獨家原創:空調控制系統設計研究論文

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【摘要】

本文介紹了一種空調機溫度控制系統。本溫度控制系統采用AT89C51單片機收集數據，處理數據來實現對溫度的調控。主要過程如下：利用傳感器將非電量信號轉換為電信號，轉換后的電信號再進入A/D轉換器轉換成數字量，傳送給單片機進行數據處理，并向外圍設備輸出控制信號。由LED實時顯示被控溫度及設定溫度，使系統應用更加方便、直觀。

【關鍵詞】單片機、A/D轉換系統設計系統調試

緒論

單片機利用大規模集成電路技術把中央處理器和數據存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM）及其他I/O通信口集成在一塊芯片上，構成一個最小的計算機系統。而現代的單片機則加上了中斷單元、定時單元及A/D轉換等更復雜、更完善的電路，使得單片機的功能越來越強大，應用更廣泛。

第1章單片機空調控制系統

隨著中國人民環境的改善和人民生活質量的提高，公共建筑和住宅的供熱和空調已成為普遍的需求，建筑能耗占全社會總能耗的比例巨大且持續增長。據統計，2001年中國建筑能耗已達到3.76億噸標準煤，占總能耗的27.6%，年增長比例是5%。在發達國家中，供熱和空調的能耗很大，可占到社會總能耗的25%-30%。有資料統計，辦公樓中空調系統耗能量占總能量的25%左右，所以空調控制系統設計始終是建筑環境與設備領域中的重要研究課題之一。

1.1當前國內研究情況

1）在城市現代化建設過程中，用電結構發生變化，其中用在建筑物空調系統的電力負荷比例日益增加。據不完全統計，北京已有250余幢賓館、辦公樓和50余家大商場采用中央空調，其空調用電負荷達40萬kW。相當于華北電網為了調峰，耗資27億元而興建的十三陵抽水蓄能電站的1/2裝機容量。以廣東省為例，現有裝機容量已達30萬kW,并以每年30%的速度遞增，其用電負荷已占總共電量的40%以上。

2）改革開放以來，我國經濟的高速發展和人民物質生活水平的不斷提高，對電力供應不斷提出新的挑戰。盡管我國發電裝機容量已超過2億Kw,年發電量已突破9000億kWh。然而，目前我國電力供應仍很緊張。突出的矛盾是電網峰谷負荷差加大，夜間至清晨谷段負荷率低，而高峰段電力嚴重不足，有的電網峰谷負荷之差達25%-30%，造成白天經常拉閘限電，夜間有電送不出的現象。

3）由于空調用電負荷一般在電力谷段用量甚少，對城市點昂具有很大的“肖鋒填谷“潛力，而在中央空調中，制冷系統的用電量通常占整個空調系統用電量的40%-50%，如以商場為例，每10萬m2空調制冷系統的須用電功率約為7000-9000KW。因此，空調蓄冷系統應運而生，并將日益展示他廣闊的應用前景

1.2空調控制系統的組成以及基本工作原理

空調系統的基本組成形式可分為三大組成部分，分別是：冷熱源設備（主機）、空調末端設備、附件及管道系統。該系統具有制冷、制熱、除濕、自動4種工作模式，包括定時、睡眠、風向、智能化霜、應急運轉、試運轉以及5種可調室內風速等控制功能；在定時開機時，可根據訪間溫度作智能判斷，自動調整定時開機時間，避免開機時太冷或太熱；另外，可對設定溫度和房間溫度兩種溫度的10個溫度值進行同時指示，以及完整的抗干擾和系統保護功能。

1.2.1控制器原理

該系統具有制冷、制熱、除濕、自動4種工作模式，包括定時、睡眠、風向、智能化霜、應急運轉、試運轉以及5種可調室內風速等控制功能；在定時開機時，可根據訪間溫度作智能判斷，自動調整定時開機時間，避免開機時太冷或太熱；另外，可對設定溫度和房間溫度兩種溫度的10個溫度值進行同時指示，以及完整的抗干擾和系統保護功能。

