擾性。采用獨(dú)立式鍵盤來(lái)調(diào)整空調(diào)溫度的設(shè)定值。</p><p>　　(2)輸出通道：直接數(shù)字控制的周波數(shù)調(diào)功方式實(shí)現(xiàn)有特色的功率放大

14、單元，并用LCD1602作為空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的顯示器。</p><p>　　(3)8253實(shí)現(xiàn)定時(shí)數(shù)據(jù)采集和控制量輸出。軟件實(shí)現(xiàn)分段PID控制算法，以獲得較好的溫度控制性能。</p><p><b>　　3 硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本控制系統(tǒng)原理框圖如圖3.1所示，它由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：信號(hào)轉(zhuǎn)換及調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示

15、模塊、脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動(dòng)電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。</p><p>　　2 3</p><p><b>　　1</b></p><p>　　5 4</p><p>　　～220v

16、 </p><p>　　圖3.1 系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　下面將具體介紹這幾個(gè)模塊。</p><p><b>　　控制器的選擇</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)我采用PIC系列單片機(jī)中的PIC16F877作為控制器。PIC最大的特點(diǎn)是不搞單純的功能堆積，而是從實(shí)際出發(fā)，重視產(chǎn)品的

17、性能與價(jià)格比，靠發(fā)展多種型號(hào)來(lái)滿足不同層次的應(yīng)用要求。就實(shí)際而言，不同的應(yīng)用對(duì)單片機(jī)功能和資源的需求也是不同的，精簡(jiǎn)指令使其執(zhí)行效率大為提高。</p><p>　　PIC系列8位CMOS單片機(jī)具有獨(dú)特的RISC結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛總線（Harvard）結(jié)構(gòu)，使指令具有單字長(zhǎng)的特性，且允許指令碼的位數(shù)可多于8位的數(shù)據(jù)位數(shù)，這與傳統(tǒng)的采用CISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)相比，可以達(dá)到2:1的代碼壓縮，速度提高4

18、倍。產(chǎn)品上市零等待（Zero time to market），采用PIC的低價(jià)OTP型芯片，可使單片機(jī)在其應(yīng)用程序開發(fā)完成后立刻使該產(chǎn)品上市。PIC有優(yōu)越開發(fā)環(huán)境，其引腳具有防瞬態(tài)能力,通過(guò)限流電阻可以接至220V交流電源,可直接與繼電器控制電路相連,無(wú)須光電耦合器隔離，給應(yīng)用帶來(lái)極大方便。PIC以保密熔絲來(lái)保護(hù)代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無(wú)法讀出，除非恢復(fù)熔絲。自帶看門狗定時(shí)器，可以用來(lái)提高程序運(yùn)行的可靠性?！?lt;/p

19、><p>　　PIC中檔產(chǎn)品是Microchip近年來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的系列產(chǎn)品，品種最為豐富，其性能比低檔產(chǎn)品有所提高，增加了中斷功能，指令周期可達(dá)到200ns，帶A／D，內(nèi)部E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，雙時(shí)鐘工作，比較輸出，捕捉輸入，PWM輸出，I2C和SPI接口，異步串行通訊（USART），模擬電壓比較器及LCD驅(qū)動(dòng)等等，其封裝從8腳到68腳，可用于高、中、低檔的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,價(jià)格適中，廣泛應(yīng)用在各類電子產(chǎn)品中。<

20、/p><p>　　3.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換及調(diào)理電路</p><p>　　信號(hào)轉(zhuǎn)換調(diào)理就是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后調(diào)理為可采集的電壓信號(hào)。具體電路參見圖3.2。</p><p>　　R1 R2 VOUT</p><p>　　圖3.2 數(shù)據(jù)采集模塊</p><

