畢業(yè)設(shè)計(jì)---基于模糊pid的溫度控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　模糊PID的溫度控制系統(tǒng)具有真正的智能化和靈活性，越來(lái)越多的溫度控制系統(tǒng)都基于模糊PID算法而設(shè)計(jì)。隨著控制對(duì)象變得復(fù)雜，應(yīng)用常規(guī)PID溫度控制精度和魯棒性降低。當(dāng)控制對(duì)象很復(fù)雜的情況下，常規(guī)PID溫度控制器已經(jīng)不再適用了，為了提高對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制性能，要使用模糊PID溫度控制器。一種將PID控制與模糊控制的簡(jiǎn)便性、靈活性、以及

2、魯棒性融為一體，構(gòu)造了一個(gè)模糊PID溫度控制器。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID的溫度控制系統(tǒng)，以AT89C51單片機(jī)為核心，主要做了如下幾方面的工作：首先介紹了模糊PID控制理論基礎(chǔ)，其次進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及硬件選擇，最后進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以及仿真。</p><p>　　關(guān)鍵詞：模糊PID；AT89C51單片機(jī)；溫度控制；仿真</p><p>

3、<b>　　Abstract</b></p><p>　　Fuzzy PID temperature control system with real intelligence and flexibility, more and more temperature control systems are designed based on fuzzy PID algorithm.With th

4、e control object becomes complicated, using conventional PID temperature control accuracy and robustness of the lower.When the control object is a complex situation, conventional PID temperature controller is no longer a

5、pplied, in order to improve the control performance of complex systems, to use the fuzzy PID temperature control</p><p>　　This design presents a fuzzy-based PID temperature control system to AT89C51 SCM,made

6、 the following main areas of work:first introduce the theory of fuzzy PID control,second for the hardware design and hardware design,and finally to the system software design and simulation.</p><p>　　Keyword

7、s: Fuzzy PID; AT89C51 SCM; temperature control; simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 引言1</b></p><p>　　1.1選題背景及其意義1</p><p><b>

8、;　　1.2概述1</b></p><p>　　1.3溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3.1定值開(kāi)關(guān)控溫法2</p><p>　　1.3.2PID線性控溫法2</p><p>　　1.3.3智能溫度控制法2</p><p>　　第二章 模糊PID控制理論4</p>

9、;<p>　　2.1PID控制器4</p><p>　　2.1.1PID控制的發(fā)展4</p><p>　　2.1.2PID控制理論4</p><p>　　2.1.3PID控制算法5</p><p>　　2.2模糊控制原理7</p><p>　　2.2.1模糊控制系統(tǒng)的基本概念7</p&g

10、t;<p>　　2.2.2模糊控制系統(tǒng)的組成7</p><p>　　2.2.3模糊控制的基本原理8</p><p>　　2.3模糊PID復(fù)合控制算法9</p><p>　　2.3.1模糊PID復(fù)合算法9</p><p>　　2.3.2模糊PID算法運(yùn)用10</p><p>　　第三章 模糊PI

11、D溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成13</p><p>　　3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及系統(tǒng)總電路圖13</p><p>　　3.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則13</p><p>　　3.2.2系統(tǒng)總電路圖14</p><p>　　3.3 單片機(jī)的選擇14</p><p

12、>　　3.4溫度傳感器的選擇18</p><p>　　3.4.1DS18B20簡(jiǎn)介18</p><p>　　3.4.2DS18B20的性能特點(diǎn)19</p><p>　　3.4.3DS18B20的管腳排列19</p><p>　　3.4.4DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)20</p><p>　　3.4.5DS1

13、8B20的測(cè)溫原理20</p><p>　　3.5數(shù)碼管輸出21</p><p>　　3.6鍵盤接口電路22</p><p>　　3.7蜂鳴電路23</p><p>　　3.8外部存儲(chǔ)模塊23</p><p>　　3.9電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊23</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2

14、5</p><p>　　4.1主程序模塊25</p><p>　　4.2溫度傳感器DS18B20模塊25</p><p>　　4.3LED顯示模塊27</p><p>　　4.4鍵盤控制模塊27</p><p>　　第五章 系統(tǒng)的仿真29</p><p>　　5.1仿真工具29&l

15、t;/p><p>　　5.2 MATLAB及其模糊邏輯工具箱和仿真環(huán)境29</p><p>　　5.2.1MATLAB概況29</p><p>　　5.2.2模糊邏輯工具箱29</p><p>　　5.3模糊PID的仿真30</p><p>　　5.3.1控制對(duì)象模型30</p><p>

16、　　5.3.2MATLAB仿真31</p><p>　　5.4仿真結(jié)果與分析33</p><p><b>　　結(jié)論35</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)36</b></p><p><b>　　附 錄37</b></p><p>

17、　　附件一:部分源程序37</p><p>　　1.DS18B20相關(guān)子程序37</p><p>　　2.LED相關(guān)子程序37</p><p>　　3.按鍵相關(guān)子程序38</p><p>　　附件二：英文文獻(xiàn)41</p><p>　　附件三：系統(tǒng)總電路圖49</p><p><

18、b>　　謝 辭49</b></p><p><b>　　第一章 引言</b></p><p>　　1.1選題背景及其意義</p><p>　　在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。無(wú)論你生活在哪里，從事什么工作，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在與溫度打著交道。自18世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，工業(yè)發(fā)展與是否能掌握溫度有著密切的聯(lián)系。在冶金、鋼

19、鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等行業(yè)，可以說(shuō)幾乎80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。溫度不但對(duì)于工業(yè)如此重要，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫度的監(jiān)測(cè)與控制也有著十分重要的意義[1]。</p><p><b>　　1.2概述 </b></p><p>　　溫度是生活及生產(chǎn)中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。自然界中任何物理、化學(xué)過(guò)程都緊密的與溫度相聯(lián)系。在很多生產(chǎn)過(guò)程中，溫

