溫室空氣余熱熱泵調(diào)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 緒論1.1研究的背景及意義俗話說“民以食為天”，在高科技的現(xiàn)代，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展與物質(zhì)生活的提高，人們對(duì)作物的質(zhì)量與產(chǎn)量以及食品安全的追求越來越高，溫室大棚應(yīng)運(yùn)而生。溫室大棚具有降低病蟲害、提高作物產(chǎn)量、反季節(jié)種植作物、管理方便等特點(diǎn)，從溫室數(shù)據(jù)平臺(tái)了解到在我國溫室總占地面積在189.4萬hm2，其中大多數(shù)類型為塑料大棚和日光溫室。用溫室來種植作物時(shí)，溫度作為最重要的一個(gè)指標(biāo)，而其主要以太陽輻射為能源或者電加熱來為溫室大棚進(jìn)行供暖。通過中國科學(xué)院的孫維拓前輩發(fā)表的期刊中了解到，對(duì)于使用時(shí)間比較久遠(yuǎn)的大棚，通常在高緯度地區(qū)或者是天氣比較極端的情況下，只利用大棚本身的結(jié)構(gòu)去吸收太陽輻射是不夠的，收集的熱量完全滿足不了作物的需要[1]；在晴朗天氣集熱效果好的時(shí)候溫度又過高，需要人為的進(jìn)行通風(fēng)降溫，這樣便浪費(fèi)了很大部分的熱量，而且也需要大量的人工，管理也不方便。從這些方面，借鑒前輩的成果，設(shè)計(jì)了一套以單片機(jī)為微控制器，來控制空氣源熱泵對(duì)溫室進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其系統(tǒng)可以將溫室里空氣中過剩的熱量收集起來，作為系統(tǒng)中的熱源，利用循環(huán)進(jìn)行溫度控制。1.2國內(nèi)外的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)目前我國最常見的溫室大棚在光照不足時(shí)，供暖系統(tǒng)大多利用燒鍋爐產(chǎn)生熱水或者熱蒸汽進(jìn)行取暖或者采用電加熱的方式采暖，但是這些都需要消耗大量的一次能源煤炭或者傳統(tǒng)能源等，因其一部分具有不可再生性、效率低、污染嚴(yán)重的問題，逐漸的被淘汰。因此以環(huán)保、可再生為主要能源的調(diào)溫系統(tǒng)被逐漸重視。1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀隨著溫室結(jié)構(gòu)的逐步發(fā)展，以及結(jié)合外國先進(jìn)技術(shù)的支持，國內(nèi)專業(yè)人員逐漸開始對(duì)溫室的供熱系統(tǒng)以及熱量分配的問題重視起來并且做了相應(yīng)的研究。山東建筑大學(xué)的張鋒等在2009年研發(fā)了用卵石床作為調(diào)節(jié)溫室溫度的材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在夜間比平常沒有使用該設(shè)備的溫室溫度平均提高了5~8℃，減少了晝夜溫差[2]。2012年農(nóng)業(yè)科學(xué)院的張義等研究了在日光溫室中設(shè)置一套水幕簾蓄放熱系統(tǒng)，原理是白天通過利用水循環(huán)和蓄水池來吸收存儲(chǔ)太陽能的熱量，夜晚再通過水循環(huán)將熱量傳遞給溫室來達(dá)到溫室調(diào)溫的作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示應(yīng)用了該系統(tǒng)之后在夜間增溫效果是比不應(yīng)用該系統(tǒng)的溫室平均增加了5.4℃[3]。2013年中國科學(xué)院的孫維拓等設(shè)計(jì)了一套以熱泵為基礎(chǔ)的主動(dòng)蓄放熱加溫系統(tǒng)，原理是利用熱泵循環(huán)將熱量存儲(chǔ)在蓄水池中，在夜間氣溫較低時(shí)，通過該系統(tǒng)給溫室供熱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示溫室平均氣溫提升了5.26~6.64℃[4]。當(dāng)溫室溫度過熱時(shí)，大部分溫室基本采用遮擋陽光以及通風(fēng)降溫，但是在夏季即使通風(fēng)降溫，這樣的降溫效果甚微，而在冬季通過通風(fēng)降溫反而把很大的一部分熱量白白的流失掉。1.2.2國外研究現(xiàn)狀在天津大學(xué)王俊杰前輩的碩士論文中了解到前輩們一直以能源高效利用來達(dá)到預(yù)期效果的目標(biāo)研究著，在1977年NisbetSK和CheeKK將熱泵技術(shù)應(yīng)用在了溫室供暖系統(tǒng)中并且發(fā)現(xiàn)不僅節(jié)能而且效果顯著[5][6]；在2013年和2014年由YangSH和KimHN設(shè)計(jì)了利用空氣余熱的日光溫室熱泵加溫系統(tǒng)，將白天的室內(nèi)多余熱量?jī)?chǔ)存并轉(zhuǎn)移至夜間供熱，大大提高了空氣能的利用效率，節(jié)能效果顯著[7][8]。1.3研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排本設(shè)計(jì)依托于空氣源熱泵機(jī)組原理來實(shí)現(xiàn)當(dāng)溫室溫度過高時(shí)將空氣中富裕的熱量?jī)?chǔ)存起來，而當(dāng)溫度降低時(shí)再給溫室升溫達(dá)到給溫室調(diào)溫的作用。本設(shè)計(jì)的主要目的是以單片機(jī)為主控制器，將溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與判斷，通過主控制器對(duì)串口屏的通訊來實(shí)現(xiàn)人機(jī)操作，最終操控繼電器達(dá)到對(duì)熱泵機(jī)組各設(shè)備做出相應(yīng)的控制，并且傳回?cái)?shù)據(jù)通過串口屏顯示，在溫室中實(shí)現(xiàn)集檢測(cè)溫度、調(diào)節(jié)溫度為一體并且具有實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性、操作簡(jiǎn)單的溫室空氣余熱熱泵調(diào)溫系統(tǒng)。本文研究的主要內(nèi)容分以下幾個(gè)方面：本系統(tǒng)是基于單片機(jī)設(shè)計(jì)，故要對(duì)其相應(yīng)的模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)利用串口屏進(jìn)行人機(jī)交互，使其具有利用采集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)操作或人為主動(dòng)操作設(shè)備的作用，利用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。研究并實(shí)現(xiàn)溫度傳感器的數(shù)據(jù)傳輸，在程序中實(shí)現(xiàn)將溫室內(nèi)和蓄水池中的溫度實(shí)時(shí)的傳輸?shù)街骺匦酒?，主控芯片將得到的?shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送給控制各個(gè)設(shè)備的繼電器完成相應(yīng)的動(dòng)作。