基于單片機的空調(diào)機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計含完整程序

1、<p>　　空調(diào)機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本設(shè)計以AT89S51單片機為核心的溫度控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計方法。溫度信號由溫度芯片DS18B20采集，并以數(shù)字信號的方式傳送給單片機。文中介紹了該控制系統(tǒng)的硬件部分，包括：溫度檢測電路、溫度控制電路、PC機與單片機串口通訊電路和一些接口電路 。單片機通過

2、對信號進行相應(yīng)處理，從而實現(xiàn)溫度控制的目的。文中還著重介紹了軟件設(shè)計部分，在這里采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要模塊有：數(shù)碼管顯示程序、鍵盤掃描及按鍵處理程序、溫度信號處理程序、繼電器控制程序、超溫報警程序。</p><p>　　空調(diào)機的溫度控制對于工業(yè)和日常生活等工程都具有廣闊的應(yīng)用前景。本文將傳統(tǒng)控制理論與智能控制理論相結(jié)合應(yīng)用于溫度控制的實際工程中。首先，設(shè)計出系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，然后，從熱力學(xué)的角度對溫度對象的特性做了較

3、深入的分析，從理論上推導(dǎo)出溫度對象的常用的一階帶純滯后的近似數(shù)學(xué)模型，并給出了數(shù)學(xué)模型中各參數(shù)的含義。在此基拙上，本文分析了現(xiàn)有空調(diào)機控制方法的利弊，并針對它們各自的優(yōu)、缺點，對具有純滯后特性的溫度對象提出一種改進的模糊控制方法。該方法將模糊控制、PID控制結(jié)合起來。通過數(shù)字仿真表明該方法對空調(diào)機溫度的控制具有超調(diào)小(可達到無超調(diào))、調(diào)節(jié)時間短、魯棒性好等優(yōu)點。在此基拙上，用階躍信號做激勵，辨識出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。本文的最后，通過對實物實

4、驗結(jié)果可以看出，本文所提出的改進的模糊控制算法對非線性、具純滯后環(huán)節(jié)對象的控制是很有效的。溫度控制系統(tǒng)的軟件采用匯編語言編制，控制算法部分采用C與匯編混合編程。該軟件基于Windows20000/xp平臺，人機界面友好，易于用戶操作。具有在線修改采樣時間、控制算法、控制參數(shù)、圖形顯示及數(shù)據(jù)保存和打印功能。設(shè)計的空調(diào)機溫度控制的精確性，使用方便，功能齊全。</p><p>　　關(guān)鍵詞:PWM控制 模型辨識 模糊

5、控制 PID控制</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The thesis studies the Plant of temperature. Firstly，the systeml5 designed and realized. Then the characteristics of temperature of Plant

6、are analyzed inall details from thermodynamics. The approximate mathematics model of temperature plant with one order and dead time is reduced and the meaning of every parameter of this model are expressed, Which is used

7、 often and practically in the paper. In addition tot his, we identify the model of the system and the result demonstrated the method is effect</p><p>　　Secondly we analyzed advantages and disadvantages of pr

8、esent control method of temperature. One kind of improved Fuzz-Dahlin control method is presented for Temperature Plant with long dead time and non-linearity. The Dahlin control method, The fuzzy control method are combi

9、ned in this improved method It is demon strated By digital simulation that the improved Fuzzy-Dahlin makes the extra-regulation more small(even zero), the regulation time more short, and the robustness better for the tem

10、perat</p><p>　　The control software is compiled with visualc++ and matlab .It's easy to use and friendly to the interface of person and machine on the basis of window2000/xpplatform.There are some functi

11、ons as modify sample time or modify controller's parameters online, display and copy data of temperature curve, and so on. The control hardware is easy to use and its functions are self contained.</p><p>

12、;　　Keywords: Intelligent control, model identify, Dahlin control, Fuzzy control, PID control目錄</p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　Abstract- 3 -</p><p><b>　　目錄- 4 -<

13、;/b></p><p><b>　　前言- 5 -</b></p><p>　　1 MCS-51單片機簡介- 8 -</p><p>　　1.1芯片的引腳描述- 8 -</p><p>　　1.2 MSC-51單片機中央處理器- 15 -</p><p>　　2 溫度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

