独家原创:空调控制系统设计研究论文

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【摘要】

本文介绍了一种空调机温度控制系统。本温度控制系统采用AT89C51单片机收集数据，处理数据来实现对温度的调控。主要过程如下：利用传感器将非电量信号转换为电信号，转换后的电信号再进入A/D转换器转换成数字量，传送给单片机进行数据处理，并向外围设备输出控制信号。由LED实时显示被控温度及设定温度，使系统应用更加方便、直观。

【关键词】单片机、A/D转换系统设计系统调试

绪论

单片机利用大规模集成电路技术把中央处理器和数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统。而现代的单片机则加上了中断单元、定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。

第1章单片机空调控制系统

随着中国人民环境的改善和人民生活质量的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求，建筑能耗占全社会总能耗的比例巨大且持续增长。据统计，2001年中国建筑能耗已达到3.76亿吨标准煤，占总能耗的27.6%，年增长比例是5%。在发达国家中，供热和空调的能耗很大，可占到社会总能耗的25%-30%。有资料统计，办公楼中空调系统耗能量占总能量的25%左右，所以空调控制系统设计始终是建筑环境与设备领域中的重要研究课题之一。

1.1当前国内研究情况

1）在城市现代化建设过程中，用电结构发生变化，其中用在建筑物空调系统的电力负荷比例日益增加。据不完全统计，北京已有250余幢宾馆、办公楼和50余家大商场采用中央空调，其空调用电负荷达40万kW。相当于华北电网为了调峰，耗资27亿元而兴建的十三陵抽水蓄能电站的1/2装机容量。以广东省为例，现有装机容量已达30万kW,并以每年30%的速度递增，其用电负荷已占总共电量的40%以上。

2）改革开放以来，我国经济的高速发展和人民物质生活水平的不断提高，对电力供应不断提出新的挑战。尽管我国发电装机容量已超过2亿Kw,年发电量已突破9000亿kWh。然而，目前我国电力供应仍很紧张。突出的矛盾是电网峰谷负荷差加大，夜间至清晨谷段负荷率低，而高峰段电力严重不足，有的电网峰谷负荷之差达25%-30%，造成白天经常拉闸限电，夜间有电送不出的现象。

3）由于空调用电负荷一般在电力谷段用量甚少，对城市点昂具有很大的“肖锋填谷“潜力，而在中央空调中，制冷系统的用电量通常占整个空调系统用电量的40%-50%，如以商场为例，每10万m2空调制冷系统的须用电功率约为7000-9000KW。因此，空调蓄冷系统应运而生，并将日益展示他广阔的应用前景

1.2空调控制系统的组成以及基本工作原理

空调系统的基本组成形式可分为三大组成部分，分别是：冷热源设备（主机）、空调末端设备、附件及管道系统。该系统具有制冷、制热、除湿、自动4种工作模式，包括定时、睡眠、风向、智能化霜、应急运转、试运转以及5种可调室内风速等控制功能；在定时开机时，可根据访间温度作智能判断，自动调整定时开机时间，避免开机时太冷或太热；另外，可对设定温度和房间温度两种温度的10个温度值进行同时指示，以及完整的抗干扰和系统保护功能。

1.2.1控制器原理

该系统具有制冷、制热、除湿、自动4种工作模式，包括定时、睡眠、风向、智能化霜、应急运转、试运转以及5种可调室内风速等控制功能；在定时开机时，可根据访间温度作智能判断，自动调整定时开机时间，避免开机时太冷或太热；另外，可对设定温度和房间温度两种温度的10个温度值进行同时指示，以及完整的抗干扰和系统保护功能。

本系统硬件简单可靠，软件具有更完善的控制功能和抗干扰能力。系统具有很高的性能价格比

系统CPU根据遥控器或按键输入的命令，对采集到的温度进行智能判断，然后作出相应的制冷、制热或除温运行。再通过接口电路，驱动压缩机、换向阀、风向电机和室内风机作相应动作，并对温度用LED指示。系统的原理框图如图1所示。