熟悉串口屏與主控芯片的相關(guān)操作，完成對(duì)溫度傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示并且結(jié)合人為通過對(duì)串口屏輸入相應(yīng)限制條件來達(dá)到各個(gè)設(shè)備相應(yīng)的啟停，完成對(duì)溫室內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)溫。最后進(jìn)行模擬測(cè)試,測(cè)試其可行性與操作性。論文章節(jié)安排：第一章節(jié)首先說明了論文研究的背景及意義，進(jìn)而簡(jiǎn)述目前國內(nèi)外對(duì)溫室溫度控制的研究，并簡(jiǎn)單敘述了論文中涉及的內(nèi)容現(xiàn)狀。第二章節(jié)經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了全面的分析，確定了本設(shè)計(jì)采用的整體設(shè)計(jì)方案。第三章節(jié)主要是對(duì)系統(tǒng)硬件部分的功能介紹，其中包括主控制芯片，溫度傳感器和串口屏的介紹，以及需要設(shè)計(jì)的功能等等。本章對(duì)整個(gè)控制的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)的描述。第四章是對(duì)系統(tǒng)的軟件部分的介紹，以及涉及到的外設(shè)等方面對(duì)其在使用方面進(jìn)行大體的介紹。第五章節(jié)是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了總體的測(cè)試與分析。并且對(duì)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行檢查與改進(jìn)。第六章節(jié)是對(duì)整個(gè)研究對(duì)象進(jìn)行總結(jié)，將目前系統(tǒng)中還存在的不足之處以及該系統(tǒng)功能的改進(jìn)做出展望。

2系統(tǒng)概述2.1空氣源熱泵簡(jiǎn)介本系統(tǒng)設(shè)計(jì)依托于空氣源熱泵技術(shù)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚的溫度控制，空氣源熱泵技術(shù)具有效率高，環(huán)保，運(yùn)行安全節(jié)能的特點(diǎn)。它根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理,采用電能驅(qū)動(dòng),通過傳熱媒介把大自然的低溫?zé)嵩粗袩o法被利用的低品熱能進(jìn)行積蓄,之后將吸收回來的熱能提升至可用的高品位熱能并釋放到水中[9]；本次設(shè)計(jì)用到的空氣源熱泵主要由壓縮機(jī)、翅片換熱器、換熱器、循環(huán)水泵等部件組成，其工作原理是在給蓄水池儲(chǔ)存熱量階段，通過翅片換熱器充當(dāng)蒸發(fā)器，低溫低壓的制冷劑通過循環(huán)進(jìn)入蒸發(fā)器中，此時(shí)制冷劑會(huì)吸收外界空氣的溫度而被蒸發(fā)，形成了有一定溫度的低壓氣體，然后經(jīng)過壓縮機(jī)進(jìn)行增壓增溫后會(huì)產(chǎn)生高壓高溫的氣體，通過管道進(jìn)入以換熱器作為冷凝器的裝置，高溫高壓的氣體在換熱器中釋放出熱量，使得換熱器的水和制冷劑氣體進(jìn)行熱量互換，此時(shí)制冷劑會(huì)因熱量散失變?yōu)橐簯B(tài)經(jīng)過膨脹閥泄壓后變?yōu)槌B(tài)的制冷劑完成一個(gè)循環(huán)；而經(jīng)過換熱過的水通過熱泵循環(huán)存儲(chǔ)在蓄水箱里，達(dá)到將空氣中富余的熱量?jī)?chǔ)存起來的目的。2.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)控制的溫室空氣余熱熱泵調(diào)溫系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)的總體作用是利用單片機(jī)微控制器來控制空氣源熱泵系統(tǒng)中各個(gè)繼電器通斷進(jìn)而達(dá)到溫度控制。本系統(tǒng)分為兩種模式，分別為手動(dòng)模式與自動(dòng)模式。2.2.1手動(dòng)模式手動(dòng)模式下微控制器作用是將溫度傳感器在不同地方的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理利用串口通訊將溫度實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)操作界面，而用戶可以在人機(jī)操作界面根據(jù)串口屏顯示的實(shí)時(shí)溫度，人為的對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)中的各個(gè)繼電器進(jìn)行操控。2.2.2自動(dòng)模式在自動(dòng)模式下微控制器的具體作用是將溫度傳感器所采集的不同地方的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后在人機(jī)界面通過通訊將用戶自己定義的各個(gè)溫度范圍返回給微控制器，最終由微控制器將兩大外設(shè)收集到的信息進(jìn)行處理判斷，將溫度傳感器傳回的溫度數(shù)據(jù)與用戶自定義的溫度范圍進(jìn)行比對(duì)，然后按照規(guī)則將空氣源熱泵系統(tǒng)的各個(gè)繼電器進(jìn)行通斷。2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)分為兩大部分，由控制部分以及人機(jī)交互部分構(gòu)成，控制部分主要包括數(shù)據(jù)信息采集裝置和控制各電器的繼電器以及主控芯片構(gòu)成；由串口屏來進(jìn)行人機(jī)交互，這兩大部分通過串口進(jìn)行通訊。構(gòu)成如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)方案圖2.3.1控制對(duì)象和參數(shù)的選擇圖2-2熱泵機(jī)組系統(tǒng)的控制對(duì)象為繼電器，即控制空氣源熱泵各部分電器運(yùn)行的繼電器；通過人為設(shè)置溫度上下限值即溫室要控制溫度的范圍，通過設(shè)置的溫度上下限值與實(shí)際檢測(cè)地區(qū)所測(cè)得的溫度進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)實(shí)際測(cè)得溫度大于最大臨界值或者小于最小臨界值時(shí)將會(huì)啟動(dòng)對(duì)應(yīng)熱泵機(jī)組的電器，來對(duì)溫室進(jìn)行調(diào)溫。根據(jù)圖2-2熱泵機(jī)組的原理圖分析具體調(diào)溫分為以下幾個(gè)階段（假設(shè)溫室溫度上限為A，下限為B）：集熱階段：當(dāng)溫室溫度大于A時(shí)，啟動(dòng)壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、熱泵并打開電磁閥2（電磁閥1處于關(guān)閉狀態(tài)）此時(shí)，翅片換熱器中的冷凝劑與溫室空氣進(jìn)行換熱，此時(shí)室溫會(huì)慢慢下降，冷凝劑經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮升溫后產(chǎn)生高溫高壓的氣體通過換熱器與水進(jìn)行換熱最終由膨脹閥將高壓的冷凝劑氣體降壓回到翅片換熱器中形成循環(huán)；而換熱的水通過熱泵循環(huán)被存儲(chǔ)在蓄水罐中。