14、- 17 -</p><p>　　2.1總體設(shè)計- 17 -</p><p>　　2.2信號采樣電路設(shè)計- 18 -</p><p>　　2.2.1溫度采樣電路設(shè)計- 18 -</p><p>　　2.2.2單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計- 20 -</p><p>　　2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計- 22 -<

15、/p><p>　　2.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的常用方法- 22 -</p><p>　　2.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標- 23 -</p><p>　　2.3.3 ADC0809的主要特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)- 23 -</p><p>　　2.3.4 ADC0809管腳功能及定義- 24 -</p><p>　　2.3

16、.5 ADC0809與8031的接口電路- 26 -</p><p>　　2.4軟件系統(tǒng)的初始化程序- 26 -</p><p>　　2.5軟件程序的主循環(huán)框架- 27 -</p><p>　　2.6校準程序- 29 -</p><p>　　3 控制算法的研究- 31 -</p><p>　　3.1 PID算

17、法的研究- 31 -</p><p>　　3.2模糊控制系統(tǒng)設(shè)計- 31 -</p><p>　　3.2.1模糊控制算法- 32 -</p><p>　　3.2.2模糊控制的基本概念- 33 -</p><p>　　3.2.3模糊控制過程- 34 -</p><p><b>　　總結(jié)- 39 -&

18、lt;/b></p><p><b>　　致謝- 52 -</b></p><p>　　參考文獻- 53 -</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　控制菌種生長環(huán)境的設(shè)施和設(shè)備由功能簡單、單一的氣候箱發(fā)展成現(xiàn)在控制復(fù)的人工氣候室，這對于研究在人工模擬自然生態(tài)環(huán)境中生

19、長因素對菌種生長的提供了必要的條件和能夠繼續(xù)深入研究的基礎(chǔ)。目前，大多數(shù)菌種培養(yǎng)車間都采取通過控制水加熱機組和水制冷機組進行溫度的調(diào)節(jié)，這使得整個控制設(shè)備占于龐大，控制復(fù)雜，能耗大，投資高。部分氣候室采用中央空調(diào)控制溫度，但中央空調(diào)同樣存在成本高低精度的問題，且存在不同氣候室同時向主機提出兩種不同運行式請求，導(dǎo)致系統(tǒng)失控的可能，因此，此種車間的控溫方法也存在缺陷。所以，操作簡單，控制精度高，系統(tǒng)性能好，投資低的新型菌種培養(yǎng)車間正為人們所

20、期待。本文提出了一種以普通壁掛式空調(diào)來調(diào)節(jié)人工氣候室溫度的新方法，加以合理智能算法可以有效地對溫度進行高精度恒溫控制，而且成本較低，操作方便。</p><p><b>　　課題的研究目的：</b></p><p>　　高精度溫度控制就是實現(xiàn)溫度的更加精確化，準確化。實現(xiàn)溫度恒溫化，更好的來滿足菌種的生長溫度。</p><p>　　當今空調(diào)機的溫

21、度控制是人們利用可控電路對空調(diào)機進行控制，來實現(xiàn)對溫度的控制。它只能滿足人們一般的需求，溫控精度也不高，對更高的溫度需求不能滿足。例如菌種的培養(yǎng)車間，菌種的生長需要非常穩(wěn)定的溫度環(huán)境，對溫度的要求非常高，這就需要對空調(diào)機的溫度來實現(xiàn)高精度控制。</p><p>　　培養(yǎng)菌種的培養(yǎng)車間需要較高的溫度精度，它的溫度控制一般是由空調(diào)機來實現(xiàn)的，而現(xiàn)今空調(diào)機的控溫精度不高，一般在2～3度左右，誤差比較大。這就需要對我們控

22、溫系統(tǒng)進行改進。來實現(xiàn)空調(diào)機高精度的控制。菌種培養(yǎng)車間需要的誤差一般在0.5度左右，這首先需要非常靈敏的裝置對溫度進行檢測，防止因檢測而帶來的錯誤。這可以用電接水銀溫度計(WXG型)進行測量。將測量的信號通過高靈敏度的溫度傳感</p><p>　　器送到微處理器中。從而用微處理器來實現(xiàn)對空調(diào)機的高精度溫度控制。這樣才能滿足培菌車間的需要。</p><p><b>　　本課題的研究