1.3软件设计

软件设计采用模拟化处理，主控程序包括以下几个部分：程序的初始化、试运转、数据和信号的采集与处理、温度LED指示、室内风机的闭环积分控制、室内风向电机的步进控制。功能子程序包括制冷、制热、除湿、自动四种运行模式。中断程序包括遥控接收。各种定时的中断查询处理、速度检测等。系统的主控程序流程如图4所示。

1.4硬件设计

1.4.1单片机的选择

系统有3路温度模拟信号输入，还有1路电压和1路电流模拟输入，共5路模拟输入要求；而模拟信号要转换成数字信号才能用单片机CPU处理。为提高系统的性能价格比，应采用含有A/D转换器的单片机。经过各方面的综合比较，我们选用了美国Microchip公司的PIC16C72单片机作为控制核心。它具有5路模拟量输入的A/D转换器，恰好满足系统的模拟输入要求。另外，它在1块芯片上集成了1个8位逻辑运算单元和工作寄存器、2KB程序存储器、128个数据存储器、3个端口（A口、B口、C口）共22条I/O线、3个定时器/计数器。另外，只有35条易学易用而高效的RISC（精简指令集计算机）指令，同时，芯片具看门狗功能，并提供对软件运行出错的保护。

1.4.2模拟输入电路

本系统直接用热敏电阻进行测温，再加一级电容滤波。对外交换温度检测电路，因其干扰较大，特加上二极管限幅保护。对传感器的不同电阻值，将其所对应的不同分压值输入至PIC单片机的A/D转换口，在单片机内部转换成数字信号。该检测电路结构简单，性能价格比高。又因采用的单片机为8位，所以温度转换精度高，可为0.5℃，完全满足了空调的信号检测精度要求。对过流信号的检测，不用经过比较器，节约了资源；而是采用模拟信号整流分压后直接输入，通过单片机自带的A/D转换器，每500μs对其进行一次检测，并进行软件比较，以确认是否过流。对过零电压信号的检测，也是采用模拟信号整流分压后直接输入。因两个半的过零点都要检测，所以用桥式整流。模拟输入电路如图2所示。

1.5单片机控制系统的调试

1.5.1硬件调试

根据设计的原理电路做好实验样机，便进入硬件调试阶段。调试工作的主要任务是排除样机故障，其中包括设计错误和工艺性故障。

1）脱机检查

用万能表或逻辑测试笔逐步按照逻辑图检查机中各器件的电源及各引脚的连接是否正确，检查数据总线、地址总线和控制总线是否有短路等故障。有时为保护芯片，先对各管座的电位（或电源）进行检查，确定其无误后再插入芯片检查。

1.5.2仿真调试

暂时排除目标板的CPU和EPROM，将样机接上仿真机的40芯仿真插头进行调试，调试各部分接口电路是否满足设计要求。这部分工作是一种经验性很强的工作，一般来说，设计制作的样机不可能一次性完好，总是需要调试的。通常的方法是，先编调试软件，逐一检查调试硬件电路系统设计的准确性。其次是调试MONITOR程序，只有MONITOER程序正常工作才可以进行下面的应用软件调试。

1.5.3硬件电路调试的一般顺序

1）检查CPU的时钟电路。通过测试ALE信号，如没有ALE信号，则判断是晶体或CPU故障，这称之为“心脏”检查。

2）检查ABUS/DBUS的分时复用功能的地址锁存是否正常。

3）检查I/O地址分配器。一般是由部分译码或全译码电路构成，如是部分译码设计，则排除地址重叠故障。

4）对扩展的RAM、ROM进行检查调试。一般先后写入55H、AAH，再读出比较，以此判断是否正常。因为这样RAM、ROM的各位均写入过‘0’、‘1’代码。

5）用户级I/O设备调试。如面板、显示、打印、报警等等。

1.5.4软件调试

软件调试根据开发的设备情况可以有以下方法：

1）交叉汇编

用IBMPC/XT机对MCS—51系列单片机程序进行交叉汇编时，可借助IBMPC/XT机的行编辑和屏幕编辑功能，将源程序按规定的格式输入到PC机，生成MCS—51HEX目标代码和LIST文件。