20、度的測(cè)量和控制都直接和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系。因此，溫度的測(cè)量與控制在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中均受到了相當(dāng)程度的重視。</p><p>　　今天，我們的生活環(huán)境和工作環(huán)境有越來(lái)越多稱之為單片機(jī)的小電腦在為我們服務(wù)。單片機(jī)在工業(yè)控制、尖端武器、通信設(shè)備、信息處理、家用電器等各測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用中獨(dú)占鰲頭。時(shí)下，家用電器和辦公設(shè)備的智能化、遙控化、基于單片機(jī)的溫度測(cè)控系統(tǒng)在溫室大

21、棚中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)模糊控制化己成為世界潮流，而這些高性能無(wú)一不是靠單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　1.3溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀</p><p>　　近年來(lái)，溫度的檢測(cè)在理論上發(fā)展比較成熟，但在實(shí)際測(cè)量和控制中，如何保證快速實(shí)時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對(duì)所測(cè)溫度場(chǎng)進(jìn)行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問(wèn)題。溫度測(cè)控技術(shù)包括溫度測(cè)量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個(gè)方面。</

22、p><p>　　在溫度的測(cè)量技術(shù)中，接觸式測(cè)溫發(fā)展較早，這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單、可靠、低廉、測(cè)量精度較高，一般能夠測(cè)得真實(shí)溫度；但由于檢測(cè)元件熱慣性的影響，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)熱容量小的物體難以實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，并且該方法不適宜于對(duì)腐蝕性介質(zhì)測(cè)溫，不能用于超高溫測(cè)量，難于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度。另外的非接觸式測(cè)溫方法是通過(guò)對(duì)輻射能量的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的方法，其優(yōu)點(diǎn)是：不破壞被測(cè)溫場(chǎng)，可以測(cè)量熱容量小的物體，適于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物

23、體的溫度，還可以測(cè)量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。但也存在測(cè)量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。因此，在實(shí)際的溫度測(cè)量中，要根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象選擇合適的測(cè)量方法，在滿足測(cè)量精度要求的前提下盡量減少投入[1]。</p><p>　　溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)的不同可分為兩類：動(dòng)態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。動(dòng)態(tài)溫度跟蹤實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對(duì)象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進(jìn)行變化

24、。在工業(yè)生產(chǎn)中很多場(chǎng)合需要實(shí)現(xiàn)這一控制目標(biāo)，如在發(fā)酵過(guò)程控制，化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)溫度控制，冶金工廠中燃燒爐中的溫度控制等;恒值溫度控制的目的是使被控對(duì)象的溫度恒定在某一給定數(shù)值上，且要求其波動(dòng)幅度(即穩(wěn)態(tài)誤差)不能超過(guò)某允許值。本文所討論的基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控箱的恒值溫度控制要求，故以下僅對(duì)恒值溫度控制進(jìn)行討論。</p><p>　　從工業(yè)控制器的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，溫度控制技術(shù)大致可分以下幾種：

25、</p><p>　　1.3.1定值開(kāi)關(guān)控溫法</p><p>　　所謂定值開(kāi)關(guān)控溫法，就是通過(guò)硬件電路或軟件計(jì)算判別當(dāng)前溫度值與設(shè)定目標(biāo)溫度值之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)加熱裝置(或冷卻裝置)進(jìn)行通斷控制。若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值高，則關(guān)斷加熱器，或者開(kāi)動(dòng)制冷裝置;若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開(kāi)啟加熱器并同時(shí)關(guān)斷制冷器。這種開(kāi)關(guān)控溫方法比較簡(jiǎn)單，在沒(méi)有計(jì)算機(jī)參與的情況下，用很簡(jiǎn)單的模擬電路就

26、能夠?qū)崿F(xiàn)。目前，采用這種控制方法的溫度控制器在我國(guó)許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用。</p><p>　　由于這種控制方式是當(dāng)系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點(diǎn)時(shí)關(guān)斷電源，當(dāng)系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點(diǎn)時(shí)開(kāi)通電源，因而無(wú)法克服溫度變化過(guò)程的滯后性，致使被控對(duì)象溫度波動(dòng)較大，控制精度低，完全不適用于高精度的溫度控制。</p><p>　　1.3.2PID線性控溫法</p><p>　　這種

27、控溫方法是基于經(jīng)典控制理論中的PID調(diào)節(jié)器控制原理，PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用工業(yè)過(guò)程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。由于PID調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差、誤差變化及誤差積累三個(gè)因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開(kāi)關(guān)控溫。其具體控制電路可以采用模擬電路或計(jì)算機(jī)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)功能。前者稱為模擬PID控制器，后者稱為數(shù)字PID控制器。其中數(shù)

28、字PID控制器的參數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。采用這種方法實(shí)現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個(gè)PID參數(shù)（比例值、積分值、微分值）。只要PID參數(shù)選取的正確，對(duì)于一個(gè)確定的受控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其控制精度是比較令人滿意的。但是，它的不足也恰恰在于此，當(dāng)對(duì)象特性一旦發(fā)生改變，三個(gè)控制參數(shù)也必須相應(yīng)地跟著改變，否則其控制品質(zhì)就難以得到保證。</p><p>　　1.3.