21、p>　　其中AD590是一種二端式的集成溫度傳感器，以TO-2形式封裝如圖3.3所示,主要技術(shù)參數(shù)如下:</p><p>　　圖3.3 AD590外引腳</p><p>　　1）測(cè)溫范圍為-55～+150°C</p><p>　　2）工作電壓為+4～+30V,由于AD590是一種恒流源形式的溫度傳感器,只要在其二端加上一定工作電壓,則其輸出電流隨溫

22、度變化而變化,其線性電流輸出為1uA/K；它以熱力學(xué)溫度零點(diǎn)作為零輸出點(diǎn)。其溫度電流曲線見圖4。</p><p>　　3）精度：經(jīng)過(guò)激光平衡調(diào)整，AD590校準(zhǔn)精度可達(dá)±0.5°C,在全溫區(qū)范圍內(nèi),線性度可達(dá)±0.3°C(AD590M), 精度可達(dá)1°C。</p><p>　　由于AD590是一種電流型的溫度傳感器，因此具有較強(qiáng)的抗干擾能力

23、，適用于計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量和控制。遠(yuǎn)距離信號(hào)傳遞時(shí)，可采用一般的雙絞線來(lái)完成；其電阻比較大，因此不需要精密電源對(duì)其供電，長(zhǎng)導(dǎo)線上壓降一般不影響測(cè)量精度；不需要溫度補(bǔ)償和專門的線性電路。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器采用MC14433，要求采樣輸入電壓幅值為0—2V可變，對(duì)應(yīng)的溫度變化范圍為0—100°C，由圖2可計(jì)算出R1和R3+R4得數(shù)值。</p><p>　　3.3

24、數(shù)據(jù)采集模塊</p><p>　　通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并通過(guò)并行接口芯片將數(shù)字量送給計(jì)算機(jī)。本控制系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器采用高精度的MC14433，圖3.4為MC14433的典型電路圖。</p><p>　　MC14433是三位半十進(jìn)制(即11位二進(jìn)制數(shù))的雙積分式模數(shù)轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換速率為4-10Hz,它無(wú)控制啟停信號(hào)，一旦上電，就不斷地轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果采用BCD碼動(dòng)態(tài)掃

25、描輸出,它的千位、百位、十位、個(gè)位的BCD碼輸出為分別與DS1、DS2、DS3、DS4輸出高電平是相對(duì)應(yīng),由于它們無(wú)三態(tài)特性,不可與PC機(jī)直接相連,因此要通過(guò)并行接口芯片相連接。</p><p><b>　　0</b></p><p>　　圖 3.4 數(shù)據(jù)采集模塊</p><p>　　3.4 數(shù)據(jù)顯示模塊</p><p&

26、gt;　　PC機(jī)將采集到的溫度值經(jīng)處理后送往LCD1602上顯示。  1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，如表1所示，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A”。</p>

27、<p>　　3.5 脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　圖3.5為脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動(dòng)部分的原理圖（圖中包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分）。</p><p>　　圖3.5 脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動(dòng)電路原理圖</p><p>　　本電路用于完成反饋控制的功能，利用單片機(jī)輸出的經(jīng)PID控制算法處理后的誤差信號(hào)去控制產(chǎn)生具有一定占空比的脈沖，并送往驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行脈沖放大。改

28、變占空比的調(diào)節(jié)方法有脈寬調(diào)制(PWM)和脈頻調(diào)制(PFM)。由原理圖可知本系統(tǒng)采用PWM方式，即工作頻率不變，通過(guò)改變后級(jí)電路的導(dǎo)通與截止比來(lái)改變占空比。</p><p><b>　　3.6 鍵盤接口</b></p><p>　　鍵盤是由若干按鈕組成的開關(guān)矩陣，它是單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的輸入設(shè)備，用戶能通過(guò)鍵盤向計(jì)算機(jī)輸入指令、地址和數(shù)據(jù)。一般單片機(jī)系統(tǒng)中采和非編碼鍵