2）用汇编语言

现在有些单片STD工业控制机或者开发系统，可直接使用汇编语言，借助CRT进行汇编语言调试。

3）手工汇编

这种方法是最原始，但又是一种最简捷的调试方法，且不必增加调试设备。这种方法的实质就是对照MCS—51指令编码表，将源程序指令逐条地译成机器码，然后输入到RAM重新进行调试。在进行手工汇编时，要特别注意转移指令、调用指令、查表指令。必须准确无误地计算出操作码、转移地址和相对偏移量，以免出错。

4）以上3种方法调试完成以后，即可通过EPROM写入器，将目标代码写入EPROM中，并将其插至机器的相应插座上，系统便可投入运行。

硬件、软件仿真调试经过硬件、软件单独调试后，即可进入硬件、软件联合仿真调试阶段，找出硬件、软件之间不相匹配的地方，反复修改和调试。实验室调试工作完成以后，即可组装成机器，移至现场进行运行和进一步调试，并根据运行及调试中的问题反复进行修改。

1.5.5调试

单片机控制技术应用越来越广泛，其核心技术是单片机控制系统的设计。对工程技术人员来说，抓住系统的原理构成、软件设计、硬件设计以及系统调试方法的要点是十分必要的。根据工作经验，前面叙述的系统调试方法将会有助于从事这方面工作的技术人员及本专业的学习者。

第2章单片机的空调控制系统技术和量化要求

2.1空调控制系统的数字化控制

（以Infineon的8位单片机C504/C508）为例

2.1.1模糊智能控制

与普通空调的运行方式不同，变频空调的压缩机需要连续运行。其速度调节变得更加重要，要确保室内温度波动限制在较小范围内。事实上永磁直流无刷电机是一个多变量，非线性，强耦合的对象，需要智能控制才能取得比较满意的效果。考虑到8位单片机的资源有限，本系统采用模糊控制来实现电机转速的控制。因为C504/C508的CCU单元的通道0在块交换模式下降了参与电机换相外，还可用来完成捕获动作，故这个通道可以同时用于电机速度检测。系统所用的模糊控制规则如下式：U=αE+（1-α）E式中，E为位速度误差，Ec为速度误差变化率，α为加权系数，在0和1之间取值，U为控制器输出。通过调整加权系数，本系统可以对控制规则进行在线修正。

2.1.2功率变换电路

功率变换电路及其驱动和保护是直流无刷电机调速系统的最核心的部分。功率变换电路主要是整流桥和逆变桥。目前在国内变频空调产品中这部分电路的角色主要是由智能功率模块（IPM）来充当。所谓IPM，就是将功率变换电路，驱动，保护，检测，辅助电源都集成在一个模块内。

2.1.3单片机控制系统中控制算法

(1)直接数字控制

当被控对象的数学模型能够确定时，可采用直接数字控制。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式，它表示系统输入输出及其内部状态之间的关系。一般多用实验的方法测出系统的特性曲线，然后再由此曲线确定出其数学模型。现在经常采用的方法是计算机仿真及计算机辅助设计，由计算机确定出系统的数学模型，因而加快了系统模型的建立。当系统模型建立后，即可选定上述某一种算法，设计数字控制器，并求出差分方程。计算机的主要任务就是按此差分方程计算并输出控制量，进而实现控制。