29、3智能溫度控制法</p><p>　　為了克服PID線性控溫法的弱點(diǎn)，人們相繼提出了一系列自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)的方法，如PID參數(shù)的自學(xué)習(xí)，自整定等等。并通過(guò)將智能控制與PID控制相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)溫度的智能控制。智能控溫法以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，并適當(dāng)加以專家系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化。其中應(yīng)用較多的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專家系統(tǒng)等。尤其是模糊控溫法在實(shí)際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊

30、控制器，可以很好的模擬人的操作經(jīng)驗(yàn)來(lái)改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。所謂第三代智能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的具有自適應(yīng)PID算法的溫度控制儀表。目前國(guó)內(nèi)溫控儀表的發(fā)展，相對(duì)國(guó)外而言在性能方面還存在一定的差距，它們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國(guó)內(nèi)溫控儀在全量程范圍內(nèi)溫度控制精度比較低，自適應(yīng)性較差。這種不足的原因是多方面造成的，如針對(duì)不同的被控對(duì)象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定。

31、</p><p>　　第二章 模糊PID控制理論</p><p><b>　　2.1PID控制器</b></p><p>　　2.1.1PID控制的發(fā)展</p><p>　　PID控制策略是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，現(xiàn)金使用的PID控制器產(chǎn)生并發(fā)展于1915-1940年期間盡管自1940年以來(lái)，許多先進(jìn)的控制方法不斷

32、的推出，但由于PID控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定，P、I、D控制規(guī)律各自成獨(dú)立環(huán)節(jié)，可根據(jù)工業(yè)過(guò)程進(jìn)行組合，而且其應(yīng)用時(shí)期較長(zhǎng)，控制工程師們已經(jīng)積累大量的PID控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)。因此，PID控制器在工業(yè)控制中仍然得到廣泛的應(yīng)用，許多工業(yè)控制器仍然采用PID控制器。</p><p>　　PID控制器的發(fā)展經(jīng)歷了液動(dòng)式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式幾個(gè)階段，目前正由模擬控制器向著數(shù)字化、智能化控制器的方向

33、發(fā)展[3]。</p><p>　　2.1.2PID控制理論</p><p>　　PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)：</p><p><b>　　式（2-1）</b></p><p>　　將偏差e(t)的比例(Proportional)、積分(Integral)和微

34、分(Derivative)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，因此稱為PID控制，PID控制系統(tǒng)原理如圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1 PID控制系統(tǒng)原理圖</p><p><b>　　其控制規(guī)律為</b></p><p><b>　　式（2-2）</b></p><p>　　

35、或者寫成傳遞函數(shù)形式為</p><p><b>　　式（2-3）</b></p><p>　　式2-3中：比例系數(shù)；：積分時(shí)間常數(shù)；：微分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：</p><p>　?。?）比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，

36、以減少偏差；</p><p>　?。?）積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。；</p><p>　　（3）微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并且能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間[5]。</p><p>　　2.1.3PID控制算法</p><p>　　由

37、于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此，式2-3中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理現(xiàn)令T為采樣周期，以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)KT代表連續(xù)時(shí)間t，以累加求和近似代替積分以一階后向差分近似代替微分做如下的近似變換[2]：</p><p><b>　　式（2-4）</b></p><p><b>　　式（2-5）<

38、;/b></p><p><b>　　式（2-6）</b></p><p>　　其中，T為采樣周期，e(k)為系統(tǒng)第k次采樣時(shí)刻的偏差值，e(k-l)為系統(tǒng)第(k-l)次采樣時(shí)刻的偏差值，k為采樣序號(hào)，k=0，1，2，…。</p><p>　　將上面的式2-4和式2-5代入式2-6則可以得到離散的PID表達(dá)式：</p>&l

39、t;p><b>　　式（2-7）</b></p><p>　　如果采樣周期了足夠小，該算式可以很好的逼近模擬PID算式，因而使被控過(guò)程與連續(xù)控制過(guò)程十分接近。通常把式2-7稱為PID的位置式控制算法。</p><p>　　若在式2-7中，令：</p><p><b>　?。ǚQ為積分系數(shù)）</b></p>

40、<p><b>　　(稱為微分系數(shù)）</b></p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　式（2-8）</b></p><p>　　(2-8)式即為離散化的位置式PID控制算法的編程表達(dá)式?？梢钥闯?，每次輸出與過(guò)去的所有狀態(tài)都有關(guān)，要想計(jì)算u(k)，不僅涉及e(k)

41、和e(k-l)，且須將歷次e(j)相加，計(jì)算復(fù)雜，浪費(fèi)內(nèi)存。下面，推導(dǎo)計(jì)算較為簡(jiǎn)單的遞推算式。為此，對(duì)(2-8)式作如下的變動(dòng)：</p><p>　　考慮到第（k-1）次采樣時(shí)有：</p><p><b>　　式（2-9）</b></p><p>　　使（2-8）兩邊對(duì)應(yīng)減去（2-9）式得</p><p><b&g

42、t;　　整理后得</b></p><p><b>　　式（2-10）</b></p><p><b>　　其中：；； </b></p><p>　　式（2-10）就是PID位置式的遞推形式</p><p><b>　　如果令，則：</b></p>&l

43、t;p><b>　　式（2-11）</b></p><p>　　式中、、同式（2-10）中一樣。</p><p>　　因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)控制中式中、、都可以事先求出，所以，實(shí)際控制時(shí)只須獲得 、、三個(gè)有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制輸出對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的增量，故(2-11)式通常被稱為PID控制的增量式算式[3]。增量式PID控制算法與位置式控制算法比較，

44、有如下的一些優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　（1）位置式算法每次輸出與整個(gè)過(guò)去狀態(tài)有關(guān)，算式中要用到過(guò)去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累計(jì)誤差。而增量式中只須計(jì)算增量，控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，當(dāng)存在計(jì)算誤差或者精度不足時(shí)，對(duì)控制量的影響較小，且較容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；</p><p>　?。?）由于計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，所以誤動(dòng)作影響小，而且必要時(shí)可以用邏輯判斷