29、盤，非編碼鍵盤是由軟件來(lái)識(shí)別鍵盤上的閉合鍵，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)。 </p><p>　　圖3.6 鍵盤結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　組成鍵盤的按鈕有觸點(diǎn)式和非觸點(diǎn)式兩種，單片機(jī)中應(yīng)用的一般是由機(jī)械觸點(diǎn)組成的。在圖3.6中，當(dāng)開關(guān)S未被按下時(shí)，RB0輸入為高電平，S閉合后，RB0輸入為低電平。由于按鈕是機(jī)械觸點(diǎn)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)，會(huì)有抖動(dòng)動(dòng)，RB

30、0輸入端的波形如A圖所示。這種抖動(dòng)對(duì)于人來(lái)說(shuō)是感覺不到的，但對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，則是完全能感應(yīng)到的，因?yàn)橛?jì)算機(jī)處理的速度是在微秒級(jí)，而機(jī)械抖動(dòng)的時(shí)間至少是毫秒級(jí)，對(duì)計(jì)算機(jī)而言，這已是一個(gè)“漫長(zhǎng)”的時(shí)間了。</p><p><b>　　3.7 原理圖</b></p><p>　　原理圖使用專業(yè)的電路設(shè)計(jì)軟件Protel 99 se設(shè)計(jì)，并使用工程繪圖法繪制，即使用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)的

31、方法而不直接將各個(gè)電子元件連在一起，這樣對(duì)繪制原理圖和閱讀原理圖都有利。原理圖如圖3.7所示：</p><p><b>　　圖3.7 原理圖</b></p><p><b>　　4 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 軟件設(shè)計(jì)思想</p><p>　　空調(diào)的硬件電路只是起到支持作用。

32、因?yàn)樽鳛樽詣?dòng)化控制的大部分功能，只能采取軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且軟件程序的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。它既經(jīng)濟(jì)又靈活方便，而且易于模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。同時(shí)，軟件程序所占用的空間和時(shí)間相對(duì)來(lái)說(shuō)比硬件電路的開銷要小得多。同時(shí)，與硬件不同，軟件有不致磨損、復(fù)制容易、易于更新或改造等特點(diǎn)，但由于它所要處理的問(wèn)題往往遠(yuǎn)較硬件復(fù)雜，因而軟件的設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試及維護(hù)往往要花費(fèi)巨大的經(jīng)歷及時(shí)間。但相比之下，這些代價(jià)所取得的功能遠(yuǎn)優(yōu)于僅依靠硬件電路所實(shí)現(xiàn)的功能。</

33、p><p>　　在硬件電路設(shè)計(jì)好以后，軟件設(shè)計(jì)則是最重要的一個(gè)設(shè)計(jì)部分，由于空調(diào)自動(dòng)控制的大部分智能化功能都是軟件來(lái)完成，這樣就使得硬件電路設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化和成本低可以得到實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　在進(jìn)行軟件編程時(shí)，我們?nèi)匀灰捎媒Y(jié)構(gòu)化模塊方式編程，從而可以把一些非常大的程序逐步分解為幾個(gè)小程序，這對(duì)于編程人員非常重要的。對(duì)于本課題而言，由于它最終要設(shè)計(jì)成樣機(jī)形式。因此，我們就得對(duì)整機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，這

34、個(gè)監(jiān)控程序中應(yīng)包括各種芯片的初始化程序、自診斷程序及許多中斷子程序等事實(shí)上，在對(duì)空調(diào)器上電后，它應(yīng)在單片機(jī)的控制下自動(dòng)轉(zhuǎn)入監(jiān)控程序的執(zhí)行。我們?cè)诰幹茣r(shí)把監(jiān)控程序作為本機(jī)的主程序來(lái)進(jìn)行工作。任何故障都會(huì)從監(jiān)控程序的執(zhí)行中得到響應(yīng)，而且任何故障給予的響應(yīng)方式和代碼不同，因此這很方便的可以查找到該故障部位。顯然，這只對(duì)硬件電路的故障有效。對(duì)于軟件程序的執(zhí)行故障，我們目前只能通過(guò)軟件程序的調(diào)試安裝及仿真來(lái)判別它是否正常運(yùn)行。因?yàn)閱纹瑱C(jī)畢竟不是微