本系統硬件簡單可靠，軟件具有更完善的控制功能和抗干擾能力。系統具有很高的性能價格比

系統CPU根據遙控器或按鍵輸入的命令，對采集到的溫度進行智能判斷，然后作出相應的制冷、制熱或除溫運行。再通過接口電路，驅動壓縮機、換向閥、風向電機和室內風機作相應動作，并對溫度用LED指示。系統的原理框圖如圖1所示。

1.3軟件設計

軟件設計采用模擬化處理，主控程序包括以下幾個部分：程序的初始化、試運轉、數據和信號的采集與處理、溫度LED指示、室內風機的閉環積分控制、室內風向電機的步進控制。功能子程序包括制冷、制熱、除濕、自動四種運行模式。中斷程序包括遙控接收。各種定時的中斷查詢處理、速度檢測等。系統的主控程序流程如圖4所示。

1.4硬件設計

1.4.1單片機的選擇

系統有3路溫度模擬信號輸入，還有1路電壓和1路電流模擬輸入，共5路模擬輸入要求；而模擬信號要轉換成數字信號才能用單片機CPU處理。為提高系統的性能價格比，應采用含有A/D轉換器的單片機。經過各方面的綜合比較，我們選用了美國Microchip公司的PIC16C72單片機作為控制核心。它具有5路模擬量輸入的A/D轉換器，恰好滿足系統的模擬輸入要求。另外，它在1塊芯片上集成了1個8位邏輯運算單元和工作寄存器、2KB程序存儲器、128個數據存儲器、3個端口（A口、B口、C口）共22條I/O線、3個定時器/計數器。另外，只有35條易學易用而高效的RISC（精簡指令集計算機）指令，同時，芯片具看門狗功能，并提供對軟件運行出錯的保護。

1.4.2模擬輸入電路

本系統直接用熱敏電阻進行測溫，再加一級電容濾波。對外交換溫度檢測電路，因其干擾較大，特加上二極管限幅保護。對傳感器的不同電阻值，將其所對應的不同分壓值輸入至PIC單片機的A/D轉換口，在單片機內部轉換成數字信號。該檢測電路結構簡單，性能價格比高。又因采用的單片機為8位，所以溫度轉換精度高，可為0.5℃，完全滿足了空調的信號檢測精度要求。對過流信號的檢測，不用經過比較器，節約了資源；而是采用模擬信號整流分壓后直接輸入，通過單片機自帶的A/D轉換器，每500μs對其進行一次檢測，并進行軟件比較，以確認是否過流。對過零電壓信號的檢測，也是采用模擬信號整流分壓后直接輸入。因兩個半的過零點都要檢測，所以用橋式整流。模擬輸入電路如圖2所示。

1.5單片機控制系統的調試

1.5.1硬件調試

根據設計的原理電路做好實驗樣機，便進入硬件調試階段。調試工作的主要任務是排除樣機故障，其中包括設計錯誤和工藝性故障。

1）脫機檢查

用萬能表或邏輯測試筆逐步按照邏輯圖檢查機中各器件的電源及各引腳的連接是否正確，檢查數據總線、地址總線和控制總線是否有短路等故障。有時為保護芯片，先對各管座的電位（或電源）進行檢查，確定其無誤后再插入芯片檢查。

1.5.2仿真調試

暫時排除目標板的CPU和EPROM，將樣機接上仿真機的40芯仿真插頭進行調試，調試各部分接口電路是否滿足設計要求。這部分工作是一種經驗性很強的工作，一般來說，設計制作的樣機不可能一次性完好，總是需要調試的。通常的方法是，先編調試軟件，逐一檢查調試硬件電路系統設計的準確性。其次是調試MONITOR程序，只有MONITOER程序正常工作才可以進行下面的應用軟件調試。