23、意義：</b></p><p>　　要使菌種培育更好，就必須有一流的生長條件和環(huán)境。傳統(tǒng)的菌種培養(yǎng)車間是育種試驗必不可少的條件，它可以縮短試驗周期，可以模擬各種氣候條件而不受自然氣候的制約和影響。但是溫度控制的精度還是不高，這就必須對空調(diào)機進行改進，實現(xiàn)對溫度高精度控制。</p><p>　　本系統(tǒng)就是針對以上老系統(tǒng)存在的不足及實際要求設(shè)計開發(fā)的。只要設(shè)定運行曲線后，就可連續(xù)自

24、動地運行，按照給定曲線同時調(diào)節(jié)溫度，并保存實際運行的參數(shù)和設(shè)定參數(shù)。</p><p>　　課題的特點及具體要求：</p><p>　　菌種培養(yǎng)車間是一個多變量相互禍合的復(fù)雜系統(tǒng)，溫度具有純滯后、大慣性特性。而且外界的氣候的變化也會對室內(nèi)的溫度產(chǎn)生影響。所以按照常規(guī)的控制方法，要對溫室對象建立精確數(shù)學(xué)模型幾乎是不可能的，而且控制精度很難保證育種過程的要求。培養(yǎng)車間能夠在任意時候模擬任意的氣候

25、條件，而且溫度要能夠嚴格按照給定曲線變化，要求具有保護功能。根據(jù)己有控制系統(tǒng)的運行經(jīng)驗和不足之處，改造其老系統(tǒng)，要求實現(xiàn)的主要功能和技術(shù)指標如下:系統(tǒng)需采用兩級計算機控制，上位機采用工控機，下位機采用自行開發(fā)的智能控制器。</p><p>　　系統(tǒng)的控制算法采用智能控制算法，溫度的控制精度要求為±0.2℃,</p><p>　　上位機應(yīng)用程序是在Windows98環(huán)境下開發(fā)的應(yīng)用

26、程序，可以監(jiān)控多臺下位機，要求有參數(shù)設(shè)定計算、過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲和通信等功能。</p><p>　　下位機具有實時控制功能，在上位機出現(xiàn)故障的時候可以實施單獨控制，并且可靠性要高。</p><p><b>　　本文的主要工作</b></p><p>　　本文針對單片機對溫度控制監(jiān)測系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)展開研究工作，主要集中在以下幾個方面:</

27、p><p>　　分析項目要求，介紹以低成本為核心指導(dǎo)思想的溫度控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計，統(tǒng)的組成和工作原理，闡述多點校準技術(shù)和線型插值技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用，以及些技術(shù)的應(yīng)用對降低成本的作用。</p><p>　　系統(tǒng)的硬件設(shè)計，介紹主要硬件的選型及其主要特點，溫度傳感器Pt100采樣以及信號放大處理，信號調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計，低壓線性穩(wěn)壓器的電路設(shè)計，片機接口電路的設(shè)計以及電路的總體設(shè)計

28、等。</p><p>　　模塊功能設(shè)計及實現(xiàn)，詳細介紹在溫度監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用到的各個模塊的功能和應(yīng)方法，涉及到各個模塊的功能和工作原理，各個控制寄存器的設(shè)定，模塊之間的關(guān)系協(xié)作方式等。包括基本始終模塊的應(yīng)用，E2ROM存儲器x25043/45的應(yīng)用，數(shù)碼顯示管的應(yīng)用以及按鍵等的實現(xiàn)。</p><p>　　系統(tǒng)的總體設(shè)計和主要程序模塊，程序設(shè)計采用匯編語言和C語言模式，并將低本高精度思想融入其

29、中，介紹的程序模塊包括:系統(tǒng)初始化程序、主循環(huán)框架、準程序、LED數(shù)碼顯示程序并給出了程序的設(shè)計流程圖和部分程序源代碼。</p><p>　?、菘偨Y(jié)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計，介紹了使用現(xiàn)狀以及未來的改進和發(fā)展方向。</p><p>　　1 MCS-51單片機簡介</p><p>　　1.1芯片的引腳描述</p><p>　　HMOS制造工藝的MCS

30、-51單片機都采用40引腳的直插封裝（DIP方式），制造工藝為CHMOS的80C51/80C31芯片除采用DIP封裝方式外，還采用方型封裝工藝，引腳排列如圖。其中方型封裝的CHMOS芯片有44只引腳，但其中4只引腳（標有NC的引腳1、12、23、34）是不使用的。在以后的討論中，除有特殊說明以外，所述內(nèi)容皆適用于CHMOS芯片。</p><p>　　圖1.1 MCS-51的邏輯符號圖</p><