35、機(jī)或上位機(jī)。它所能容納的程序能力也是有限的。當(dāng)然，我們可以采用各種技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，這樣就可以最大限度的直至軟件程序的出錯(cuò)運(yùn)行。各種子程序模塊都掛接在該主程序上。編制它時(shí)，我們盡可能充分利用8051單片機(jī)的軟件資源及內(nèi)部寄存器資源，這樣可以提高其運(yùn)行速度。</p><p>　　硬件和軟件式空調(diào)溫度控制的核心設(shè)計(jì)方面，本課題把研究重點(diǎn)特別投向軟件設(shè)計(jì)，畢竟自動(dòng)控制功能大部分都要靠軟件程序來(lái)完成。在本課題設(shè)計(jì)過(guò)程中，軟件

36、調(diào)試要花大量時(shí)間來(lái)調(diào)試運(yùn)行，而硬件電路我們只需簡(jiǎn)單調(diào)試。因此可見硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)有很大區(qū)別，而且在總體調(diào)試中還要對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。這都是本課題所研究的內(nèi)容。我們從總體上把握了空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，初步了解到該研究項(xiàng)目主要的研究工作內(nèi)容和其采用的優(yōu)點(diǎn)。倘若要具體進(jìn)行各個(gè)細(xì)節(jié)方面的工作，我們能夠發(fā)現(xiàn)這種總體設(shè)計(jì)思路對(duì)具體電路的設(shè)計(jì)合理程序模塊設(shè)計(jì)的重要指導(dǎo)意義，不管設(shè)計(jì)研究任何儀器儀表，這種總體設(shè)計(jì)思路總是必需的，而且是有利于我們從整體

37、上把握該空調(diào)控制系統(tǒng)的性能和特點(diǎn)。</p><p><b>　　4.2 流程圖</b></p><p>　　4.2.1 主程序的設(shè)計(jì)及流程圖</p><p>　　本課題的主要思想就是檢測(cè)溫度，控制制冷壓縮機(jī)對(duì)室溫進(jìn)行恒定控制。并且將溫度顯示在LCD1602顯示器上，還可通過(guò)鍵盤控制設(shè)定溫度的增加和減少。主程序通常包括可編程硬件、輸入、輸出端

38、口和參數(shù)的初始化，自診斷管理模塊以及實(shí)時(shí)中斷管理和處理模塊等。我們采用“自頂向下”結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，它屬于該設(shè)計(jì)中的第一層次，除了初始化和自診斷外，主程序一般總是把其余部分聯(lián)接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)無(wú)限循環(huán)圖，空調(diào)溫度的自動(dòng)控制的所有功能都在這一循環(huán)圈中周而復(fù)始地、或有選擇地執(zhí)行，除非掉電或按復(fù)位鍵，它不會(huì)跳出這一循環(huán)圈。對(duì)于主程序，由于本設(shè)計(jì)設(shè)有鍵盤和顯示子程序，實(shí)驗(yàn)結(jié)果一目了然。 </p>&l

39、t;p>　　本主程序從整個(gè)系統(tǒng)的上電復(fù)位開始運(yùn)行，然后對(duì)各種可編程器件及單片機(jī)堆棧和參數(shù)進(jìn)行初始化。接著對(duì)各軟、硬件模塊進(jìn)行自診斷，并同時(shí)判斷有無(wú)中斷，等待是哪兒硬件或軟件出錯(cuò)。一旦發(fā)生這種出錯(cuò)情況，則判明后進(jìn)行相應(yīng)的服務(wù)模塊，然后進(jìn)一步自診斷，以達(dá)到運(yùn)行正常，否則就跳出，進(jìn)行出錯(cuò)處理；若無(wú)中斷請(qǐng)求，我們開始進(jìn)行實(shí)時(shí)處理狀態(tài)，調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序，同時(shí)我們采用BCD碼運(yùn)算，這樣進(jìn)行十六位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為BCD的子程序。這樣，進(jìn)行各種