當(dāng)室溫低于A-5℃后停止集熱。此階段中翅片換熱器充當(dāng)蒸發(fā)器，換熱器充當(dāng)冷凝器。普通散熱階段：當(dāng)夜晚來臨后，室溫會(huì)慢慢降溫直到溫度小于設(shè)定溫度B時(shí)，此時(shí)啟動(dòng)熱泵、風(fēng)機(jī)打開電磁閥1，存在蓄水池中的熱水通過翅片散熱器將溫度散發(fā)給室內(nèi)起到升溫的效果，直到水溫小于25℃時(shí)停止運(yùn)行。強(qiáng)制散熱階段：當(dāng)室溫小于B且水溫小于25℃時(shí)，啟動(dòng)壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、熱泵并打開電磁閥1（電磁閥2處于關(guān)閉狀態(tài)）啟動(dòng)四通換向閥使冷凝劑進(jìn)入逆循環(huán)，使機(jī)組進(jìn)入強(qiáng)行放熱階段，當(dāng)水溫低于15℃時(shí)停止運(yùn)行。此時(shí)換熱器充當(dāng)蒸發(fā)器，翅片換熱器充當(dāng)冷凝器。應(yīng)急輔助加熱階段：當(dāng)遇見天氣不好的時(shí)候，室溫小于B且水溫小于15℃時(shí)開啟風(fēng)機(jī)與電加熱器給溫室進(jìn)行應(yīng)急輔助加熱。2.3.2硬件硬件部分主要由信息采集裝置和控制裝置以及人機(jī)交互裝置構(gòu)成，信息采集裝置主要為DS18B20溫度傳感器主要采集溫室內(nèi)部溫度與熱泵機(jī)組的蓄水箱水溫；控制部分為單片機(jī)控制熱泵機(jī)組的各電氣設(shè)備通斷的繼電器；人機(jī)交互部分為串口屏，通過串口通信實(shí)現(xiàn)與控制部分互聯(lián)通訊。2.3.3軟件軟件部分主要由上位機(jī)與下位機(jī)兩部分組成，上位機(jī)部分通過實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的各項(xiàng)參數(shù)的修改以及把對(duì)應(yīng)的參數(shù)反饋給下位機(jī)，而下位機(jī)接受來自上位機(jī)的參數(shù)與實(shí)時(shí)采集的溫度信息對(duì)比，對(duì)應(yīng)設(shè)置溫度上下限值進(jìn)行相應(yīng)控制并把控制結(jié)果顯示在上位機(jī)中。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1STM32微控制器設(shè)計(jì)3.1.1微控制器選擇對(duì)于微控制器即MCU（MicrocontrollerUnit后文均以單片機(jī)代替）的選擇本著就近取材方便的原則有以下兩款可供選擇分別為STM32F103ZET6、STC89C51RC這兩款。STC89C51RC是由宏晶公司生產(chǎn)一款的非常經(jīng)典且適合入門的單片機(jī)芯片，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且易于上手，適合新手設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)使用，工作電壓在5.5V~3.3V，工作頻率在0~40MHz，其芯片共有40個(gè)引腳，擁有32個(gè)通用I/O口，兩個(gè)串行通信口，四路外部中斷，有三個(gè)十六位定時(shí)/計(jì)數(shù)器等；片上集成512字節(jié)RAM以及4K字節(jié)ROM；其核心與外設(shè)是通過一條系統(tǒng)總線連接。STM32F103ZET6是一款由ST（意法半導(dǎo)體）公司基于Cortex-M3內(nèi)核的處理器。具有高性能、低成本、低功耗程序調(diào)試方便的特點(diǎn)，并且STM32資料公開有官方封裝庫易于編程。其工作電壓在2.0~3.6V之間，時(shí)鐘主頻為72MHz，其片上外設(shè)豐富自帶多種通信接口如USART（UniversalSynchronous/AsynchronousReceiver/Transmitter）、I2C（Inter-IntegratedCircuit）、SPI（SerialPeripheralInterface）等，芯片有144引腳，擁有112個(gè)I/O口，內(nèi)嵌8MHz的RC振蕩電路、看門狗定時(shí)器、電源控制器、16位PWM同步AC定時(shí)器、ADC采樣通道等豐富的資源大大降低了開發(fā)的復(fù)雜性[10]。是一款適合現(xiàn)場(chǎng)控制用的微控制器?；诟鞣矫婵紤]，也為了以后可以拓展更多功能滿總現(xiàn)場(chǎng)控制的要求，我選擇STM32F103ZET6這款芯片作為本設(shè)計(jì)的微控制器。3.1.2電源設(shè)計(jì)因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用場(chǎng)地只提供220V交流電源，所以為了能夠得到直流電源，采用了220V轉(zhuǎn)5V電路，經(jīng)過變壓器降壓后再經(jīng)過整流濾波最終通過集成穩(wěn)壓器LM7805穩(wěn)壓提供穩(wěn)定的5V直流電源，電路如圖3-1所示。圖3-1220V轉(zhuǎn)5V電路考慮到所添加的外設(shè)與實(shí)際程序燒寫的原因，控制部分電源模塊采用5V供電，5V電源方便提供，在調(diào)試過程中可以從電腦USB接口直接供電或者用手機(jī)充電器為其提供5V電源，設(shè)計(jì)中用到的溫度傳感器，繼電器，串口屏這些外部硬件都可以直接從這里獲取5V的電源供電，因?yàn)閱纹瑱C(jī)需要3.3V工作電源，所以給其提供了以AMS1117-3.3為主要芯片的5V轉(zhuǎn)3.3V電路，電路圖如圖3-2所示。圖3-25V轉(zhuǎn)3.3V電路3.1.3時(shí)鐘電路時(shí)鐘系統(tǒng)是單片機(jī)的心臟，想要單片機(jī)各個(gè)部分能夠正常運(yùn)行，時(shí)鐘信號(hào)是必不可少的，STM32單片機(jī)共有四個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘源可供選擇，有頻率為8MHz的高速內(nèi)部時(shí)鐘HSI和頻率為40KHz的低速內(nèi)部時(shí)鐘LSI以及可以自己配置的高速外部時(shí)鐘HSE和低速外部時(shí)鐘LSE。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)要用到各種片上外設(shè)，而片上外設(shè)大部分掛載在AHB總線上，而AHB總線要想工作就要開啟時(shí)鐘，時(shí)鐘是由系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘源決定，系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)鐘源如圖3-3所示。圖3-3部分時(shí)鐘框圖正如圖3-3上所示，系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘源是由HSI、HSE以及鎖相環(huán)PLL決定，因?yàn)楦咚賰?nèi)部時(shí)鐘是內(nèi)部RC振蕩器產(chǎn)生的頻率，也正因?yàn)槭荝C振蕩器產(chǎn)生的頻率是不夠穩(wěn)定的所以一般情況下不用高速內(nèi)部時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘。鎖相環(huán)PLL在這其實(shí)是起到倍頻器的作用，它可以選擇1~16共16種倍頻方式，它的時(shí)鐘輸入是通過兩個(gè)選擇器來選擇，外部高速時(shí)鐘可以經(jīng)過兩分頻或者不分頻作為選擇器一的時(shí)鐘輸入，選擇器一輸出的時(shí)鐘頻率可以作為選擇器二的時(shí)鐘輸入，或者通過內(nèi)部高速時(shí)鐘的兩分頻作為選擇器二的時(shí)鐘輸入，這樣選擇器二輸出的時(shí)鐘頻率可以作為鎖相環(huán)PLL的時(shí)鐘輸入來源。這樣在經(jīng)過鎖相環(huán)的倍頻輸出最終作為系統(tǒng)時(shí)鐘的始終來源。從上面分析可知，這樣高速外部時(shí)鐘的時(shí)鐘輸入是非常重要的，所以高速外部時(shí)鐘在外部要單獨(dú)接入一定振蕩頻率范圍的晶振，通常會(huì)選擇振蕩頻率為8MHz的晶振作為外部高速時(shí)鐘的輸入，外部晶振電路圖如圖3-4所示。圖3-4外部晶振電路圖3.1.4復(fù)位電路為了保證程序的可靠運(yùn)行防止程序在調(diào)試過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況以及方便對(duì)運(yùn)行程序的觀察，能夠使STM32回到原始狀態(tài)，核心板自帶了一按鍵復(fù)位電路如圖3-5所示。圖3-5按鍵復(fù)位電路3.1.5USB轉(zhuǎn)串口模塊圖3-6USB轉(zhuǎn)串口通訊結(jié)構(gòu)圖在前期開發(fā)過程中，要利用串口屏開發(fā)軟件模擬串口屏與單片機(jī)進(jìn)行通訊實(shí)驗(yàn)，如圖3-6所示單片機(jī)所用的是TTL電平而電腦是USB電平，故要用到電平轉(zhuǎn)換芯片來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換芯片采用的是CH340芯片。電平轉(zhuǎn)換芯片CH340是一款普遍都在用的轉(zhuǎn)接芯片，實(shí)現(xiàn)把電腦的USB接口映射為串口。圖3-7為USB轉(zhuǎn)串口模塊電路，通過單片機(jī)片上串口腳PA9與PA10分別與CH340芯片三四引腳相連，然后USB接口再與CH340芯片模塊對(duì)應(yīng)的引腳相連即可實(shí)現(xiàn)電腦端與單片機(jī)的串口通訊通過轉(zhuǎn)接BOOT0的跳線帽可實(shí)現(xiàn)串口的一鍵下載功能可以為單片機(jī)燒入程序。圖3-7USB轉(zhuǎn)串口連接圖3.2外圍設(shè)備設(shè)計(jì)3.2.1傳感器圖3-8溫度傳感器原理圖及實(shí)物圖本設(shè)計(jì)所用到的數(shù)據(jù)測(cè)量是溫度測(cè)量，最常用的就是數(shù)字溫度傳感器DS18B20，DS18B20的實(shí)物圖如圖3-8所示，因?yàn)橐獪y(cè)量蓄水罐的溫度以及溫室室內(nèi)的溫度，所以選擇了一款防水型（紅色為電源線，黃色為信號(hào)線，黑色為接地線）以及一款基礎(chǔ)型溫度傳感器。這兩款溫度傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào)，測(cè)量的溫度范圍是-55℃~+125℃完全滿足系統(tǒng)的需要，其獨(dú)特的單總線操作方式可以支持多個(gè)相同型號(hào)的傳感器并聯(lián)在唯一的三線上，工作電源為3.0~5.5V（DC）；直接將信號(hào)線與單片機(jī)端口相連即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與溫度傳感器的互聯(lián)，再通過簡(jiǎn)單的設(shè)置就可以將溫度數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)省去了數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，方便程序管理與維護(hù)。3.2.2屏幕選擇屏幕選擇了由淘晶馳公司生產(chǎn)的K0系列的型號(hào)為TJC4832K035_011的串口屏分辨率為480x320，這是一款易開發(fā)的觸摸屏，有專門的屏幕開發(fā)軟件，屏幕顯示樣式格式等只需在這個(gè)專門的開發(fā)軟件上設(shè)置不用像其他LCD液晶屏那樣通過單片機(jī)來給其屏幕設(shè)置顯示樣式，減輕了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，只需要利用串口通訊的方式就可以與單片機(jī)互聯(lián)通訊，使用方便簡(jiǎn)潔。圖3-9串口屏接線圖3.2.3繼電器本次設(shè)計(jì)的執(zhí)行控制部分只是將空氣源熱泵機(jī)組的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行通斷即通電與斷電兩種狀態(tài)，只需要繼電器即可完成該兩種狀態(tài)的切換。電磁繼電器通常用來做自動(dòng)控制中電氣設(shè)備的開關(guān)來使用，實(shí)現(xiàn)以小控大的作用即用微小的控制信號(hào)控制工頻交流電的通斷，它是由電磁鐵、銜鐵、彈簧、動(dòng)靜觸點(diǎn)等結(jié)構(gòu)組成，控制信號(hào)電流通過電磁鐵線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)從而吸引銜鐵致使動(dòng)靜觸電動(dòng)作。繼電器選擇的是5V兼容3.3V繼電器模塊，該繼電器模塊采用光耦隔離，使控制信號(hào)與被控電器實(shí)現(xiàn)安全的電氣隔離，從而使其兩種信號(hào)不會(huì)影響彼此，減少了信號(hào)的干擾，增加了單片機(jī)運(yùn)行的安全性防止因電流過大而燒毀，單個(gè)電路結(jié)構(gòu)圖如圖3-10所示。圖3-10繼電器模塊電路圖3.3空氣源熱泵機(jī)組3.3.1制冷劑制冷劑是空氣源熱泵系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換熱量必不可少的一部分，作為熱泵系統(tǒng)中的媒介物質(zhì)，它起到傳遞熱量的作用，在熱泵系統(tǒng)中通常用\t"/item/%E5%88%B6%E5%86%B7%E5%89%82/_blank"二氟一氯甲烷R22作為制冷劑來使用，其標(biāo)準(zhǔn)的蒸發(fā)溫度大約在-40℃左右，凝固溫度大約在-160℃左右，R22其性能穩(wěn)定無色無臭，不燃燒沒有腐蝕性，其毒性較低但在安全的范圍內(nèi)，R22是一種適用范圍比較廣的制冷劑，大多數(shù)家庭空調(diào)裝置以及商用的制冷系統(tǒng)中通常被用作機(jī)組的制冷劑。3.3.2壓縮機(jī)壓縮機(jī)是空氣源熱泵系統(tǒng)中的兩大“心臟”之一。它既要沿回路泵送制冷劑，又要按照要求適當(dāng)?shù)卦黾永鋬龉べ|(zhì)的壓力，通常要求壓縮機(jī)在中等制冷劑流速下提供較高的壓力差[11]。常見壓縮機(jī)的類型有往復(fù)活塞式壓縮機(jī)、滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)、螺桿式壓縮機(jī)、渦旋式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)[12]。而渦旋式與螺桿式壓縮機(jī)為空氣源熱泵機(jī)組里最常用的兩款壓縮機(jī)類型，渦旋式壓縮機(jī)工作原理是有兩個(gè)渦旋盤相互咬合而成分為動(dòng)靜兩個(gè)渦盤，動(dòng)渦盤通過偏心軸驅(qū)動(dòng)在靜渦盤軸心做平面回旋，氣體存在的空隙隨著偏心軸的旋轉(zhuǎn)逐漸減小而被壓縮，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)齪合式的動(dòng)作方式，幾乎沒有磨損，使得渦旋式壓縮機(jī)要比螺桿式壓縮機(jī)使用壽命長(zhǎng)，而且渦旋式壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲小，震動(dòng)小適合在實(shí)驗(yàn)中使用，所選用的壓縮機(jī)是美國谷輪生產(chǎn)的渦旋式壓縮機(jī)ZR36K3-PFJ-522，功率為3HP；它是谷輪公司生產(chǎn)的ZR系列中高溫渦旋式壓縮機(jī)，在大多數(shù)使用情況下不需要曲軸箱加熱器和氣液分離器