31、;p>　　如圖，是。在單片機的40條引腳中有2條專用于主電源的引腳，2條外接晶體的引腳，4條控制或與其它電源復(fù)用的引腳，32條輸入/輸出（I/O）引腳。 </p><p>　　下面按其引腳功能分為四部分敘述這40條引腳的功能。</p><p>　　1、主電源引腳VCC和VSS</p><p>　　VCC——（40腳）接+5V電壓；</p><

32、;p>　　VSS——（20腳）接地。</p><p>　　2、外接晶體引腳XTAL1和XTAL2</p><p>　　XTAL1（19腳）接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當采用外部振蕩器時，對HMOS單片機，此引腳應(yīng)接地；對CHMOS單片機，此引腳作為驅(qū)動端。</p><p>　　XTAL2（18腳）

33、接外晶體的另一端。在單片機內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，對HMOS單片機，該引腳接外部振蕩器的信號，即把外部振蕩器的信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端；對XHMOS，此引腳應(yīng)懸浮。</p><p>　　3、控制或與其它電源復(fù)用引腳RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP</p><p>　?、賀ST/VPD（9腳）當振蕩器運行時，在此腳上出現(xiàn)兩

34、個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。推薦在此引腳與VSS引腳之間連接一個約8.2k的下拉電阻，與VCC引腳之間連接一個約10μF的電容，以保證可靠地復(fù)位。</p><p>　　VCC掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保證內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。當VCC主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍（5±0.5V）內(nèi)，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源。</p><p>　　②

35、ALE/PROG（30腳）：當訪問外部存貯器時，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而要注意的是，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）8個LS型的TTL輸入電路。</p><p>　　對于EPROM單片機（如8

36、751），在EPROM編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖（PROG）。</p><p>　?、跴SEN（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期兩次PSEN有效。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。PSEN同樣可以驅(qū)動（吸收或輸出）8個LS型的TTL輸入。</p><p>　?、蹺A/VPP（引

37、腳）：當EA端保持高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，</p><p>　　但在PC（程序計數(shù)器）值超過0FFFH（對851/8751/80C51）或1FFFH（對8052）時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。當EA保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。對于常用的8031來說，無內(nèi)部程序存儲器，所以EA腳必須常接地，這樣才能只選擇外部程序存儲器。</p><p>

38、　　對于EPROM型的單片機（如8751），在EPROM編程期間，此引腳也用于施加21V的編程電源（VPP）。</p><p>　　4、輸入/輸出（I/O）引腳P0、P1、P2、P3（共32根）</p><p>　?、貾0口（39腳至32腳）：是雙向8位三態(tài)I/O口，在外接存儲器時，與地址總線的低8位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用，能以吸收電流的方式驅(qū)動8個LS型的TTL負載。</p>&l

39、t;p>　　②P1口（1腳至8腳）：是準雙向8位I/O口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向I/O口。P1口能驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負載。對8052、8032，P1.0引腳的第二功能為T2定時/計數(shù)器的外部輸入，P1.1引腳的第二功能為T2EX捕捉、重裝觸發(fā)，即T2的外部控制端。對EPROM編程和程序驗證時，它接收低8位地址。</p><p>　?、跴2口（21

40、腳至28腳）：是準雙向8位I/O口。在訪問外部存儲器時，它可以作為擴展電路高8位地址總線送出高8位地址。在對EPROM編程和程序驗證期間，它接收高8位地址。P2可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負載。</p><p>　?、躊3口（10腳至17腳）：是準雙向8位I/O口，在MCS-51中，這8個引腳還用于專門功能，是復(fù)用雙功能口。P3能驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負載。</p>

41、<p>　　作為第一功能使用時，就作為普通I/O口用，功能和操作方法與P1口相同。</p><p>　　作為第二功能使用時，各引腳的定義如表所示。</p><p>　　值得強調(diào)的是，P3口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。</p><p>　　P3各口線的第二功能定義：</p><p>　　P3.0 10 R

42、XD（串行輸入口） </p><p>　　P3.1 11 TXD（串行輸出口） </p><p>　　P3.2 12 INT0（外部中斷0） </p><p>　　P3.3 13 INT1（外部中斷1） </p><p>　　P3.4 14 T0（定時器0外部輸入） </p><p>　　P3.5 15 T1（定時器1