40、功能處理模塊，數(shù)據(jù)融合技術(shù)子程序或多線段逼近溫補(bǔ)子程序，處理完畢，我們判斷是子程序，恢復(fù)二進(jìn)制數(shù)碼，同時(shí)，判斷誤差程度，若滿足，輸出啟動(dòng)D/A子程序。整個(gè)測(cè)量過(guò)程是否結(jié)束，若結(jié)束，則返回，若誤差過(guò)大，則重新調(diào)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行計(jì)算處理。若沒(méi)有完成，則回到初始化階段循環(huán)再做。這就是整個(gè)空調(diào)溫度控制的主程序的設(shè)計(jì)思想。圖 4.1主程序的設(shè)計(jì)及流程圖。</p><p>　　4.2.2 PID運(yùn)算子程序</p&g

41、t;<p>　　加入PID運(yùn)算可以提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度和調(diào)節(jié)的質(zhì)量，本課題采用PID運(yùn)算正是為了提高運(yùn)算結(jié)果，使之更精確，減少外界的干擾。</p><p>　　根據(jù)被控對(duì)象及基本設(shè)計(jì)要求，自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需進(jìn)行大量的計(jì)算分析，要保證系統(tǒng)良好的性能又要滿足給定的技術(shù)要求，在此過(guò)程中，可采用理論指導(dǎo)，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，確定控制算法。對(duì)于水溫系統(tǒng)的建模，可近似地認(rèn)為“純滯后+一階慣性”環(huán)節(jié)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)先測(cè)出開

42、環(huán)曲線，對(duì)于一階慣性環(huán)節(jié)對(duì)象，往往采用PID控制算法，控制效果較好。PID控制表示比例(proportional)—積分(integral)—微分(differential)控制。PID調(diào)節(jié)器如圖 4.2所示。</p><p>　　E(S) U(S)</p><p>　　圖 4.2 PID調(diào)節(jié)器</p><p>　　調(diào)節(jié)器輸入輸

43、出之間的比例-微分-積分關(guān)系如下:</p><p>　　u(t)=Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt+Td*de(t)/dt] 式(1)</p><p>　　其中Kp為比例系數(shù),Ti為積分時(shí)間常數(shù),Td為微分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中使用的是數(shù)字PID調(diào)節(jié)，就是對(duì)式（1）進(jìn)行離散化,離散化時(shí),令u(t)≈u

44、(kT)</p><p>　　e(t)≈e(kT)</p><p>　　∫e(t)≈T∑e(jT)</p><p>　　de(t)/dt≈[e(kT)―e(kT―T)]/T</p><p>　　式中T是采樣周期,顯然,,上述周期T必須足夠短,才能保證有足夠的精度。因此數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，表達(dá)式如下：</p><p>　　

45、u(kT)=Kp{e(kT)+T/Ti∑e(jT)+Td/T[e(Kd)―e(Kt―T)]} 式(2)</p><p>　　由控制理論可知：離散化采樣頻率越高，采樣后失去的信息越少，相應(yīng)的控制性能也越好。但由于水溫是一個(gè)慢變信號(hào)，進(jìn)行PID算法控制時(shí)，若采樣頻率過(guò)高，相鄰兩次采樣信號(hào)差距很小，將會(huì)失去PID控制的優(yōu)勢(shì)，因此確定采樣頻率為1/15HZ，即15S進(jìn)行一次PID算法。</p>