；可以使用R22作為制冷劑；其名義制冷量在9kW左右輸入功率在2kW左右，電源為工頻單相220V電壓驅(qū)動(dòng)。3.3.3循環(huán)水泵空氣源熱泵系統(tǒng)中另一個(gè)“心臟”就是循環(huán)水泵，它被安裝在儲(chǔ)水箱與冷凝器之間，通過水循環(huán)將冷凝器中高溫高壓的冷凝劑進(jìn)行冷卻，并且在此過程中通過水吸收冷凝劑的溫度并且存儲(chǔ)在蓄水池中，達(dá)到存儲(chǔ)熱量的目的。選用的水泵型號(hào)為德國威樂公司生產(chǎn)的PD-180E水泵，其額定輸出功率為180W，最大揚(yáng)程為5.5m,最大流量為100L/min，工作電源為工頻單相220V電壓。3.3.4風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)的作用是通過強(qiáng)制性改變空氣中的氣體流動(dòng)速度來將熱量更好的傳遞給每一部分，提高系統(tǒng)的換熱效率，風(fēng)機(jī)采用內(nèi)部的單相交流電壓為220V異步電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這種類型的風(fēng)機(jī)比較普遍具有控制簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜的特點(diǎn)。3.3.5換熱器件及其他器件在空氣源熱泵系統(tǒng)中的換熱元件有吸收空氣中的熱量并且將熱量轉(zhuǎn)移到制冷劑的蒸發(fā)器，還有將高溫高壓的制冷劑冷卻下來把熱量傳給另一個(gè)載體以達(dá)到儲(chǔ)存熱量的冷凝器。此次所采用的是翅片式換熱器與套管換熱器，翅片式換熱器采用不銹鋼高頻焊接翅片管，在管體本身纏繞厚度為0.8~1mm的帶鋼纏繞，其具有換熱能力強(qiáng)使用壽命長(zhǎng)生產(chǎn)方便的特點(diǎn)；套管換熱器采用世紀(jì)龍科技有限公司產(chǎn)的SJLX3P286254套管換熱器，其名義換熱能力為11.4kW，采用跑道型螺紋管結(jié)構(gòu)材料提高了換熱能力。用來進(jìn)行輔助加溫的電加熱器采用不銹鋼材料的W型干燒型翅片電加熱管，功率在2000W左右，工頻交流220V電源供電。為了方便將各種電器的電源統(tǒng)一化，故在用控制的各種電磁閥中均使用交流220V供電，而所采用的管道均采用直徑為32mm的PVC管，管道外加保溫套防止熱量散失。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1軟件開發(fā)環(huán)境軟件設(shè)計(jì)部分是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的核心部分，相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的心臟，軟件開發(fā)的好壞、程序優(yōu)化的問題在到整個(gè)控制系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，能否按照操作要求執(zhí)行操作，能否發(fā)揮最好的性能起到重要作用。此次是以C語言為基礎(chǔ)以KeiluVision5軟件為平臺(tái)進(jìn)行軟件上的開發(fā)設(shè)計(jì)。單片機(jī)的軟件開發(fā)一般都是以C語言和匯編語言進(jìn)行開發(fā)，而C語言的普及范圍廣，在大學(xué)期間都會(huì)開設(shè)這一門課程，并且很多學(xué)校以C語言計(jì)算機(jī)二級(jí)證書作為畢業(yè)條件，所以在單片機(jī)軟件開發(fā)中以C語言進(jìn)行程序的編寫是最主流的。它具有移植性強(qiáng)、使用靈活、結(jié)構(gòu)思路清晰、表達(dá)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。尤其是結(jié)構(gòu)化編程中C語言提供了一套較為基礎(chǔ)的函數(shù)庫為用戶提供使用，不但用戶可以自己根據(jù)需求進(jìn)行庫函數(shù)開發(fā)方便程序運(yùn)行與維護(hù)，而且一段定義好的函數(shù)就是一個(gè)程序塊，程序移植方面大大的提高了方便性節(jié)約了時(shí)間，對(duì)程序的優(yōu)化也方便許多。KeiluVision5軟件是Keil公司在13年推出的一款針對(duì)ARM公司生產(chǎn)的各種嵌入式處理器尤其是Cortex-M內(nèi)核的控制器的集成開發(fā)軟件，它向下兼容KeiluVision4版本的文件在程序移植方面起到了很重要的作用，我所使用的是Cortex-M3內(nèi)核的STM32F1系列微控制器，只需要在官網(wǎng)安裝對(duì)應(yīng)的器件安裝包就可以對(duì)STM32F1系列微控制器進(jìn)行開發(fā)并且完美兼容芯片廠商所提供的基礎(chǔ)固件庫，極大程度上減輕了軟件開發(fā)的時(shí)間周期。KeiluVision5軟件的開發(fā)流程一般有以下幾個(gè)步驟：打開軟件后新建一個(gè)工程，選好被開發(fā)芯片所對(duì)應(yīng)的型號(hào)序列，根據(jù)需求添加配置文件。編寫程序代碼即編寫想要系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能所對(duì)應(yīng)的程序。將編寫好的程序代碼生成能夠在芯片內(nèi)部執(zhí)行的文件，并將文件通過系統(tǒng)仿真進(jìn)行試運(yùn)行查看運(yùn)行情況。針對(duì)仿真過程中出現(xiàn)的問題對(duì)程序進(jìn)行修改與優(yōu)化。最后將最終的程序執(zhí)行文件燒入單片機(jī)中。所以，為了縮短開發(fā)周期，方便管理，選擇KeiluVision5軟件作為溫室空氣余熱熱泵調(diào)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)平臺(tái)。KeiluVision5軟件開發(fā)界面如圖4-1所示。