基于AVR的空调温控系统设计.docx
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基于AVR的空调温控系统设计
摘要
本文“基于AVR的空调温控系统设计”,系统采用AVR单片机ATmega16作为系统的中央处理器;采用美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20作为系统的温度采集传感器;七段数码管显示相应功能,按键完成功能设置。
本论文探索了PID控制、模糊控制用于温控系统中,并探索了复合FUZZY--PID控制原理,以提高空调温控精度、提高人体的舒适感,同时降低噪声,节约能源。
本论文研究的内容具有较强的现实意义。
论文主要研究了基于AVR的空调温控系统,实现基本温度控制功能后,引入了智能控制的概念。
本文的特色在于:
温度的智能控制,PID控制和模糊控制的探索。
关键词:
AVR单片机;DS18B20;空调温度控制;PID调节;模糊控制
Abstract
"AdesignofAVR-basedair-conditioningtemperaturecontrolsystem"isintroducedinthispaper.AVRsingle-chipmicrocomputerATmega16isusedasthesystem’sCPU.AmericanDALLAScompany'ssingle-busdigitaltemperaturesensorDS18B20isusedasasystemoftemperatureacquisitionsensors;Seven-SegmentLEDdisplayfunction,buttontocompletefunctionset.ThispaperexploresthePIDcontrol,fuzzycontrolfortemperaturecontrolsystem.AndexplorethecomplexFUZZY-PIDcontrolprinciple.Toimprovetheaccuracyofair-conditioningtemperaturecontrol,improvethebody'scomfort.Atthesametime,noisereduction,energyconservation.Thecontentsofthispaper'researchhavestrongpracticalsignificance.
Thispapermainlyresearchedair-conditioningtemperature-controlledsystembasedontheAVR.Afterthebasictemperaturecontrolfeature,introducedtheconceptofintelligentcontrol.
Inthispaper,thecharacteristicsare:
temperatureoftheintelligentcontrol,theexplorationofPIDcontrolandfuzzycontrol.
KeyWords:
AVRSingleChip;DS18B20;Air-conditioningtemperaturecontrol;PIDregulator;FuzzyControl
1绪论
随着科技的不断发展,社会在不断进步,人民生活水平在不断提高,空调器已经逐渐成为家庭生活的必需品。
空调最基本的功能为每个人所熟知,就是调节室内温度,炎热的夏天让人们感到一丝凉意,寒冷的冬天送给人们温暖。
1.1论文研究内容
本文“基于AVR的空调温控系统设计”,采用AVR单片机ATmega16作为系统的中央处理器;采用美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20作为系统的温度采集传感器;空调具有定时功能;七段数码管显示房间温度和设定温度,并指示制热/制冷及其它功能。
本论文探索PID控制、模糊控制用于温控系统中,并探索复合FUZZY--PID控制原理。
本文将阐述AVR单片机的性能与优点,并与以前课堂上学过的51单片机作出相应的对比。
在毕业设计过程中,弄明白ATmega16单片机的I/O端口的特点和使用方法,中断系统的特点及使用方法,重点学习AVR单片机的C语言编程。
1.2空调温控系统研究意义
单片机无论在工业控制还是在日常生活家电中都发挥着举足轻重的作用,当一种家用电器用上一个单片机后往往会被冠上“智能”的美誉。
作为测控技术与仪器专业的本科生,在毕业设计中以单片机为核心,研究某一产品,具有非常重要的现实意义。
在本次毕业设计中除了完成基本的温控控制功能后,更需要我去探索如何朝着智能化的角度思考问题,让单片机的作用发挥得更加淋漓尽致。
第一代空调温控器主要是电气式产品,温度传感器采用双金属片或气动温包,通过“给定温度盘”调整预紧力来设定温度,风机三速开关和季节转换开关为泼档式机械开关。
这类产品普遍存在“温度设定分度值过粗”、“时间常数太大”、“机械开关易损坏”等问题。
第二代空调温控器为电子式产品,温度传感器采用热敏电阻或热电阻,部分产品的温度设定和风速开关通过触摸键和液晶显示屏实现人机交互界面,冷热切换自动完成,运算放大电路和开关电路实现双位调节。
这类产品改善了人机交互界面,解决了“温度设定分度值过粗”等问题,但仍存在“控制精度不高”、“时间常数大”、“操作较复杂”等问题。
目前国内外生产厂家正在研究开发第三代智能型室温控制器,应用新型控制模型和数控芯片实现智能控制。
现在已有国内厂家生产出了智能型室温控制器,并已应用于实际工程。
我们知道空调精度越高,人体感觉舒适性越好,过调能量损失越少。
但由于传统控制方法的控制精度越高,自控系统的造价就越高,出于经济性考虑,一般舒适性空调系统对空调精度不做严格要求。
本论文在完成基本温控功能的前提下,将探索PID调节、模糊控制用于温控系统中,并将探索复合FUZZY--PID控制原理,以提高空调温控精度、提高人体的舒适感;同时节约能源,降低噪声,延长空调压缩机寿命。