46、<p>　　在反饋控制部分的軟件程序設(shè)計(jì)上主要采用PID控制算法，但由于過(guò)早地引入積分作用容易產(chǎn)生飽和，產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)量，預(yù)期的調(diào)節(jié)規(guī)律將遭到破壞。為了克服這一缺點(diǎn)，可以采用積分分離的PID控制算法，這樣既保持了積分的作用，又減少了超調(diào)量，使控制性能有較大的改善。</p><p>　　在本系統(tǒng)的實(shí)際控制中，微分作用的改善不是很明顯，因此，在軟件編制時(shí)可不加微分調(diào)節(jié)。</p><p&g

47、t;　　一般來(lái)說(shuō),從A/D轉(zhuǎn)化器中讀出數(shù)據(jù),可以有四種工作方式:中斷方式、查詢方式、定時(shí)方式和延時(shí)方式?？紤]到水溫是一個(gè)慢變的信號(hào)，可以每秒進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采樣，而MC14433的轉(zhuǎn)換速率為4～10HZ，且無(wú)控制啟停的信號(hào)，一旦上電就不斷地進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。因此，本系統(tǒng)決定采用定時(shí)方式讀取數(shù)據(jù)，利用可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器8253來(lái)進(jìn)行定時(shí)1秒，8253工作于方式0（記數(shù)結(jié)束中斷方式），當(dāng)寫入控制字，OUT輸出端立即變成低電平，當(dāng)計(jì)數(shù)值到達(dá)0時(shí)，才變

48、成高電平，因此計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)OUT信號(hào)的上跳變可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，通過(guò)8259向CPU申請(qǐng)中斷，在中斷子程序中用查詢方式去采集數(shù)據(jù)，于是實(shí)現(xiàn)一秒采集一次數(shù)據(jù)的功能。（計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率3MHZ/64，計(jì)數(shù)值為0B71BH，計(jì)數(shù)值與頻率的乘積為一秒）。因此本實(shí)驗(yàn)的軟件設(shè)計(jì)包括主程序與中斷子程序的編制。其中主程序主要完成顯示溫度值、打印控制曲線的功能，子程序完成讀取A/D轉(zhuǎn)換值、數(shù)字濾波、PID控制算法等功能。在程序編制時(shí)應(yīng)提供一個(gè)簡(jiǎn)單的人機(jī)界面。&

49、lt;/p><p><b>　　PID計(jì)算公式：</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　圖 4.3為PID算法的流程圖。</p><p><b>　　溫度測(cè)量子程序</b></p><p>　　圖4.4為溫度測(cè)量子程序的流程圖。

50、</p><p>　　4.3 數(shù)字濾波設(shè)計(jì)</p><p>　　數(shù)字濾波是一種克服隨機(jī)誤差的軟件算法。因?yàn)殡S機(jī)誤差是又竄入儀表的隨機(jī)干擾所引起的，這種誤差是指在相同條件下測(cè)量同一量時(shí)，其大小和符號(hào)作無(wú)規(guī)則的變化而無(wú)法預(yù)測(cè)，但在多次測(cè)量中它是符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的。這樣，我們根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律可消除誤差，同時(shí)數(shù)字濾波還可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的平滑處理，以保證儀表及系統(tǒng)的正常運(yùn)行。</p>&l

51、t;p>　　數(shù)字濾波有以下特點(diǎn)：（1）數(shù)字濾波無(wú)需硬件，只是一個(gè)計(jì)算過(guò)程，因此可靠性高，不存在阻抗匹配問(wèn)題；（2）數(shù)字濾波實(shí)用軟件算法實(shí)現(xiàn)的，因此可以使多個(gè)輸入通過(guò)共用一個(gè)軟件“濾波器”，從而降低儀表硬件成本；（3）只要適當(dāng)改變軟件濾波器的濾波程序或運(yùn)算參數(shù)，就能方便地改變?yōu)V波特性。</p><p>　　前面討論到數(shù)字濾波的方法有很多，我們?cè)谠O(shè)計(jì)智能型壓力變送器是采用了較為常用的算術(shù)平均濾波法。它就是連續(xù)取