圖4-1KeiluVision5軟件開發(fā)界面本次設(shè)計(jì)用到的是淘晶馳公司生產(chǎn)的串口屏，該公司生產(chǎn)的串口屏有專門的屏幕開發(fā)軟件USARTHMI，這款軟件操作簡(jiǎn)單易上手，有專門的自定義圖庫與字庫可以根據(jù)自己需求設(shè)置背景圖片與文字效果，使得串口屏在實(shí)際使用中更加個(gè)性美；在軟件的工具箱區(qū)域有文本、按鈕、進(jìn)度條、滑塊等多種界面控件可以選擇，提高了可操作性；在事件編輯方面公司給了專門的指令集，通過這些簡(jiǎn)單的指令集可以在屏幕操作時(shí)如切換頁面、觸碰反應(yīng)等方面不用通過單片機(jī)的指令調(diào)用，僅僅靠屏幕本身內(nèi)部的處理就可以實(shí)現(xiàn)，減少了占用單片機(jī)運(yùn)行內(nèi)存。在調(diào)試方面軟件自帶仿真功能，通過單片機(jī)與電腦進(jìn)行串口連接即可在電腦上進(jìn)行串口屏的調(diào)試，使用戶開發(fā)更加方便，開發(fā)流程一般如下：打開軟件新建工程，根據(jù)屏幕款式進(jìn)行相應(yīng)配置。添加所需要的字庫圖庫。對(duì)頁面進(jìn)行編輯，并且根據(jù)所需在事件區(qū)域進(jìn)行指令編寫。連接單片機(jī)進(jìn)行仿真調(diào)試。根據(jù)仿真結(jié)果反復(fù)修改最終達(dá)到想要結(jié)果后拷貝文件，利用內(nèi)存卡對(duì)串口屏進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖4-2USARTHMI軟件開發(fā)界面4.2核心部件軟件開發(fā)介紹4.2.1溫度傳感器DS18B20因其是一個(gè)三端原件，信號(hào)線只有一根，所以利用半雙工的通訊方式與單片機(jī)通訊，他共有六種信號(hào)類型分別為復(fù)位脈沖，應(yīng)答脈沖，寫0和寫1時(shí)序以及讀0和讀1時(shí)序；這六種信號(hào)除了應(yīng)答脈沖是溫度傳感器自身發(fā)出外，其他信號(hào)都是由單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，并且發(fā)出的所有信號(hào)里都是以低位的字節(jié)在前。圖4-3DS18B20讀取溫度流程圖首先要對(duì)溫度傳感器信號(hào)線所接在單片機(jī)的輸入輸出接口進(jìn)行配置；然后根據(jù)圖4-4可知在溫度傳感器初始化過程中包括了復(fù)位脈沖與應(yīng)答脈沖。單片機(jī)要給傳感器一個(gè)時(shí)長(zhǎng)至少要480μs的低電平之后單片機(jī)會(huì)釋放總線一段時(shí)間進(jìn)入等待溫度傳感器應(yīng)答脈沖；（在此期間因?yàn)閱纹瑱C(jī)與傳感器信號(hào)端是以上拉電阻相連，所以在釋放總線階段就是高電平階段）此時(shí)溫度傳感器會(huì)認(rèn)為復(fù)位脈沖到來，然后在單片機(jī)釋放總線15μs至60μs后溫度傳感器會(huì)給單片機(jī)傳輸響應(yīng)信號(hào)即拉低總線時(shí)長(zhǎng)在60μs至240μs的時(shí)間，此時(shí)單片機(jī)認(rèn)為溫度傳感器連接在單片機(jī)上。圖4-4初始化時(shí)序圖對(duì)傳感器進(jìn)行寫時(shí)序的時(shí)候是先從低位開始寫，寫時(shí)序包括寫0與寫1，根據(jù)圖4-5所示的時(shí)序圖可知，在對(duì)溫度傳感器的寫0時(shí)，單片機(jī)要拉低總線即輸出時(shí)長(zhǎng)為60μs的低電平然后再釋放總線即輸出時(shí)長(zhǎng)為2μs的高電平；同理在對(duì)溫度傳感器寫1時(shí)，單片機(jī)同樣首先拉低總線但是時(shí)長(zhǎng)為2μs，之后同樣的要釋放總線，但是時(shí)長(zhǎng)為60μs。這樣就完成了對(duì)傳感器的寫時(shí)序。圖4-5寫時(shí)序圖根據(jù)圖4-6所示的時(shí)序圖可知，在對(duì)溫度傳感器進(jìn)行讀數(shù)據(jù)時(shí)首先要讓單片機(jī)拉低總線至少1μs的時(shí)間，之后單片機(jī)釋放總線在此期間溫度傳感器開始向單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)，此時(shí)單片機(jī)輸入輸出端口配置為輸入模式，并且向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)要在15μs內(nèi)的時(shí)間進(jìn)行，否則所發(fā)送的數(shù)據(jù)無法被單片機(jī)接收到。單片機(jī)在對(duì)溫度傳感器讀取每位數(shù)據(jù)時(shí)至少需要60μs的時(shí)間，并且在每位數(shù)據(jù)的讀取之間至少要延時(shí)1μs來進(jìn)行恢復(fù)。圖4-6讀時(shí)序圖4.2.2串口屏開發(fā)串口屏有專門的開發(fā)軟件，在本章的剛開始有介紹，串口屏的主要作用是用來顯示溫度并且能夠在屏幕上輸入?yún)?shù)傳給單片機(jī)然后做出相對(duì)應(yīng)的繼電器操作。圖4-7串口屏任務(wù)功能示意圖所設(shè)計(jì)的頁面共有四頁，分別為初始化首頁，模式選擇頁以及自動(dòng)模式界面和手動(dòng)模式界面，對(duì)應(yīng)圖4-7可知，初始化運(yùn)行時(shí)會(huì)首先進(jìn)入首頁，點(diǎn)擊屏幕跳轉(zhuǎn)到模式選擇頁面，此時(shí)可以進(jìn)行選擇。在手動(dòng)模式界面下，用戶可以根據(jù)自己需求自行對(duì)任意階段進(jìn)行開啟與關(guān)閉，同樣也可以檢測(cè)到室內(nèi)與水箱內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度，而且還可以通過屏幕反饋回來的信息了解每個(gè)模式下各主要電器的狀態(tài)。在自動(dòng)模式界面下，首先要設(shè)置自動(dòng)操作時(shí)所需要的溫度上下限值，然后會(huì)將數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，然后單片機(jī)通過設(shè)置的溫度上下限值與實(shí)際的溫度進(jìn)行對(duì)比將處理結(jié)果顯示在屏幕的“機(jī)組當(dāng)前狀態(tài)”一欄，并且與手動(dòng)模式一樣顯示機(jī)組各大主要電器的實(shí)時(shí)狀態(tài)。具體設(shè)計(jì)如下：首先是對(duì)界面的設(shè)置，因其獨(dú)特的開發(fā)環(huán)境，可以做出比較美觀的界面，從圖庫中導(dǎo)入了圖片做為首頁命名為“F”并且標(biāo)明相應(yīng)的信息。圖4-8首頁畫面在背景這一頁事件欄里的按下事件輸入操作指令“pageopt”（模式選擇頁面名稱為opt）這樣就可以點(diǎn)擊背景進(jìn)入選擇模式界面。在選擇模式界面添加兩個(gè)模式的按鈕，在手動(dòng)模式這個(gè)按鈕的按下事件欄里輸入操作指令“printh650001FFFFFF”和“pageSD”達(dá)到切換到手動(dòng)模式頁面（頁面名稱為SD）的同時(shí)向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)讓單片機(jī)開啟手動(dòng)模式。同樣在自動(dòng)模式按鈕的事件欄里輸入指令“printh650001FFFFFF”發(fā)送數(shù)據(jù)讓單片機(jī)進(jìn)入自動(dòng)模式，輸入“pageZD”讓頁面切換至自動(dòng)模式頁面（頁面名稱為ZD）。