1.5.3硬件電路調試的一般順序

1）檢查CPU的時鐘電路。通過測試ALE信號，如沒有ALE信號，則判斷是晶體或CPU故障，這稱之為“心臟”檢查。

2）檢查ABUS/DBUS的分時復用功能的地址鎖存是否正常。

3）檢查I/O地址分配器。一般是由部分譯碼或全譯碼電路構成，如是部分譯碼設計，則排除地址重疊故障。

4）對擴展的RAM、ROM進行檢查調試。一般先后寫入55H、AAH，再讀出比較，以此判斷是否正常。因為這樣RAM、ROM的各位均寫入過‘0’、‘1’代碼。

5）用戶級I/O設備調試。如面板、顯示、打印、報警等等。

1.5.4軟件調試

軟件調試根據開發的設備情況可以有以下方法：

1）交叉匯編

用IBMPC/XT機對MCS—51系列單片機程序進行交叉匯編時，可借助IBMPC/XT機的行編輯和屏幕編輯功能，將源程序按規定的格式輸入到PC機，生成MCS—51HEX目標代碼和LIST文件。

2）用匯編語言

現在有些單片STD工業控制機或者開發系統，可直接使用匯編語言，借助CRT進行匯編語言調試。

3）手工匯編

這種方法是最原始，但又是一種最簡捷的調試方法，且不必增加調試設備。這種方法的實質就是對照MCS—51指令編碼表，將源程序指令逐條地譯成機器碼，然后輸入到RAM重新進行調試。在進行手工匯編時，要特別注意轉移指令、調用指令、查表指令。必須準確無誤地計算出操作碼、轉移地址和相對偏移量，以免出錯。

4）以上3種方法調試完成以后，即可通過EPROM寫入器，將目標代碼寫入EPROM中，并將其插至機器的相應插座上，系統便可投入運行。

硬件、軟件仿真調試經過硬件、軟件單獨調試后，即可進入硬件、軟件聯合仿真調試階段，找出硬件、軟件之間不相匹配的地方，反復修改和調試。實驗室調試工作完成以后，即可組裝成機器，移至現場進行運行和進一步調試，并根據運行及調試中的問題反復進行修改。

1.5.5調試

單片機控制技術應用越來越廣泛，其核心技術是單片機控制系統的設計。對工程技術人員來說，抓住系統的原理構成、軟件設計、硬件設計以及系統調試方法的要點是十分必要的。根據工作經驗，前面敘述的系統調試方法將會有助于從事這方面工作的技術人員及本專業的學習者。

第2章單片機的空調控制系統技術和量化要求

2.1空調控制系統的數字化控制

（以Infineon的8位單片機C504/C508）為例

2.1.1模糊智能控制

與普通空調的運行方式不同，變頻空調的壓縮機需要連續運行。其速度調節變得更加重要，要確保室內溫度波動限制在較小范圍內。事實上永磁直流無刷電機是一個多變量，非線性，強耦合的對象，需要智能控制才能取得比較滿意的效果。考慮到8位單片機的資源有限，本系統采用模糊控制來實現電機轉速的控制。因為C504/C508的CCU單元的通道0在塊交換模式下降了參與電機換相外，還可用來完成捕獲動作，故這個通道可以同時用于電機速度檢測。系統所用的模糊控制規則如下式：U=αE+（1-α）E式中，E為位速度誤差，Ec為速度誤差變化率，α為加權系數，在0和1之間取值，U為控制器輸出。通過調整加權系數，本系統可以對控制規則進行在線修正。

2.1.2功率變換電路

功率變換電路及其驅動和保護是直流無刷電機調速系統的最核心的部分。功率變換電路主要是整流橋和逆變橋。目前在國內變頻空調產品中這部分電路的角色主要是由智能功率模塊（IPM）來充當。所謂IPM，就是將功率變換電路，驅動，保護，檢測，輔助電源都集成在一個模塊內。

2.1.3單片機控制系統中控制算法

(1)直接數字控制

當被控對象的數學模型能夠確定時，可采用直接數字控制。所謂數學模型就是系統動態特性的數學表達式，它表示系統輸入輸出及其內部狀態之間的關系。一般多用實驗的方法測出系統的特性曲線，然后再由此曲線確定出其數學模型?，F在經常采用的方法是計算機仿真及計算機輔助設計，由計算機確定出系統的數學模型，因而加快了系統模型的建立。當系統模型建立后，即可選定上述某一種算法，設計數字控制器，并求出差分方程。計算機的主要任務就是按此差分方程計算并輸出控制量，進而實現控制。