2空调温控系统设计整体思路
根据任务书的要求和前期的资料查阅,以及对现成空调的观察,在脑海中有了一个大概的轮廓。
但是由于我本科所学知识的有限和个人能力的有限,所设计的温控系统肯定没有公司生产的产品那么完善。
2.1硬件设计整体思路
以ATmega16单片机作为所设计的温控系统的核心。
负责温度数据的采集,查询按键,输出数据到LED数码显示管,控制风机和压缩机。
控制部分采用的是5V的直流电,所以要将220V的交流电转换成5V的稳压直流电。
整体设计思路如图2.1所示。
图2.1整体思路图
单片机采用AVR单片机中性价比比较高的ATmega16,关于它的介绍将在下一章中进行,本章不做详细阐述。
指示灯分为电源指示灯、工作指示灯,电源指示灯为红色发光二极管,工作指示灯为绿色发光二极管。
当电源接通,红色指示灯即亮,风机或压缩机两者之一工作时,工作指示灯亮,否则灭。
温度采集部分将比较传统模拟传感器与单总线数字传感器的优缺点,总之这部分的功能是将房间的温度信号传到单片机,单片机将比较采集到的房间的温度与用户设定的温度进行比较,然后发出相应的指令。
晶振则选用12MHz,为单片机提供时钟频率。
键盘则是人机接口的基本部分,用户向温控系统输入相应的参数,包括温度设定,冷暖模式选择,风机风速,定时功能等。
显示部分则选用7段LED数码管,其中第一位是功能/模式位,第二三四位为温度位,还可以显示风速等级等,这部分的具体设计将在后面的章节阐述。
风机和压缩机的部分由于我的有力有限,不在我的任务范围内,但是会以我查阅的资料稍作阐述。
2.2功能设想
我们知道空调精度越高,人体感觉舒适性越好,过调能量损失越少。
但由于传统控制方法的控制精度越高,自控系统的造价就越高,出于经济性考虑,一般舒适性空调系统对空调精度不做严格要求。
这就造成一般舒适性空调系统缺乏有效的室温自动控制手段,只能依靠运行管理或操作人员凭经验手动调节,主观性强,过调冷/热损失大,能源浪费重。
所以在本次毕业设计中,在完成空调温控系统的基础上,探索一下智能控制。
以达到既节能又使人体舒适感更好。
作为人机接口的键盘,设置四个按键,其中一个M键,代表功能键,也就是用于模式选择;一个OK键,用于确认;一个“+”键,一个“-”键,用于模式的上下选择和温度的具体设定。
当用键盘调到当数码管第一位显示为“1”时,则后三位显示当前房间温度,精确到0.5℃。
当调到第一位显示为“2”时,此时可以通过“+”、“-”键设定用户需要的温度,设定完成按“OK”键,此时显示的就是设定的温度。
当调到第一位显示为“3”时,中间两位熄灭,最后一位显示“1”时,代表制冷,最后一位显示“2”时,代表制热。
也是可以通过“+”、“-”来设定,设定完成同样按下“0K”键。
当调到第一位显示“4”时,中间两位熄灭,最后一位显示1、2、3、4,分别代表着风速的大小,“1”代表最小风速,“4”代表最大风速,以此类推,此时风速可由用户设定。
当调到第一位显示“5”时,中间两位熄灭,最后一位显示1、2、3、4,同样代表着风速的大小。
但不同的是此时的风俗大小不能由用户自己设定,而是单片机根据设定温度与房间实际温度的差值,自动选择风速。
当调到第一位显示“6”时,第二位可调,当为“1”时,定时启用,当为“2”时定时功能关闭。
最后两位是定时的时间长短,从0.5小时到4小时,中间的间隔为每0.5小时。
在实现这些基本功能后,探索PID控制与模糊控制应用于此温控系统中,自动实现压缩机的变频控制和风机的风速控制,达到既节能又高精度控制的效果。
3空调温控系统核心硬件简介
由本次毕业设计的题目“基于AVR的空调温控系统设计”可以看出,AVR单片机在本次毕业设计中的地位不可撼动。
在本次毕业设计开始前,对陌生的AVR单片机进行了认真的学习。
单片机又称单片微控制器,其实质是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,现在通用的单片机按位数可以分为4位机、8位机、16位机、32位机等。
目前我国常用的单片机有Intel、Atmel、Zilog、Philips、Siemens、NEC、凌阳、TI、ST等公司的产品。
3.1AVR单片机综述
可靠性高,功能强,速度快,功耗低和价位低,一直是衡量单片机性能的重要指标,也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。
早期的单片机主要由于工艺及设计水平不高,功耗高和抗干扰能力差等原因,大多采用较高的分频系数对时钟分频,使得指令周期长,执行速度慢。
以后的CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施,但是这种状态并未被彻底改观。
AVR单片机的推出,彻底打破了这种旧设计格局,废除了机器周期,抛弃了复杂指令集CPU(ReducedInstructionSetCPU,CISC)追求完备的做法;采用精简指令集CPU(ReducedInstructionSetCPU,RISC),以字作为指令长度完备的做法,将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中(指令集中占大多数的单周期指令都是如此),取指周期短,又可预取指令,实现流水作业,故可告诉执行指令。
当然,这种速度上的升越,是以高可靠性为其后盾的。
AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略,即采用局部寄存器存堆(32个寄存器文件)和单体高速输入/输出的方案(即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑)。
提高了指令执行速度(1MIPS/MHz),克服了瓶颈现象(32个寄存器全部直接与运算逻辑单元ALU相连,且每个寄存器都可以作
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