43、外部輸入） </p><p>　　P3.6 16 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖） </p><p>　　P3.7 17 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖） </p><p>　　綜合上面的描述可知，I/O口線都不能當作用戶I/O口線。除8051/8751外真正可完全為用戶使用的I/O口線只有P1口，以及部分作為第一功能使用時的P3口。 </p><p&g

44、t;　　單片機的引腳除了電源、復(fù)位、時鐘接入，用戶I/O口外，其余管腳是為實現(xiàn)系統(tǒng)擴展而設(shè)置的。這些引腳構(gòu)成MCS-51單片機片外三總線結(jié)構(gòu)，即：</p><p>　?、俚刂房偩€（AB）：地址總線寬為16位，因此，其外部存儲器直接尋址為64K字節(jié)，16位地址總線由P0口經(jīng)地址鎖存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址（A8至A15）。</p><p>　?、跀?shù)據(jù)總線（DB）：

45、數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0提供。</p><p>　　③控制總線（CB）：由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。 </p><p>　　當采集的溫度經(jīng)處理后超過規(guī)定溫度上限時，單片機通過 P1.4 輸出控制信號驅(qū)動三極管 D1 ，使繼電器 K1 開啟降溫設(shè)備 ( 壓縮制冷設(shè)備 ) ：當采集的溫度經(jīng)處理后低于設(shè)定溫度下限時，單片機通過 P1.5 輸出控

46、制信號驅(qū)動三極管 D2 ，使繼電器 K2 開啟升溫設(shè)備 ( 加熱器1) 。當由于環(huán)境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設(shè)備出現(xiàn)故障，或者溫度傳感頭出現(xiàn)故障導(dǎo)致在一段時間內(nèi)不能將環(huán)境溫度調(diào)整到規(guī)定的溫度限內(nèi)的時候，單片機通過三極管驅(qū)動揚聲器發(fā)出警笛聲。具體電路連接如圖 5-1 所示。</p><p>　　圖5-1具體電路連接圖</p><p><b>　　5.3溫度測試單元</b

47、></p><p>　　采用溫度芯片DS18B20。使用集成芯片，能夠有效的減小外界的干擾，提高測量的精度，簡化電路的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　5.4 溫度控制器件電路</p><p>　　單片機通過三極管控制繼電器的通斷，最后達到控制電熱器的目的。</p><p>　　當溫度未達到要求時，單片機發(fā)送高電平信號使三極管飽和導(dǎo)通，繼電器

48、使電源與電熱器接通，電熱器加熱。溫度慢慢升高。</p><p>　　當溫度上升到預(yù)定溫度時，單片機發(fā)送低電平信號三極管進入截止狀態(tài)，繼電器的彈片打到另一側(cè)，使電熱器與電源斷開，電熱器停止加熱。</p><p>　　繼電器電路中有一個三極管8050的保護電路，即將一個二極管反向接到三機管的兩端。連接方法如圖5-2所示。</p><p>　　圖5-2 單片機控制信號&l

49、t;/p><p>　　其原理是：當繼電器突然斷電時，繼電器產(chǎn)生很大的反向電流。二極管的作用是將反向電流分流，使流過三級管8050的電流比較小，達到保護三極管8050的作用。</p><p>　　5.5七段數(shù)碼管顯示單元 </p><p>　　本部分電路主要使用七段數(shù)碼管和移位寄存器芯片74LS164。單片機通過I2C總線將要顯示的數(shù)據(jù)信號傳送到移位寄存器芯片74LS16

50、4寄存，再由移位寄存器控制數(shù)碼管的顯示，從而實現(xiàn)移位寄存點亮數(shù)碼管顯示。由于單片機的時鐘頻率達到12M，移位寄存器的移位速度相當快，所以我們根本看不到數(shù)據(jù)是一位一位傳輸?shù)?。從人類視覺的角度上看，就仿佛是全部數(shù)碼管同時顯示的一樣。具體見實際連線圖如圖5-3。</p><p>　　當清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QA－QH）均為低電平。 串行數(shù)據(jù)輸入端（A，B）可控制數(shù)據(jù)。當 A、B 任意一個為低電平，則禁