45、的方法去掉，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行有利；</p><p>　?。?）手動(dòng)與自動(dòng)切換時(shí)沖擊比較小[5]。</p><p><b>　　2.2模糊控制原理</b></p><p>　　2.2.1模糊控制系統(tǒng)的基本概念</p><p>　　在人參與的實(shí)際控制系統(tǒng)中，人們發(fā)現(xiàn)，有些有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，雖然不懂被控對(duì)象或者被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型

46、，也不懂自動(dòng)控制的基本原理，卻能憑借經(jīng)驗(yàn)采取相應(yīng)的決策，很好的完成控制工作，如圖2-2是典型的人機(jī)控制系統(tǒng)框圖[4]。</p><p>　　圖2-2 典型人機(jī)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　操作者根據(jù)儀表顯示的信息（包括聲、光、及數(shù)字信息），獲得系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，然后操作者根據(jù)自己以往的經(jīng)驗(yàn)和積累的知識(shí)，做出相應(yīng)的決策，并對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行運(yùn)作，在這個(gè)系統(tǒng)中，儀表的信息都是精確量，通過(guò)人的感

47、官傳入操作者的大腦，然后在腦中形成具有模糊性的概念，然后操作者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行模糊決策。</p><p>　　顯然，這種人機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行的控制是一種模糊控制，人們?yōu)榱四M這種控制過(guò)程，設(shè)計(jì)了一種以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，模糊控制系統(tǒng)的工作過(guò)程同人機(jī)控制系統(tǒng)一樣，都是一種模糊控制，只不過(guò)模糊控制系統(tǒng)中的決策者是模糊控制器。模糊控制器將根據(jù)輸入的信息進(jìn)行模糊決策，輸出一個(gè)模糊量，然后將它精確化，并作用于被控對(duì)象。這樣

48、即使一個(gè)控制過(guò)程出現(xiàn)了問(wèn)題，其他的規(guī)則往往可以補(bǔ)償，此時(shí)的系統(tǒng)可能不是最佳控制，但是仍然會(huì)正常工作。</p><p>　　2.2.2模糊控制系統(tǒng)的組成</p><p>　　模糊控制系統(tǒng)如圖2-3所示[10]</p><p>　　圖2-3 模糊控制系統(tǒng)</p><p>　　模糊控制系統(tǒng)一般可以分為五個(gè)部分： </p><p

49、>　?。?）模糊控制器。它是各類模糊控制系統(tǒng)的核心部分。由于被控對(duì)象的不同，以及對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的要求和所應(yīng)用的控制規(guī)則各異，可以構(gòu)成各種類型的控制器，在模糊控制理論中，則采用基于模糊控制的知識(shí)表示和規(guī)則推理的語(yǔ)言型“模糊控制器”，這也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他控制系統(tǒng)的特點(diǎn)所在。模糊控制器的主要功能有三個(gè)：模糊量化處理；模糊推理（決策）；非模糊化處理（精確化處理）。</p><p>　　（2）輸入-輸出

50、接口。模糊控制器通過(guò)輸入-輸出接口從被控對(duì)象獲取數(shù)字信號(hào)量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，然后送給被控對(duì)象。在I/O接口裝置中，除了A/D、D/A轉(zhuǎn)換外，還包括必要的電平轉(zhuǎn)換。</p><p>　?。?）執(zhí)行結(jié)構(gòu)。包括各種交、直流電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。</p><p>　　（4）被控對(duì)象。它可以是一種設(shè)備或裝置以及它們的群體，也可以是一個(gè)生產(chǎn)的、

51、自然的、社會(huì)的、生物的或其他的各種的對(duì)象過(guò)程。這些被控對(duì)象可以是確定性的或是不確定的、單變量的或多變量的、有滯后或是無(wú)滯后的，也可以是線性或非線性的、定常或時(shí)變的以及具有強(qiáng)耦合的和干擾的等多種情況。對(duì)于那些難以監(jiān)理精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對(duì)象，更適宜采用模糊控制。</p><p>　?。?）檢測(cè)裝置。即傳感器，傳感器是將被控對(duì)象或各種過(guò)程的被控量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（模擬或數(shù)字）的一類裝置。被控量往往是非電量，如速度、加速度、

52、溫度、壓力等。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個(gè)模糊控制系統(tǒng)的精度，因此，在選擇傳感器時(shí)，應(yīng)十分注意選擇精度高且穩(wěn)定性好的傳感器。</p><p>　　2.2.3模糊控制的基本原理</p><p>　　模糊控制的基本原理如圖2-4所示，它的核心部分為模糊控制器，即圖中線框內(nèi)部[9]。</p><p>　　圖2-4 模糊控制原理框圖

53、</p><p>　　模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)，模糊控制的基本思想是：微機(jī)經(jīng)中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到偏差信號(hào)e。一般選偏差信號(hào)e作為模糊控制器的一個(gè)輸入量，把偏差信號(hào)e的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量，偏差e的模糊量可以用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示，得到偏差e的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集。再由模糊子集、模糊控制規(guī)則（模糊關(guān)系）和前項(xiàng)推理進(jìn)行模糊推理，得到模糊控制量為：u=E*R，式中

54、u為一個(gè)模糊量。</p><p>　　為了對(duì)被控對(duì)象施加精確的控制，還需要將模糊量u轉(zhuǎn)換為精確量，這一步驟稱為解模糊（也稱清晰化）。得到了精確的數(shù)字控制量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變?yōu)榫_的模擬量送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行一步控制。然后中斷，等待第二次采樣，進(jìn)行第二步控制，這樣循環(huán)下去，就實(shí)現(xiàn)了都被控對(duì)象的模糊控制。</p><p>　　綜上所述，模糊控制過(guò)程可概括為以下四個(gè)步驟：</p>