(2)數字化PID控制

由于被控對象是復雜的，因此并非所有的系統均可求出數學模型，有些即使可以求出來，但由于被控對象環境的影響，許多參數經常變化，因此很難進行直接數字控制。此時最好選用數字化PID（比例積分微分）控制。在PID控制算法中，以位置型和增量型2種PID為基礎，根據系統的要求，可對PID控制進行必要的改進。通過各種組合，可以得到更圓滿的控制系統，以滿足各種不同控制系統的要求。

2.2單片機控制系統的數字化

2.21采用數字化負荷隨動控制理論

運用現代化計算機技術、數字化自動控制技術，對中央空調設備運行進行綜合、優化；針對中央空調主機和輔機系統運行的工況和末端負荷的變化，采集其瞬間多種變化參數，對負荷進行隨動跟蹤；自動、準確、及時地對冷凍（溫）水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機設備的運行參數進行采集，對系統各設備自動進行實時優化控制，使中央空調主機運行環境得以優化，使得主機工質和輔機系統各種流量跟隨末端負荷的變化而同步變化，確保中央空調系統在滿足舒適性的前提下，大幅度降低系統的能源消耗。即把負荷運行所不需要的，而系統運行又將會產生的這部分多余的冷量節省下來。

2.22中央空調數字化負荷隨動節能控制系統

控制精度高，同頻精度和穩定性好，可使中央空調系統節能達到20%以上。該技術、產品在國內、國外處于領先水平，具有高效節能、安全、舒適和方便管理的顯著效果。

第3章結論

單片機控制技術應用越來越廣泛，其核心技術是單片機控制系統的設計。對工程技術人員來說，抓住系統的原理構成、軟件設計、硬件設計以及系統調試方法的要點是十分必要的。隨著我國經濟實力的增長，開發新產品的思路上過去那種過多注重價格因素而使新產品開發上不了檔次的弱點有所改善，開始注意使用當前最先進的單片機開發高檔次的產品。由于單片機的開發手段目前仍以仿真器為主，公司能否提供廉價的仿真器，提供方便的技術服務與培訓，較之能否提供高性能、低價位的單片機有著同等的重要性。各單片機廠商在開發工具以及技術服務方面也進行著激烈的競爭。這種競爭與推出新型的單片機以顯示高技術方面的優勢是相輔相成的。競爭的結果是為單片機應用工程師提供更廣闊的選擇空間，而最終受益的是單片機產品的消費者，由于單片機對各行各業都有用，這種電子技術的進步導致各行各業的進步，也帶動了人類文明的進步。

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[12]李玉峰，倪虹霞.MCS-51系列單片機原理與接口技術.人民郵電出版社2004-5

第5章致謝

本論文設計在（）老師的悉心指導和嚴格要求下業已完成，從課題選擇到具體的寫作過程，無不凝聚著（）老師的心血和汗水，在我的畢業論文寫作期間，（）老師為我提供了種種專業知識上的指導和一些富于創造性的建議，沒有這樣的幫助和關懷，我不會這么順利的完成畢業論文。在此向（）老師表示深深的感謝和崇高的敬意。

在臨近畢業之際，我還要借此機會向在這四年中給予了我幫助和指導的所有老師表示由衷的謝意，感謝他們四年來的辛勤栽培。不積跬步何以至千里，各位任課老師認真負責，在他們的悉心幫助和支持下，我能夠很好的掌握和運用專業知識，并在設計中得以體現，順利完成畢業論文。

同時，在論文寫作過程中，我還參考了有關的書籍和論文，在這里一并向有關的作者表示謝意。

我還要感謝同組的各位同學，在畢業設計的這段時間里，你們給了我很多的啟發，提出了很多寶貴的意見，對于你們幫助和支持，在此我表示深深地感謝。