51、止新數(shù)據(jù)輸入，在時鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下 Q0 為低電平。當 A、B 有一個為高電平，則另一個就允許輸入數(shù)據(jù)，并在 CLOCK 上升沿作用下決定 Q0 的狀態(tài)，邏輯封裝圖如圖5-3：</p><p><b>　　圖5-3邏輯封裝圖</b></p><p>　　引出端符號：CLOCK 時鐘輸入端；CLEAR 同步清除輸入端（低電平有效）；A，B 串行數(shù)據(jù)輸入

52、端；QA－QH 輸出端。真值表：表5-2</p><p><b>　　表5-2 真值表</b></p><p>　　圖5-4 實際連線圖</p><p>　　1.2 MSC-51單片機中央處理器</p><p>　　中央處理器是單片機內(nèi)部的核心部件，它決定了單片機的主要功能特性。中央處理器主要由運算部件和控制部件組成。下

53、面我們把中央處理器功能模塊和有關(guān)的控制信號線聯(lián)系起來加以討論，并涉及相關(guān)的硬件設(shè)備（如振蕩電路和時鐘電路）。</p><p>　　1、運算部件：它包括算術(shù)、邏輯部件ALU、布爾處理器、累加器</p><p>　　ACC、寄存器B、暫存器TMP1和TMP2、程序狀態(tài)字寄存器PSW以及十進制調(diào)整電路等。運算部件的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯運算、位變址處理和數(shù)據(jù)傳送操作。</p>&

54、lt;p>　　MCS-51單片機的ALU功能十分強，它不僅可對8位變量進行邏輯“與”、“或”、“異或”、循環(huán)、求補、清零等基本操作，還可以進行加、減、乘、除等基本運算。為了乘除運算的需要，設(shè)置了B寄存器。在執(zhí)行乘法運算指令時，用來存放其中一個乘數(shù)和乘積的高8位數(shù)；在執(zhí)行除法運算指令時，B中存入除數(shù)及余數(shù)。MCS-51單片機的ALU還具有一般微機ALU，如Z80、MCS-48所不具備的功能，即布爾處理功能。單片機指令系統(tǒng)中的布爾指令

55、集、存儲器中的位地址空間與CPU中的位操作構(gòu)成了片內(nèi)的布爾功能系統(tǒng)，它可對位（bit）變量進行布爾處理，如置位、清零、求補、測試轉(zhuǎn)移及邏輯“與”、“或”等操作。在實現(xiàn)位操作時，借用了程序狀態(tài)標志器（PSW）中的進位標志Cy作為位操作的“累加器”。</p><p>　　運算部件中的累加器ACC是一個8位的累加器（ACC也可簡寫為A）。從功能上看，它與一般微機的累加器相比沒有什么特別之處，但需要說明的是ACC的進位標

56、志Cy就是布爾處理器進行位操作的一個累加器。</p><p>　　MCS-51單片機的程序狀態(tài)PSW，是一個8位寄存器，它包含了程序的狀態(tài)信息。</p><p><b>　　2、控制部件</b></p><p>　　控制部件是單片機的神經(jīng)中樞，它包括時鐘電路、復(fù)位電路、指令寄存器、譯碼以及信息傳送控制部件。它以主振頻率為基準發(fā)出CPU的時序，對

57、指令進行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號，完成一系列定時控制的微操作，用來控制單片機各部分的運行。其中有一些控制信號線能簡化應(yīng)用系統(tǒng)外圍控制邏輯，如控制地址鎖存的地址鎖存信號ALE，控制片外程序存儲器運行的片內(nèi)外存儲器選擇信號EA，以及片外取指信號PSEN。</p><p>　　2 溫度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)</p><p><b>　　2.1總體設(shè)計</b></p>

58、<p>　　總的設(shè)計思想是通過溫、濕度器及執(zhí)行機構(gòu)，完成溫、濕度自動調(diào)節(jié)及聲光報警等功能，總體設(shè)計框圖如圖傳感器將溫度、濕度值轉(zhuǎn)換為電量輸出，由A/D轉(zhuǎn)換器對模擬信號進行數(shù)字化，被數(shù)字化的信號經(jīng)過單片機處理后，送顯示</p><p><b>　　.</b></p><p>　　圖2.1總體設(shè)計框圖</p><p>　　本系統(tǒng)完成以下