55、;<p>　?。?）根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)的輸出值，計(jì)算所選擇系統(tǒng)的輸入變量；</p><p>　?。?）將輸入變量的精確值變?yōu)槟：浚?lt;/p><p>　?。?）根據(jù)輸入變量（模糊量）及模糊控制規(guī)則，按照模糊推理合成規(guī)則推理計(jì)算輸出控制量（模糊量）；</p><p>　　（4）由上述得到的控制量（模糊量），并作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)。</p>&

56、lt;p>　　2.3模糊PID復(fù)合控制算法</p><p>　　2.3.1模糊PID復(fù)合算法</p><p>　　由于PID算法只有在系統(tǒng)為非時(shí)變的情況下才能獲得較理想的效果，當(dāng)一個(gè)調(diào)整好參數(shù)的PID控制器被應(yīng)用到模型參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)，系統(tǒng)控制性能會(huì)變差，甚至不穩(wěn)定。而Fuzzy控制雖然對(duì)被控對(duì)象的時(shí)滯性、非線性和時(shí)變性具有一定的適應(yīng)能力，同時(shí)對(duì)噪聲也具有較強(qiáng)的抑制能力，但消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤

57、差的能力較弱，難以達(dá)到較高的控制精度。因此單純采用模糊控制都不會(huì)取得較好的控制效果。本文采用Fuzzy-PID復(fù)合控制溫度可以克服上述兩種方法的缺點(diǎn)。</p><p>　　Fuzzy-PID控制是在一般PID控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加上一個(gè)環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)誤差E和誤差變化Ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的E和Ec對(duì)參數(shù)要求。</p><p>　　Fuz

58、zy-PID控制器是在常規(guī)PID的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Fuzzy集合理論建立參數(shù)、、與誤差變化間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系為：</p><p><b>　　，，</b></p><p>　　并根據(jù)不同的E和Ec在線自整定參數(shù)、、的控制器。</p><p>　　PID參數(shù)自整定在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè)E和Ec，根據(jù)不同的E、Ec在線自整、、參數(shù)，以滿足不同時(shí)對(duì)控制參

59、數(shù)的不同要求，使被控對(duì)E和時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。PID參數(shù)模糊自整定控制原理如圖所示。</p><p>　　圖2-5 PID模糊自整定控制原理圖 </p><p>　　2.3.2模糊PID算法運(yùn)用</p><p><b>　?。?）模糊化處理</b></p><p>　　將系統(tǒng)誤差

60、和誤差變化率變化范圍定義為模糊集上的論域：E，Ec-[-5,5]，其模糊子集為：E，Ec-｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝。</p><p>　　子集中元素分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。設(shè)E，Ec隸屬函數(shù)取“三角形”隸屬函數(shù)，如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 E、Ec隸屬函數(shù)</p><p>　　、、的論域?yàn)閇0,1]

61、，均服從正態(tài)分布，隸屬函數(shù)如圖2-7 所示。</p><p>　　圖2-7 、、隸屬函數(shù)</p><p><b>　?。?）建立模糊規(guī)則</b></p><p>　　Fuzzy-PID是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差E和誤差變化率EC，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。建立、、的模糊控制規(guī)則表分別如表2-1、2

62、-2和2-3所示。</p><p>　　表2-1 的模糊規(guī)則表</p><p><b>　?。?）去模糊化</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)模糊推理后，模糊PID控制器整定的3個(gè)修正參數(shù)進(jìn)行去模糊化處理，取得精確量以計(jì)算輸出控制量。去模糊化的過(guò)程是把推理系統(tǒng)輸出的模糊集合映射成精確量輸出，采用面積中模糊中心法解模糊。</p>&

63、lt;p>　??； ； 。</p><p>　　表2-2 的模糊規(guī)則表</p><p>　　表2-3 的模糊規(guī)則表</p><p><b>　?。?）確定參數(shù)</b></p><p>　　、、經(jīng)去模糊處理后，、、最終通過(guò)以下公式得到：</p><p>　　其中、、、由以下

64、公式得到：</p><p><b>　　， </b></p><p><b>　　， </b></p><p>　　式中：為比例控制下等幅振蕩時(shí)的比例增益；為比例控制下等幅振蕩時(shí)振蕩周期[8]。</p><p>　　第三章 模糊PID溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p

65、>　　3.1系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成</p><p>　　模糊PID溫度控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)控制模塊，溫度采集模塊，溫度顯示模塊，溫度上下限調(diào)整模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和外部存儲(chǔ)模塊等六大部分。系統(tǒng)總體框圖如圖3-1所示[5]。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　（1）單片機(jī)控制模塊：它是系統(tǒng)的核心模塊，用來(lái)控制其他各個(gè)模塊的工作情況。&l

66、t;/p><p>　?。?）溫度采集模塊：該模塊用來(lái)采集控制對(duì)象的溫度，并輸入到單片機(jī)中。</p><p>　?。?）溫度設(shè)定模塊：用來(lái)設(shè)定所需求的溫度。</p><p>　　（4）溫度超限報(bào)警模塊：當(dāng)溫度高于上限或者低于下限時(shí)，該模塊啟動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)交流。</p><p>　?。?）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：該模塊分為兩個(gè)部分；加熱裝置與散熱裝置。&

67、lt;/p><p>　　（6）外部存儲(chǔ)模塊：用來(lái)存儲(chǔ)設(shè)定溫度的上限值和下限值。</p><p>　?。?）溫度顯示模塊：顯示當(dāng)前設(shè)定的溫度值。</p><p>　　3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及系統(tǒng)總電路圖</p><p>　　3.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則</p><p>　　要求單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性高、操作維護(hù)方便、性價(jià)比高等特點(diǎn)[4