圖4-9選擇模式圖4-10手動(dòng)模式在手動(dòng)模式頁面，單片機(jī)將溫度傳感器傳回的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理然后發(fā)送給串口屏，使其溫度顯示在室內(nèi)溫度與水溫后面的空白處，之后在下面的每個(gè)階段后面設(shè)置一個(gè)按鈕，并且在每個(gè)按鈕事件欄里輸入相應(yīng)的指令參數(shù)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)階段可以單獨(dú)操作，并且在屏幕中可以看到重要電器的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)（默認(rèn)全部為關(guān)閉狀態(tài)）。在自動(dòng)模式界面下，與手動(dòng)模式的畫面大同小異，在此界面可以設(shè)置自動(dòng)操作時(shí)所需要的溫度上下限值（默認(rèn)溫度上下限值為30℃與20℃）當(dāng)輸入完溫度后點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕，然后會(huì)將兩個(gè)臨界值傳回給單片機(jī)，最終經(jīng)過處理后會(huì)在屏幕的“機(jī)組當(dāng)前狀態(tài)”一欄顯示當(dāng)前的狀態(tài)，并且與手動(dòng)模式一樣顯示機(jī)組各主要電器的實(shí)時(shí)狀態(tài)。圖4-11自動(dòng)模式界面與串口屏進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，串口屏想要接收到命令并且執(zhí)行需要對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)末尾加三個(gè)“0XFF”這樣串口屏才會(huì)認(rèn)為已收到單片機(jī)發(fā)過來的數(shù)據(jù)，所以選用了串口打印的方式對(duì)串口屏發(fā)送命令，而為了區(qū)分單片機(jī)接收到不同命令，在串口中斷中利用數(shù)據(jù)包接收的方式將接收到的數(shù)據(jù)緩存起來通過分析包頭和包尾以及中間的數(shù)據(jù)不同來做出相應(yīng)的動(dòng)作。以下為各數(shù)據(jù)所代表的含義：“650000FFFFFF”代表停止發(fā)送溫度數(shù)據(jù)；“650001FFFFFF”代表切換至手動(dòng)模式操作方式；“650002FFFFFF”代表單片機(jī)切換至自動(dòng)模式操作方式；“650003FFFFFF”代表手動(dòng)模式下集熱階段開啟；“650004FFFFFF”代表手動(dòng)模式下集熱階段關(guān)閉；“650005FFFFFF”代表手動(dòng)模式下普通散熱階段開啟；“650006FFFFFF”代表手動(dòng)模式下普通散熱階段關(guān)閉“650007FFFFFF”代表手動(dòng)模式下強(qiáng)制散熱階段開啟；“650008FFFFFF”代表手動(dòng)模式下強(qiáng)制散熱關(guān)閉“650009FFFFFF”代表手動(dòng)模式下應(yīng)急加熱開啟；“650010FFFFFF”代表手動(dòng)模式下應(yīng)急加熱關(guān)閉。圖4-12串口中斷程序圖4-13利用串口打印顯示到串口屏4.3控制算法自動(dòng)控制這一理論，已經(jīng)完全融入到了我們的生活當(dāng)中，小到日常生活中洗澡水溫度調(diào)節(jié)，大到導(dǎo)彈制導(dǎo)，從家電制造到軍工制造等等，無一不體現(xiàn)自動(dòng)控制的重要性，如今自動(dòng)控制蓬勃發(fā)展算法也多種多樣諸如PID算法、Fuzzy模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、Optimal優(yōu)化控制等控制算法。4.3.1二位式控制算法二位式控制算法是最傳統(tǒng)的一種算法，也是最簡(jiǎn)單好理解并且在實(shí)際工作當(dāng)中經(jīng)常用到的一種算法。圖4-14二位式控制算法在圖4-14中，可以看到位式控制算法有兩個(gè)輸入分別為用戶所期望的目標(biāo)值SV以及傳感器反饋的當(dāng)前值PV。在算法當(dāng)中利用不同的方式對(duì)輸入進(jìn)行分析判斷以及運(yùn)算，最終將結(jié)果進(jìn)行輸出作為控制信號(hào)OUT，控制信號(hào)只會(huì)輸出高電平與低電平兩個(gè)狀態(tài)，故稱之為二位式控制算法。該算法的特點(diǎn)是只考察當(dāng)前的狀態(tài)并且輸出信號(hào)單一只有高電平與低電平兩種狀態(tài)，相當(dāng)于讓執(zhí)行部件對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行開和關(guān)，使控制對(duì)象處在工作與不工作的狀態(tài)下；算法的輸出結(jié)果僅僅依靠當(dāng)前值PV與設(shè)定值SV進(jìn)行比較來輸出，這樣使得控制對(duì)象要么處在全功率運(yùn)行狀態(tài)要么處在斷電狀態(tài)，最終使得當(dāng)前值一直在設(shè)定值上下波動(dòng)不穩(wěn)定，無法標(biāo)準(zhǔn)的達(dá)成想要的設(shè)定結(jié)果。4.3.2PID算法PID算法是利用比例積分微分運(yùn)算將過去的狀態(tài)與當(dāng)前狀態(tài)結(jié)合起來進(jìn)行分析，對(duì)將來可能出現(xiàn)的狀態(tài)進(jìn)行提前的判斷，提前進(jìn)行控制使得最終結(jié)果可以穩(wěn)定在預(yù)期的設(shè)定值。圖4-15PID算法圖中可以看出SV代表用戶設(shè)定的一個(gè)目標(biāo)值，PV代表通過傳感器反饋控制對(duì)象當(dāng)前的狀態(tài)值，算法結(jié)構(gòu)與位式算法差不多都是利用了這兩個(gè)值進(jìn)行運(yùn)算分析，而PID算法是通過SV與PV相減得到一個(gè)偏差信號(hào)用E表示；將開機(jī)運(yùn)行后到當(dāng)前時(shí)間的所有偏差記錄在歷史偏差中，并且將當(dāng)前時(shí)間的前幾個(gè)時(shí)刻的偏差記錄在最近偏差當(dāng)中，連同當(dāng)前的偏差進(jìn)行線性疊加輸出一個(gè)控制信號(hào)，所以PID算法不僅考慮了當(dāng)前的偏差狀態(tài)還考慮了歷史偏差狀態(tài)，這樣相對(duì)于之前的位式控制算法能夠達(dá)到比較理想的控制效果。 POUT=PID算法包括比例控制算法和積分控制算法以及微分控制算法，其計(jì)算出的輸出信號(hào)不再是位式控制算法那樣只有高和低的結(jié)果而是類似于PWM的周期信號(hào)，通過一個(gè)系數(shù)與當(dāng)前的偏差E相乘（偏差E的正負(fù)代表是否達(dá)標(biāo)，E為正數(shù)代表當(dāng)前已達(dá)標(biāo)，若為負(fù)數(shù)則未達(dá)標(biāo)），使得輸出的結(jié)果與偏差信號(hào)成比例關(guān)系，如果當(dāng)前偏差過大即實(shí)際狀態(tài)與目標(biāo)值差值過大就會(huì)使輸出控制信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，這樣使得最終當(dāng)前值向目標(biāo)值靠近，但是因?yàn)楣降奶匦詫?dǎo)致，在越接近目標(biāo)值時(shí)當(dāng)前值的變化越緩慢最終導(dǎo)致在純比例作用下存在靜態(tài)偏差。 