59、功能:可對溫、濕度進行多點自動檢測、顯示、報警和調(diào)控。當溫、濕度超過上、下限設(shè)定值時，可自動發(fā)出聲光報警，并進行溫、濕度調(diào)節(jié)控制，直到報警消除，報警的上下限值可通過鍵盤隨時設(shè)定。為實現(xiàn)以上功能需安排以下五個部分組成整個控制系統(tǒng)如圖2.1所示。系統(tǒng)的硬件組成:</p><p><b>　　(1)信號采樣電路</b></p><p>　　(2)單片機基本系統(tǒng)(8031)&

60、lt;/p><p>　　(3)A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　(4)鍵盤和顯示電路</p><p><b>　　(5)執(zhí)行電路</b></p><p>　　2.2信號采樣電路設(shè)計</p><p>　　采樣電路在整個控制裝置中占據(jù)著十分重要的地位，采樣值是8031主要處理的數(shù)據(jù)，是實施控制的依據(jù)，所

61、以保證采樣電路的準確是進行良好控制的基礎(chǔ)。</p><p>　　2.2.1溫度采樣電路設(shè)計</p><p>　　(1)溫度傳感器的選擇</p><p>　　溫度傳感器的種類很多，根據(jù)溫室使用條件，選擇恰當?shù)膫鞲衅黝愋筒拍鼙ＷC測量的準確可靠，并同時達到增加使用壽命和降低成本的目的。根據(jù)溫室溫度控制的特點，本系統(tǒng)中溫度傳感器選用AD590集成溫度傳感器。集成溫度傳感器實

62、質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值VBE與熱力學(xué)溫度T和通過發(fā)射極電流工的關(guān)系實現(xiàn)對溫度的檢測:</p><p>　　VBE = InI (2-1)</p><p>　　式中，K一波爾茲常數(shù)；q一電子電荷絕對值。</p><p>　　集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用

63、方便等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0℃時輸出為0,溫度25℃時輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為1μA/K。AD590是美國模擬器件公司利用PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。這種器件在被測溫度一定時，相當于一個恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動的特性。它的主要特性參數(shù)如下:</p&

64、gt;<p>　　1.流過器件的電流(μA)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文)度數(shù)，即：</p><p>　　=1μA/K (2-2)</p><p>　　式中:Ir—流過器件(AD590)的電流，單位為μA。</p><p>　　T—熱力學(xué)溫度，單位為K。</p><p>　　2. AD590的測溫范圍為﹣

65、55～﹢150℃。</p><p>　　3. AD590的電源電壓范圍為4V～30V。電源電壓可在4V～6V范圍變化，電流Ir變化1μA，相當于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。</p><p>　　4.輸出電阻為710MΩ。</p><p>　　5.精度高:AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最

66、高，在﹣55～﹢150℃范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3℃。</p><p>　　6.靈敏度:1μA/K。</p><p>　　1.2溫度檢測電路的設(shè)計</p><p>　　在設(shè)計測溫電路時，首先應(yīng)將電流轉(zhuǎn)換成電壓。因為流過AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當電阻R1和電位器RP1的電阻之和為l OkΩ時，輸出電壓VO的變化為lOmV/K。但由于AD590的

67、增益有偏差，電阻也有誤差，因此應(yīng)對電路進行調(diào)整。為了使此電阻精確(0.1%)，可用一個9.6kΩ的電阻與一個1k電位器串聯(lián)，然后通過調(diào)節(jié)電位器來獲得精確的10kΩ的電阻。溫度檢測電路如圖2.2所示，其中運算放大器Al被接成電壓跟隨器形式，以增加信號的輸入阻抗。而運放A2的作用是把絕對溫標轉(zhuǎn)換成攝氏溫標，給A2的同相輸入端輸入一個恒定的電壓，然后將此電壓放大到2.732V。這樣，Al與A2輸出端之間的電壓即為轉(zhuǎn)換成的攝氏溫標。</p

68、><p>　　圖2.2溫度檢測電路</p><p>　　將AD590放入0℃的冰水混合溶液中，A1同相輸入端的電壓應(yīng)為2.732V，同樣使A2的輸出電壓也為2.732V，因此A1與A2兩輸出端之間的電壓為OV即對應(yīng)于0℃。AD590溫度與電流的關(guān)系如表2.1所示。</p><p>　　表2.1 AD590溫度與電流的關(guān)系</p><p>　　2.