68、]。</p><p><b>　　l.可靠性</b></p><p>　　高可靠性是單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的前提，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都應(yīng)該將可靠性作為首要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個(gè)方面考慮：使用可靠性高的元器件；設(shè)計(jì)電路板時(shí)布線和接地要合理；對(duì)供電電源采用抗干擾措施；.輸入輸出通道抗干擾措施；進(jìn)行軟硬件濾波；系統(tǒng)自診斷功能等。</p>&l

69、t;p><b>　　2.操作維護(hù)方便</b></p><p>　　在系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從操作者的角度考慮操作和維護(hù)方便，盡量減少對(duì)操作人員專用知識(shí)的要求，以利于系統(tǒng)的推廣。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能減少人機(jī)交互接口，多采用操作內(nèi)置或簡(jiǎn)化的方法。同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)配有現(xiàn)場(chǎng)故障診斷程序，一旦發(fā)生故障能保證有效地對(duì)故障進(jìn)行定位，以便進(jìn)行維修。</p><p><b>

70、;　　3.性價(jià)比</b></p><p>　　單片機(jī)除體積小、功耗低等特點(diǎn)外，最大的優(yōu)勢(shì)在于高性能價(jià)格比。一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能否被廣泛使用，性價(jià)比是其中一個(gè)關(guān)鍵因素。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，除了保持高性能外，盡可能降低成本，如簡(jiǎn)化外圍硬件電路，在系統(tǒng)性能和速度允許的情況下盡可能用軟件功能取代硬件功能等。</p><p>　　3.2.2系統(tǒng)總電路圖</p><p>

71、;　　系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖[11]如圖3-2所示</p><p>　　圖3-2 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖</p><p>　　3.3 單片機(jī)的選擇</p><p>　　本文選用AT89C51單片機(jī)，AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能C

72、MOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈

73、活性高且價(jià)廉的方案。</p><p><b>　　主要特性：</b></p><p>　　與MCS-51 兼容</p><p>　　4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器</p><p>　　壽命：1000寫/擦循環(huán)</p><p>　　數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年</p><p>　　全靜態(tài)工

74、作：0Hz-24MHz</p><p><b>　　三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定</b></p><p>　　128×8位內(nèi)部RAM </p><p><b>　　32可編程I/O線</b></p><p>　　兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)</p><p><b>　　5

75、個(gè)中斷源</b></p><p><b>　　可編程串行通道</b></p><p>　　低功耗的閑置和掉電模式</p><p>　　片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 </p><p>　　圖3-6 AT89C51單片機(jī)示意圖</p><p><b>　　管腳說(shuō)明：</b>

76、</p><p><b>　　VCC：供電電壓。</b></p><p><b>　　GND：接地。</b></p><p>　　P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIAS

77、H編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。</p><p>　　P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。</p><p>

78、;　　P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P

79、2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。    </p><p>　　P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。</p><p>　　RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩

80、器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)當(dāng)8051通電，時(shí)鐘電路開(kāi)始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計(jì)數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開(kāi)始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)。 </p><p>

81、;　　ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該

82、引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。</p><p>　　PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。</p><p>　　EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式

83、1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。</p><p>　　XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。</p><p>　　XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。</p><p>　　振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該

84、反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。</p><p>　　芯片擦除：整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字

85、節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。</p><p>　　此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。</p><p>　　3.4溫度傳感器的選擇</p>

86、<p>　　3.4.1DS18B20簡(jiǎn)介</p><p>　　本文選用DS18B20傳感器，DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種數(shù)字化單總線器件，屬于新一代適配微處理器的改進(jìn)型智能溫度傳感器。使用DS1SB20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。同時(shí)其“一線總線”獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入了全新的概念。其測(cè)量溫度范圍為-5

87、5℃～+125℃，在-10℃~85℃范圍內(nèi)，精度為土0.5℃?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。因此，數(shù)字化單總線器件DS18B20適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。它在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS18B20都有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來(lái)了更方便和更令人滿意的效果?？蓮V泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫

88、度測(cè)量及控制儀器、測(cè)控系統(tǒng)和大型設(shè)備中[5]。</p><p>　　本文所用DS18B20，與單片機(jī)的P1.7引腳相連。如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 DS18B20與單片機(jī)連線圖</p><p>　　3.4.2DS18B20的性能特點(diǎn)</p><p>　?。?）采用DALLAS公司獨(dú)特的單線接口方式：DS18B20與微處理

89、器連僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DSI8B20的雙向通訊。</p><p>　?。?）在使用中不需要任何外圍元件。</p><p>　?。?）可用數(shù)據(jù)線供電，供電電壓范圍+3.0V~5.5V</p><p>　?。?）測(cè)溫范圍:-55℃~125℃。固有測(cè)溫分辨率為0.5℃。當(dāng)在-10℃~+85℃范圍內(nèi)，可確保測(cè)量誤差不超過(guò)0.5℃，在-55℃~+125℃范圍內(nèi)，

90、測(cè)量誤差也不超過(guò)2℃。</p><p>　?。?）通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)9~12位的數(shù)字讀數(shù)方式。</p><p>　?。?）用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。</p><p>　?。?）支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。</p><p>　　（8）負(fù)壓特性，即具有電源反接保護(hù)電路。當(dāng)電源電壓的極性反接時(shí)，能