52、n個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：</p><p><b>　　= </b></p><p>　　顯然，算術(shù)平均濾波對(duì)信號(hào)的平滑程度完全取決于N。N較大時(shí)，平滑度高，但靈敏度低；當(dāng)N較小時(shí)，平滑度低，但靈敏度高。</p><p><b>　　心得體會(huì)</b></p><p>　　計(jì)算機(jī)控制技

53、術(shù)是一門理論性比較強(qiáng)的課程，也是我在大學(xué)期間學(xué)得最認(rèn)真的一門課程之一。通過(guò)這次計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)，使我受益匪淺，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：</p><p>　　（1） 通過(guò)這對(duì)這次課程設(shè)計(jì)的，我以重新復(fù)習(xí)了單片機(jī)原理和用Protel 99 SE畫原理圖，同時(shí)學(xué)會(huì)了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程，并能夠利用51或PIC系列單片機(jī)去設(shè)計(jì)一個(gè)小型的嵌入式系統(tǒng)。而且我也充分認(rèn)識(shí)到了單片機(jī)的重要性，對(duì)單片機(jī)開發(fā)產(chǎn)生了濃厚的興趣。<

54、;/p><p>　　（2） 我是用PIC16F877去做，但做的過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)了很多問(wèn)題，比如電子元器件的選擇與購(gòu)買，以及電路的焊接。由此我認(rèn)為，在單片機(jī)開發(fā)中，經(jīng)驗(yàn)往往是很重要的，而多去做實(shí)踐有利于經(jīng)驗(yàn)的積累，這應(yīng)該是我們這次課程設(shè)計(jì)的意義所在。</p><p>　?。?）上完這門課后，我對(duì)單片機(jī)的總體感覺是：?jiǎn)纹瑱C(jī)比較適合做產(chǎn)品研發(fā)或系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而我們以前學(xué)的PLC則比較適合于工程控制，它比

55、用單片機(jī)控制要簡(jiǎn)單一些。相比PLC,用單片機(jī)做系統(tǒng)設(shè)計(jì)要難很多，而且網(wǎng)上的相關(guān)資料顯示，PLC比較適合于環(huán)境比較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。因此，學(xué)會(huì)用PLC做控制也是很重要的。但我發(fā)現(xiàn)，PLC與單片機(jī)也有某些類似的地方，而且，學(xué)完單片機(jī)后，我發(fā)現(xiàn)PLC變得容易了。由此我發(fā)現(xiàn)，其實(shí)任何學(xué)科都是相通的。</p><p>　　（4）我以前學(xué)的是51系列單片機(jī)，而這次設(shè)計(jì)我用PIC系列。通過(guò)對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)，51與PIC的在原理與編程

56、方面有著類似的地方，盡管它的的指令系統(tǒng)不同，但它們基本思想是相同的，因此我們沒(méi)有花很長(zhǎng)時(shí)間就從51過(guò)渡到了PIC。由此我發(fā)現(xiàn)，其實(shí)51也好，PIC也好，只要學(xué)會(huì)并精通其中的一種，對(duì)其它類型的8位單片機(jī)也能觸類旁通，以不變應(yīng)萬(wàn)變了。8位單片機(jī)我學(xué)會(huì)了51和PIC,我下一步的計(jì)劃是學(xué)習(xí)32位的ARM，因?yàn)槲艺J(rèn)為，32位單片機(jī)相比8位單片機(jī)有著更強(qiáng)大的功能和更好的發(fā)展前景。</p><p><b>　　參 考

57、 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 趙佩華.單片機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003.1</p><p>　　[2] 謝宜仁,謝偉,謝東辰.單片機(jī)使用技術(shù)問(wèn)答.北京:人民郵電出版社,2003.2</p><p>　　[3] 薛宗祥,鹿樹理,朱惠英. 8位單片機(jī)原理與應(yīng)用. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,1999.9</p&g