1、武汉理工大学毕业设计（论文） I 目 录 摘 要 . 1 Abstract . 2 1 绪论 . 3 1.1 论文研究内容 . 3 1.2 空调温控系统研究意义 . 3 2 空调温控系统设计整体思路 . 5 2.1 硬件设计整体思路 . 5 2.2 功能设想 . 6 3 空调温控系统核心硬件简介 . 7 3.1 AVR 单片机综述 . 7 3.2 空调温控系统单片机选型 . 8 3.3 DS18B20 介绍 .12 4 空调温控系统硬件系统设计 .15 4.1 温度信号采集电路设计 .15 4.2 键盘设计 .16 4.3 LED 显示设计 .18 4.4 电源设计 .19 5 空调温控系统智
2、能控制策略探索 .20 5.1 空调温控系统 PID 控制 .20 5.2 空调温控系统模糊控制 .23 5.3 复合 FUZZY-PID 控制原理 .27 6 空调温控系统软件设计 .28 6.1 主程序模块 .28 6.2 温度信号采集子程序模块 .29 6.3 按键扫描处理子程序模块 .29 6.4 数码管显示模块 .30 6.5 复合 Fuzzy-PID 控制系统算法子程序模块 .30 6.6 模糊控制、数字 PID 控制子程序模块 .31 7 结束语 .32 参考文献 .33 附录：程序 .34 致 谢 .42 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 摘 要 本文 “基于 AVR的空调温控
3、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： A
4、VR 单片机 ； DS18B20； 空调温度控制； PID 调节 ； 模糊控制 武汉理工大学毕业设计（论文） 2 Abstract “A design of AVR-based air-conditioning temperature control system “ is introduced in this paper. AVR single-chip microcomputer ATmega16 is used as the systems CPU. American DALLAS companys single-bus digital temperature sensor DS18B2
5、0 is used as a system of temperature acquisition sensors; Seven-Segment LED display function, button to complete function set. This paper explores the PID control, fuzzy control for temperature control system. And explore the complex FUZZY - PID control principle. To improve the accuracy of air-cond
6、itioning temperature control, improve the bodys comfort. At the same time, noise reduction, energy conservation. The contents of this paperresearch have strong practical significance. This paper mainly researched air-conditioning temperature-controlled system based on the AVR.After the basic tempera
7、ture control feature, introduced the concept of intelligent control. In this paper, the characteristics are: temperature of the intelligent control, the exploration of PID control and fuzzy control . Key Words： AVR Single Chip； DS18B20； Air-conditioning temperature control； PID regulator； Fuzzy Cont
8、rol 武汉理工大学毕业设计（论文） 3 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
9、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
10、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
11、 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。 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 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
12、节约能源，降低噪声，延长空调压缩机寿命。 武汉理工大学毕业设计（论文） 5 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
13、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。 武汉理工大学毕业设计（论文） 6 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
14、，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
15、 /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
16、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
17、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。 武汉理工大学毕业设计（论文） 7 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
18、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。 3.1 AVR 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
19、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(Reduced Instruction Set CPU,CISC)追求完备的做法；采用 精简指令集 CPU（ Reduced Instruction Set CPU,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
20、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为累加器工作），增强了功能，同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故 AVR 单片机在软硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。下面介绍AVR 单片机的各个优势： AVR 单片机内嵌高质量的 Flash 程序存储器，擦写方便，支持 ISP 和 IAP，便于产品的调试、开发、生产及
21、更新。内嵌长寿命的 EEPROM 可长期保存关键数据，避免断电丢失。片内大容量的 RAM 不仅能满足一般场合的使 用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并且部分机器可像 MCS51 单片机那样外露总线扩展外部 RAM。 AVR 单片机的 I/O 线全部带有可设置的上 拉 电阻、可单独设定为输入 /输出、可设定武汉理工大学毕业设计（论文） 8 （原始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性，使得 I/O 口资源灵 活、功能强大、可充分利用。 AVR 单片机内具备多重独立的时钟分频器，分别供 UART、 IIC、 SPI 使用。其中与8/16 位定时器配合的具有多大 10 位的
22、预分频器，可通过软件设定分频系数提供多种档次的定时时间。 AVR 单片机独有的“以定时器 /计数器（ 单）双向计数形成三角波，在与输出比较匹配寄存器配合，生成占空比可变、频率可变、相位可变方波的设计方法（即脉宽调制输出 PMW）”更是令人耳目一新。 增强型的高速同步 /异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能打打超过 MCS51 单片机的串口，加之 AVR 单片机速度快，中断响应时间短，可实现高波特率通信。 面向字节的高速硬件串行接口
23、TWI、 SPI。 TWI 与 IIC 接口兼容，具备应答 ACK 信号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主 /从机的收 /发全部 4 种组合的多机通信。 SPI 支持主 /从机等 4 种组合的多机通信。 AVR 单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路 BOD，多个复位源（自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、 BOD 复位），可设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。 AVR 单片机还具有多种省电休眠模式，且可超宽电压运行（ 1.85.5V，不同单片机略有不同），抗干扰能力强，可降低一般 8 位机中的软件抗干扰设计工作量和硬 件的使用量。 可以看
24、出， AVR 单片机博采众长，又具独特技术，充分体现了单片机技术向“片上系统 SOC”方向发展需求，性价比极高，广泛应用于工农业和消费类电力等各个领域，不愧为 8 位机中的佼佼者。 AVR 单片机分类： ATtiny 系列：如 tiny13、 tiny15、 tiny26，属于低档，适合功能相对单一的系统； AT90S 系列： AT90S8515、 8535，属于中档，适合一般系统开发； ATmega 系列： Mega8、 Mega16，属于高档，适合各种具有较高要求的系统。 3.2 空调温控系统单片机选型 由于之前本科的教学中用的是 51 单片机， AVR 单片机对我来说是陌生的，在查阅 A
25、VR单片机相关资料，尤其是 AVR 论坛后，决定选用 ATmega16 单片机，很有幸的是下载到了哈尔滨工程大学研究生尹延辉主讲的 AVR 单片机软硬件设计教程 -入门篇 学单片机就要学 AVR！ ，视频教材中选用的 AVR 单片机正是 ATmega16。在这个视频教材中，让我对 ATmega16 从零开始学习，可以说学完这部视频教程，已经掌握了该单片机的基础应用。 武汉理工大学毕业设计（论文） 9 图 3.1 ATmega16 单片机的内核结构及片上资源 ATmega16 单片机性能概况： 高性能、低功耗的 8 位 AVR微处理器 先进的 RISC 结构 131 条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期 32个 8 位通用工作寄存器 全静态工作 工作于 16 MHz 时性能高达 16 MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性程序和数据存储器 16K 字节的系统内可编程 Flash 擦写寿命 : 10,000 次 具有独立锁定位的可选 Boot 代码区 通过片上 Boot 程序实现系统内编程 真正的同时读写操作 512 字节的 EEPROM