91、保護(hù)DS18B20不會(huì)因發(fā)熱而燒毀。但此時(shí)芯片無(wú)法正常工作。</p><p>　?。?）DS18B20的轉(zhuǎn)換速率比較高，進(jìn)行9位的溫度轉(zhuǎn)換僅需93.75ms。</p><p>　?。?0）適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)。</p><p>　?。?1）內(nèi)含64位激光修正的只讀存儲(chǔ)ROM，扣除8位產(chǎn)品系列號(hào)和8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)之后，產(chǎn)品序號(hào)占48位。出廠前產(chǎn)品序號(hào)存入其

92、ROM中。在構(gòu)成大型溫控系統(tǒng)時(shí)，允許在單線總線上掛接多片DS18B20。</p><p>　　3.4.3DS18B20的管腳排列</p><p>　　DS18B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝。其管腳排列如圖3-3所示</p><p>　　圖3-3 DS18B20的管腳排列</p><p>　　I/O為數(shù)據(jù)輸入/輸出端(即單線總線

93、)，它屬于漏極開(kāi)路輸出，外接上拉電阻后，常態(tài)下呈高電平。UDD是可供選用的外部電源端，不用時(shí)接地，GND為地，NC空腳。</p><p>　　3.4.4DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2-6所示。它主要包括7部分：1、寄生電源;2、溫度傳感器；3、64位激光(loser)ROM與單線接口；4、高速暫存器，即便筏式RAM，用于存放中間數(shù)據(jù):5、T

94、H觸發(fā)寄存器和TL觸發(fā)寄存器，分別用來(lái)存儲(chǔ)用戶設(shè)定的溫度上下限值；6、存儲(chǔ)和控制邏輯；7、8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)發(fā)生器。</p><p>　　圖3-4 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.4.5DS18B20的測(cè)溫原理</p><p>　　DS18B20的測(cè)溫原理如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 DS18

95、B20的內(nèi)部測(cè)溫電路原理圖</p><p>　　圖3-5中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率隨溫度變化而明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開(kāi)時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來(lái)決定，每次測(cè)量前，首先將-55℃所對(duì)應(yīng)

96、的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性，

97、其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值，這就是DS18B20的測(cè)溫原理。</p><p><b>　　3.5數(shù)碼管輸出</b></p><p>　　數(shù)碼管在儀器儀表中主要是顯示單片機(jī)的輸出數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，因而，作為外圍典型器件，數(shù)碼管顯示是反映系統(tǒng)輸出和操縱輸入的有效器件。數(shù)碼管具備數(shù)字接口，可以很方便的和單片

98、機(jī)系統(tǒng)連接;數(shù)碼管的體積小、輸出內(nèi)容的器件重量輕，并且功耗低，是一種理想的顯示單片機(jī)數(shù)據(jù)在單片機(jī)系統(tǒng)中有著重要的作用。按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動(dòng)電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將所有要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制LED，直到下一次顯示時(shí)再傳送一次新的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的CPU時(shí)間少。靜態(tài)顯示中，每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O接口，該接口用于筆劃段字型代碼。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字

99、形代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示發(fā)送的字形。要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)在發(fā)送新的字形碼。另一種方法是動(dòng)態(tài)掃描顯示。動(dòng)態(tài)掃描方法是用其接口電路把所有顯示器的8個(gè)筆畫段A-H同名端連在一起，而每一個(gè)顯示器的公共極COM各自獨(dú)立的受I/O線控制。CPU向字段輸出口送出字形碼時(shí)，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是哪個(gè)顯示器亮，則取決于COM段，而這一段是由I/O控制的，由單片機(jī)決定何時(shí)顯示哪一位</p><p>

100、　　動(dòng)態(tài)掃描用分時(shí)的方法輪流控制各個(gè)顯示器的COM端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮。在輪流點(diǎn)亮掃描過(guò)程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間極為短暫，但由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，占用很少的CPU時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，使用的電路硬件較多；動(dòng)態(tài)顯示需要CPU時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的CPU時(shí)間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。本顯示

101、系統(tǒng)采用共陽(yáng)極靜態(tài)掃描顯示輸出，如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8 單個(gè)數(shù)碼管連接圖</p><p><b>　　3.6鍵盤接口電路</b></p><p>　　鍵盤是人工干預(yù)計(jì)算機(jī)的主要手段，輸入數(shù)據(jù)、查詢及控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，都要用到鍵盤。</p><p>　　微型計(jì)算機(jī)所用的鍵盤可分為編碼鍵盤和非編碼

102、鍵盤兩種。編碼鍵盤采用硬件線路來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤編碼，每按下一個(gè)鍵，鍵盤能自動(dòng)生成按鍵代碼，鍵數(shù)較多，而且還具有去抖動(dòng)功能，這種鍵盤使用方便，但硬件較復(fù)雜，PC機(jī)所用的鍵盤就屬于這種。非編碼鍵盤僅提供按鍵開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，其他工作由軟件完成，這種鍵盤鍵數(shù)較少，硬件簡(jiǎn)單，一般在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛用。</p><p>　　按鍵盤與CPU的連接方式可以分為獨(dú)立式按鍵和矩陣式鍵盤，本系統(tǒng)采用獨(dú)立式鍵盤，分為三個(gè)獨(dú)立鍵盤：模式切換鍵

103、、溫度上下限增加鍵、溫度上下限減少鍵，鍵盤接口電路如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-9 鍵盤接口電路圖</p><p><b>　　3.7蜂鳴電路</b></p><p>　　蜂鳴電路用于在溫度超出設(shè)定值范圍時(shí)提供聲音報(bào)警，它由單片機(jī)的P2.3引腳控制。蜂鳴電路如圖3-10所示</p><p>　　圖3-10

104、 蜂鳴電路</p><p><b>　　3.8外部存儲(chǔ)模塊</b></p><p>　　外部存儲(chǔ)模塊采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗CMOS型E2PROM器件AT24C02B,它內(nèi)含256×8位存儲(chǔ)空間,具有工作電壓寬(2.5～5.5 V)、擦寫次數(shù)多(大于10000次)、寫入速度快(小于10ms)、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)不易丟失、體積小等特點(diǎn)。它采用了I2

105、C總線規(guī)程,使主/從機(jī)雙向通信。主機(jī)通過(guò)SCL引腳產(chǎn)生串行時(shí)鐘信號(hào)并發(fā)出控制字,控制總線數(shù)據(jù)傳送的開(kāi)始、方向和停止。無(wú)論是主機(jī)還是從機(jī),接收到一個(gè)字節(jié)后必須發(fā)出一個(gè)確認(rèn)信號(hào)。AT24C02B占用很少的資源和I/O線,并且支持在線編程,數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存取十分方便。它由單片機(jī)的P2.6、P2.7引腳控制，WP口接地，AT24C02B與單片機(jī)連線圖如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-11 AT24C02B與單片機(jī)

106、連接圖</p><p><b>　　3.9電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊</b></p><p>　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路如圖3-12所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由單片機(jī)的P3.3、3.7引腳控制、控制電路模塊分為制冷和加熱模塊，當(dāng)測(cè)得溫度小于實(shí)際溫度時(shí)，通過(guò)光電耦合器啟動(dòng)加熱裝置，使被控對(duì)象升溫；當(dāng)測(cè)得實(shí)際溫度大于實(shí)際溫度時(shí)，啟動(dòng)制冷裝置，使被控對(duì)象降溫，從而保持溫度始終在設(shè)定溫度左右。</

107、p><p>　　圖3-12 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊電路</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.1主程序模塊</b></p><p>　　主程序模塊要做的主要工作是上電后對(duì)系統(tǒng)初始化和構(gòu)建系統(tǒng)整體軟件框架，其中初始化包括對(duì)單片機(jī)的初始化和串口初始化等。然后等待溫度設(shè)定，若溫度已經(jīng)設(shè)定好了，判斷

108、系統(tǒng)運(yùn)行鍵是否按下，若系統(tǒng)運(yùn)行，則依次調(diào)用各個(gè)相關(guān)模塊，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運(yùn)行。主程序模塊的程序流程圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 主程序流程圖</p><p>　　4.2溫度傳感器DS18B20模塊</p><p>　　首先系統(tǒng)通過(guò)反復(fù)操作，搜索DS18B20序列號(hào)，然后啟動(dòng)所有在線DS18B20做溫度A/D變換，最后逐個(gè)讀出在線DS18B2

109、0變換后的數(shù)據(jù)，DS18B20程序流程圖如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 DS18B20總體操作流程圖</p><p>　　DS18B20子程序設(shè)計(jì)見(jiàn)附錄一。</p><p>　　4.3LED顯示模塊</p><p>　　LED顯示方式包括有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)顯示兩種，為了減少硬件成本，采用動(dòng)態(tài)顯相同字段線連在一起，每一位a段連在一起

110、，b段連在一起，…，g段連在一起，共8段，由一個(gè)8位I/O口的公共端（共陽(yáng)或共陰COM）由另一個(gè)I/O口控制。</p><p>　　由于這種連接方式將每位相同的字段線連在一起，當(dāng)輸出字段碼時(shí)，每一位將顯示相同內(nèi)容，因此，想要顯示不同的內(nèi)容，必須采取輪流顯示的方式。即在某一瞬時(shí)，只讓某一位的字位線處于選通狀態(tài)，其他各位的字位線處于開(kāi)斷狀態(tài)，同時(shí)字段線上輸出該位要顯示的相應(yīng)字符的字段碼。在這一瞬時(shí)，只有這一位在顯示，

111、其他幾位暗。同樣在下一瞬間，單獨(dú)顯示下一位，這樣依次循環(huán)掃描，輪流顯示，由于人的視覺(jué)滯留效應(yīng)，人們看到的是多位同時(shí)穩(wěn)定顯示。</p><p>　　動(dòng)態(tài)掃描顯示電路的特點(diǎn)是占用I/O端線少；電路較簡(jiǎn)單，硬件成本低；編程較復(fù)雜。CPU要定時(shí)掃描刷新顯示。當(dāng)要求顯示位數(shù)較多時(shí)，通常采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式。LED顯示模塊流程圖如4-3圖所示。</p><p>　　圖4-3 LED顯示模塊流程圖&l

112、t;/p><p>　　LED顯示模塊相關(guān)子程序見(jiàn)附錄一。</p><p><b>　　4.4鍵盤控制模塊</b></p><p>　　在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，對(duì)鍵盤的處理工作僅是CPU工作內(nèi)容的一部分，CPU還要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示和其他輸入輸出操作，因此鍵盤處理工作不能占用CPU太多時(shí)間，同時(shí)又需要對(duì)鍵盤操作給出及時(shí)響應(yīng)。CPU對(duì)鍵盤處理控制的工作方式

113、有以下幾種：程序控制掃描方式、定時(shí)控制掃描方式、中斷控制方式。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)選用的是程序控制掃描方式，即在CPU工作之余，調(diào)用鍵盤掃描子程序、響應(yīng)輸入信號(hào)要求。程序控制掃描方式的鍵處理程序固定在主程序的某個(gè)程序段。當(dāng)主程序進(jìn)行到該程序段時(shí)，依次掃描鍵盤，判斷有否鍵輸入。若有，則計(jì)算按鍵編號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)的鍵功能子程序。這種工作方式，對(duì)CPU工作影響小，但應(yīng)考慮鍵盤處理程序的運(yùn)行間隔周期不能太長(zhǎng)，否則會(huì)