SK= IOUT=為了解決靜態(tài)偏差，引入積分控制算法，通過利用PID算法當(dāng)中存儲(chǔ)的歷史偏差，將所有的偏差進(jìn)行加和記作Sk，積分控制算法的輸出為Sk與一個(gè)系數(shù)相乘，Sk為正數(shù)說明從開機(jī)以來過去的時(shí)間內(nèi)大多數(shù)時(shí)間內(nèi)是未達(dá)標(biāo)的，這時(shí)輸出應(yīng)該對(duì)當(dāng)前的輸出信號(hào)進(jìn)行加強(qiáng)；反之說明大多數(shù)時(shí)間已經(jīng)超標(biāo)則應(yīng)該對(duì)當(dāng)前的輸出信號(hào)進(jìn)行削減。在只有比例和積分算法時(shí)因?yàn)榉e分控制算法只考慮歷史偏差數(shù)據(jù)，利用歷史數(shù)據(jù)來對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行修正，這樣導(dǎo)致了在開機(jī)后第一次到達(dá)目標(biāo)值后因?yàn)橹暗乃衅钚盘?hào)均為正數(shù)，這樣會(huì)繼續(xù)對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行加強(qiáng)，這樣會(huì)出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，之后會(huì)慢慢恢復(fù)正常。 DK= DOUT=微分控制算法則是利用最近的兩次偏差之差記作DK進(jìn)行分析，反映了偏差的變化趨勢(shì)，受控制對(duì)象的影響往往這種變化趨勢(shì)會(huì)具有延續(xù)性，所以通過分析偏差的變化趨勢(shì)來預(yù)測(cè)出下次偏差變化的趨勢(shì)提前進(jìn)行控制；若DK為正數(shù)，說明將來可能會(huì)有一個(gè)增大的偏差變化趨勢(shì)則輸出的控制信號(hào)要進(jìn)行加強(qiáng)，反之進(jìn)行削減。PID=KP基于前三個(gè)公式（公式4.1和公式4.3以及公式4.5），將三個(gè)公式進(jìn)行組合，形成簡(jiǎn)單的PID數(shù)學(xué)模型（公式4.6）。4.3.3基于單片機(jī)的PID控制算法 SK= DK=T為采樣周期即計(jì)算周期，Ti為積分常數(shù)Td為微分常數(shù)；要保證輸出結(jié)果準(zhǔn)確T值和Ti值以及Td值在編寫程序時(shí)要隨著實(shí)際工況下進(jìn)行不斷地調(diào)整；因?yàn)闀?huì)出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，此時(shí)往往會(huì)在開機(jī)第一次到達(dá)目標(biāo)值之前將積分常數(shù)設(shè)置的很大來減小過程現(xiàn)象。依據(jù)上節(jié)的PID簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型分析基于單片機(jī)的PID算法。 OUT=KP上式得出的結(jié)果可以直接代表著PID輸出信號(hào)PWM脈沖寬度。此算法適用于于沒有記憶功能的如繼電器雙向可控硅等執(zhí)行器件，對(duì)于有記憶功能的如步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行器件可以使用增量式PID。 ?OUT=KP4.3.4參數(shù)整定在參數(shù)的整定過程中，大部分情況下采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法，此方法是前輩們經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來的一種快捷的整定方法；對(duì)于控制對(duì)象的選擇不同，其在應(yīng)用PID算法時(shí)整定的參數(shù)也不相同，這時(shí)可以用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為參考對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修改以達(dá)到控制要求。根據(jù)公式（4.9）的基于單片機(jī)的位式PID控制算法，在程序中定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體用來存放所有需要的參數(shù)；在各項(xiàng)參數(shù)中，Ek為當(dāng)前偏差其值可由用戶定義的設(shè)定值SV與當(dāng)前傳感器傳回的數(shù)值SV計(jì)算得出，T為計(jì)算周期，其值根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定；在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)中以溫度作為控制對(duì)象的算法中比例系數(shù)Kp一般為1.6~5；而積分時(shí)間常數(shù)Ti為3min~10min；微分時(shí)間常數(shù)Td為0.5min~3min；其中在比例系數(shù)進(jìn)行整定時(shí)，將積分作用和微分作用去除即根據(jù)公式（4.9）可知將積分時(shí)間常數(shù)調(diào)大，微分時(shí)間常數(shù)調(diào)零。此時(shí)只會(huì)有比例作用根據(jù)參數(shù)范圍由小到大進(jìn)行修改，觀察此時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩時(shí)再逐漸減小比例系數(shù)直到震蕩剛好消失，此時(shí)取比例系數(shù)的0.6~0.8倍作為PID算法中的比例系數(shù)Kp。之后加入積分作用，積分時(shí)間常數(shù)根據(jù)參數(shù)范圍由大到小進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩時(shí)，再將積分時(shí)間常數(shù)進(jìn)行增大，系統(tǒng)振蕩消失后此時(shí)的積分時(shí)間常數(shù)取其值的1.5~1.8倍作為積分時(shí)間常數(shù)Ti。微分時(shí)間常數(shù)的參數(shù)整定與比例系數(shù)相同首先根據(jù)參數(shù)范圍由小到大進(jìn)行調(diào)試，在系統(tǒng)震蕩消失穩(wěn)定時(shí)取當(dāng)前值的0.3倍作為算法中的微分時(shí)間常數(shù)Td。

5系統(tǒng)測(cè)試5.1傳感器部分測(cè)試將兩個(gè)溫度傳感器接到單片機(jī)開發(fā)板提供的3.3V電源與地，信號(hào)接到PG11上，單片機(jī)通電后自動(dòng)開啟，每隔100ms采集一次溫度數(shù)據(jù)，因?yàn)榕c串口屏采用普通串口的通訊方式所以首先用串口調(diào)試助手測(cè)試溫度傳感器采集到的溫度。圖5-1串口調(diào)試從串口調(diào)試助手顯示界面可知，兩個(gè)溫度傳感器在同一室溫下所采集到的溫度，存在較小的誤差可以忽略不計(jì)。圖中所顯示的t2.txt=“數(shù)值”為串口屏獨(dú)特的修改界面文本數(shù)值的命令字符其含義是將代