(2)数字化PID控制

由于被控对象是复杂的，因此并非所有的系统均可求出数学模型，有些即使可以求出来，但由于被控对象环境的影响，许多参数经常变化，因此很难进行直接数字控制。此时最好选用数字化PID（比例积分微分）控制。在PID控制算法中，以位置型和增量型2种PID为基础，根据系统的要求，可对PID控制进行必要的改进。通过各种组合，可以得到更圆满的控制系统，以满足各种不同控制系统的要求。

2.2单片机控制系统的数字化

2.21采用数字化负荷随动控制理论

运用现代化计算机技术、数字化自动控制技术，对中央空调设备运行进行综合、优化；针对中央空调主机和辅机系统运行的工况和末端负荷的变化，采集其瞬间多种变化参数，对负荷进行随动跟踪；自动、准确、及时地对冷冻（温）水泵、冷却水泵、冷却塔风机设备的运行参数进行采集，对系统各设备自动进行实时优化控制，使中央空调主机运行环境得以优化，使得主机工质和辅机系统各种流量跟随末端负荷的变化而同步变化，确保中央空调系统在满足舒适性的前提下，大幅度降低系统的能源消耗。即把负荷运行所不需要的，而系统运行又将会产生的这部分多余的冷量节省下来。

2.22中央空调数字化负荷随动节能控制系统

控制精度高，同频精度和稳定性好，可使中央空调系统节能达到20%以上。该技术、产品在国内、国外处于领先水平，具有高效节能、安全、舒适和方便管理的显著效果。

第3章结论

单片机控制技术应用越来越广泛，其核心技术是单片机控制系统的设计。对工程技术人员来说，抓住系统的原理构成、软件设计、硬件设计以及系统调试方法的要点是十分必要的。随着我国经济实力的增长，开发新产品的思路上过去那种过多注重价格因素而使新产品开发上不了档次的弱点有所改善，开始注意使用当前最先进的单片机开发高档次的产品。由于单片机的开发手段目前仍以仿真器为主，公司能否提供廉价的仿真器，提供方便的技术服务与培训，较之能否提供高性能、低价位的单片机有着同等的重要性。各单片机厂商在开发工具以及技术服务方面也进行着激烈的竞争。这种竞争与推出新型的单片机以显示高技术方面的优势是相辅相成的。竞争的结果是为单片机应用工程师提供更广阔的选择空间，而最终受益的是单片机产品的消费者，由于单片机对各行各业都有用，这种电子技术的进步导致各行各业的进步，也带动了人类文明的进步。

【参考文献】

[1]夏路易,石宗义《电路原理图与电路板设计教程Protel99SE》北京希望电子出版社2002

[2]张义和《ProtelPCB99电路板设计教程》青岛出版社2000

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[4]吴金戍,沈庆阳,郭庭吉《8051单片机实践与应用》清华大学出版社2001

[5]张迎新、杜小平、樊桂花、雷道振《单片机初级教程》北京航空航天大学出版社2002

[6]吴金戌、沈庆阳、郭庭吉《8051单片机实践与应用》清华大学出版社2002.

[7]数字电子技术

[8]模拟电子技术

[9]单片机原理机接口技术

[10]赫建国，郑燕，薛延侠.单片机在电子电路设计中的应用.清华大学出版社2006-5

[11]南建辉等.MCS51单片机原理及其应用实例.清华大学出版社2004

[12]李玉峰，倪虹霞.MCS-51系列单片机原理与接口技术.人民邮电出版社2004-5

第5章致谢

本论文设计在（）老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择到具体的写作过程，无不凝聚着（）老师的心血和汗水，在我的毕业论文写作期间，（）老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，没有这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业论文。在此向（）老师表示深深的感谢和崇高的敬意。

在临近毕业之际，我还要借此机会向在这四年中给予了我帮助和指导的所有老师表示由衷的谢意，感谢他们四年来的辛勤栽培。不积跬步何以至千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。

同时，在论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关的作者表示谢意。

我还要感谢同组的各位同学，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢。