基于PIC单片机的中央空调智能温度控制器设计

基于PIC单片机的中央空调智能温度控制器设计

楼宇自动化

基于

PIC单片机的中央空调

李宗强,

张九根

210009)

智能温度控制器设计

(南京工业大学智能建筑研究所,江苏南京摘

要:

针对智能楼宇集中供热、制冷的要求,提出了中央空调房间温度控制方

案。介绍了一种基于PIC单片机、DS18B20数字温度传感器及一些外围电路组成的中央空调智能温度控制器。针对被控对象的大时滞、非线性等特点,系统采用模糊免疫PID算法对温度进行控制,可使系统具有良好的控制性能。

李宗强(1984

),男,

硕士研究生,研究方向为智能建筑、楼宇

关键词:

PIC单片机;中央空调;温度控制;模糊免疫PID控制

自动化。

中图分类号:TU831.3+1文献标志码:B文章编号:16748417(2010)07000403

0引言

随着现代大楼智能化程度的提高,相应地要求空调系统更加舒适,而房间温度控制可直接影响空调系统的品质。本文以PIC单片机为基础,基于传统的PID算法,结合模糊和免疫算法设计出温度控制器,将其应用于中央空调系统中,实现对房间温度的舒适性控制,同时达到节能的目的。

图1系统控制过程框图

单片机,采用RISC(ReducedInstructionSetComputer)技术和哈佛流水总线技术,具有价格低、速

度快、体积小等特点;内置A/D转换功能和PWM输出模块;芯片内部设有EPROM,方便读写温度,简化了软硬件设计;片内的SSP模块是完整的MSSP,其优点是支持IC通信模式下作为主控制器件时的硬件控制能力模块。

1.2.1数据采集电路

如图2所示,温度传感器采用美国Dallas公司的单线数字温度传感器芯片DS18B20,它可直接将被测温度转化为数字信号,供单片机处理。测温范围为-55~125!,且在0~85!之间的精度为

0.5!,可以编程设定9~12bit的分辨

[1]2

2

1系统构成与硬件设计

1.1系统构成

系统控制过程框图如图1所示。PIC16F877

单片机为控制系统的核心,单线数字温度传感器DS18B20将温度信号直接转换为串行数字信号,并通过显示电路显示。PIC单片机根据输入数据利用模糊免疫PID算法计算出控制输出量,并将其转化为PWM信号占空比,将信号通过单片机的PWM输出端经光电隔离、电平转换和滤波后,直接与TDA1085C调速芯片的引脚5电压给定段相连,控制电机转速,达到控制室温的目的。1.2硬件设计

该控制系统核心采用美国Microchip公司生产的PIC16F877单片机。它是8bitCMOS

低功耗

张九根(1963

),男,副教授,研究方向为智能建筑与楼宇自动化。

。电路按功能模块

可分为数据采集模块、键盘显示模块、控制执行

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率。单片机与温度传感器之间的数据传输采用IC总线。由于DS18B20是单线器件,因此需要在一根数据线上实现数据的双向传输,每次需要一定的协议来对读写数据提出严格的时序要求。对DS18B20进行精确的温度转换,I/O线必须在转换期间保证供电。由于DS18B20的工作电流达1mA,仅靠5k的上拉电阻提供电源是不行的,因此,需要从VDD引脚接入外部电源。该设计使用的温度控制范围为0~50!

[2]

2

图3控制电路图

。

性和二次响应的快速性,在原有的传统PID算法图2数据采集电路

1.2.2键盘输入及温度显示电路

键盘输入采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计,低电平有效,且采用独立式按键。该系统共用到4个按键,分别为AN1(复位键),AN2(功能转换键:当按键按下时显示温度设定值;按键弹起时,显示当前温度值),AN3(设定温度逐次减1),AN4(设定温度逐次加1)。

显示电路由2片7段译码器CC4511及2个7段LED数码管构成。采用2位共阴LED静态显示方式,每位显示数字有1个独立的I/O地址。1.2.3控制电路

如图3所示,使用PIC单片机来控制由TDA1085C组成的调速电路,由于两者供电电源不同,需要进行电平转换,因此采用TLP5211光电隔离实现单片机电路和电机驱动放大电路之间的电气隔离,提高系统的抗干扰性。单片机的PWM输出端经光电隔离、电平转换、滤波后,可直接与TDA1085C的引脚5电压的给定端相连,要调整给定速度,只需调整占空比即可。

2模糊免疫PID控制器的设计

由于变风量空调系统具有多变量、强耦合、非线性、时变、大滞后等特点,而传统的PID控制不能完成其节能高效的运行指标,因此,该系统利用模糊算法的自适应性和免

疫算法的自学习

的基础上设计模糊免疫PID控制器对温度进行控制。具体控制算法如图4

所示。

图4模糊免疫PID控制算法原理

运用模糊逻辑推理来逼近非线性函数f(),

从而基于模糊免疫反馈机理实时调整PID控制器的比例系数Kp,同时模糊控制器在线整定PID控制器的积分系数Ki、微分系数Kd,以满足不同误差e、误差变化e对控制系统的要求,使被控系统具有良好的快速响应特性和鲁棒性及很强的自适应性。

采用一个二维模糊控制器来实现免疫反馈规律中的非线性函数f(

),该控制器的输出u(k)和

输出的变化u(k)的模糊量分别表示为正(P)和负(N);输出为非线性函数f()的模糊量,分别表示为正(P)、零(Z)和负(N)。室温变化e和室温变化率e以及2个输出Ki、Kd用7个语言模糊集描述,隶属度函数都定义在整个(-#,+#)区间。设e、e、Kp、Ki、Kd都服从正态分布,Ki、Kd的控制规则与文献[4]相同,共有49条模糊控制规则。各规则中使用Zadeh的模糊逻辑AND操作,并采用常用的mom反模糊化方法得到模糊免疫PID控制器的输出f(),采用centroid反模糊化方法得到Ki、K。综上所述,可以得出u(k)=K[1-f(u(k),u(k))]e(k)+(Ki+kKi)%e(j)T+(Kd+

Kd)e(k)-e(k-1)

j=0

T

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式中

Kp=K[1-f(u(k),

u(k))]

设计,该部分已经在模糊免疫PID控制器的设计中作了详细说明。

Ki=Ki+{Ei,Ei}i=Ki+KiKd=Kd+{Ei,Ei}d=Kd+Kd

Kp采用免疫模糊调整,Ki、Kd采用模糊自适应调整,Kp、Ki、Kd是模糊整定PID参数的初值,{Ei,Ei}i,{Ei,Ei}d是模糊推理的结果。

系统的简要软件流程图如图5

所示。

3结语

该温度控制系统采用PIC16F877单片机和DS18B20单线数字温度传感器作为主要硬件,结构简洁紧凑,外围元器件较少,电路简单,可实现较高的可靠性。同时,在控制算法上借鉴生物免疫反馈调节原理和模糊逻辑控制理论,设计了一种模糊免疫PID控制算法,并将其应用到变风量空调的温度控制中,有利于提高控制器的控制精度和抗干扰性。用户可以在系统允许的测温范围内根据需要设定温度参数,从而达到节能的目

的。

[1][2]

李学海.PIC单片机实用教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

DALLASDS18B20ProgrammableResolution1-WireDigitalThermometer[EB/OL].http:&http://doc.guandang.net/arpdE/DS18B20.pdf.2002.

[3]

(a)主程序流程图

(

b)温度转换读取温度

数值程序流程图

郑安平,陈新.通用电机速度控制器TDA1085C原理及应用[J].国外电子元件器件,1999(7):811.刘金琨.先进PID控制与MATLAB仿真[M].2版.北京:电子工业出版社,2005.

收稿日期:2010-03-24

[4]

图5简要软件流程图

图5中,关键技术是模糊免疫PID控制器的

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