69、2.2單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　(1)單片機復(fù)位電路的設(shè)計</p><p>　　復(fù)位電路是單片機應(yīng)用中重要的一環(huán)，它對單片機抗干擾有重要作用。在振蕩運行的情況下，要實現(xiàn)復(fù)位操作，必須使RST引腳至少保持兩個機器周期的高電平。復(fù)位期間不產(chǎn)生ALE及PSEN信號。復(fù)位后，各內(nèi)部寄存器狀態(tài)如表2.2所示。8031單片機的復(fù)位電路如圖2.3所示。</p><p&

70、gt;　　表2.2各內(nèi)部寄存器狀態(tài)</p><p><b>　　圖2.3復(fù)位電路</b></p><p>　　(2)單片機時鐘電路的設(shè)計</p><p>　　單片機的時鐘產(chǎn)生方法有兩種:內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本系統(tǒng)中8031單片機采用內(nèi)部時鐘方式。最常用的內(nèi)部時鐘方式是采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2MHz～12M

71、Hz之間。電容值無嚴格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小和振蕩電路起振速度有少許影響，一般可在20pF-100pF之間取值。8031單片機的時鐘電路如圖2.4所示。</p><p><b>　　圖2.4時鐘電路</b></p><p>　　(3) 8031單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　一個最小8031單片機系統(tǒng)有CPU (803

72、1), 8位3態(tài)D鎖存器74LS373,ROM或RAM，時鐘電路和復(fù)位電路等基本電路組成。</p><p>　　2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計</p><p>　　由信號處理電路輸出的信號為模擬信號，而單片機只能處理數(shù)字量，所以必須首先將模擬量經(jīng)過一定電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機才能處理，這種電路被稱為A/D轉(zhuǎn)換電路，是模擬系統(tǒng)與計算機之間的接口部件。</p><p>　

73、　2.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的常用方法</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換的常用方法有:雙積分式A/D轉(zhuǎn)換、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換、計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換等。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的工作原理是將對輸入電壓的測量，轉(zhuǎn)換成對基準源積分時間的測量，再測量時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。這種方法的主要優(yōu)點是分辯率高、精度高、抗干擾性好；主要缺點是轉(zhuǎn)換速度慢。逐次逼近型A/D由一個比較器和D/A轉(zhuǎn)換器通

74、過逐次比較邏輯構(gòu)成，順序地增</p><p>　　加內(nèi)部D/A的輸入值，并將其輸出電壓與A/D測量輸入電壓比較，當二者相等時，內(nèi)部D/A的輸入值就是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。這種方法的主要優(yōu)點是速度快、功耗低；主要缺點是抗干擾性差。</p><p>　　2.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標有:分辨率、精度、量程、轉(zhuǎn)換時間等。

75、分辨率(Resolution)分辨率反映轉(zhuǎn)換器所能分辨的被測量的最小值。通常用輸出二進制代碼的位數(shù)來表示。8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為8位。精度(Precision)精度指的是轉(zhuǎn)換的結(jié)果相對于實際的偏差，精度有兩種表示方法:絕對精度和相對精度。絕對精度用最低位(LSB)的倍數(shù)來表示，如:±1LSB；相對精度用絕對精度除以滿量程值的百分數(shù)來表示，如:±0.05%。同樣分辨率的轉(zhuǎn)換器其精度可能不同。量程(滿刻度范圍一 Fu

76、ll Scale Range)量程是指輸入模擬電壓的變化范圍。如:某轉(zhuǎn)換器具有l(wèi)OV的單極性范圍或﹣5～+5V的雙極性范圍，它們的量程都為10V。實際的A/D, D/A轉(zhuǎn)換器的最大輸入/輸出值總是比滿刻度值小。</p><p>　　轉(zhuǎn)換時間(Conversion Time)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間是指:從啟動轉(zhuǎn)換開始，直至取得穩(wěn)定的數(shù)字量或模擬量所需的時間稱為轉(zhuǎn)換時間。轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換器原理及其位數(shù)有關(guān)。同種工作原理

77、的轉(zhuǎn)換器，通常位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換時間越長。</p><p>　　2.3.3 ADC0809的主要特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　本系統(tǒng)采用ADC0809大規(guī)模集成電路芯片，它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，輸出的數(shù)字信號有三態(tài)緩沖器，可以和單片機直接接口。ADC0809的主要技術(shù)指標為:</p><p><b>　　分辨率:8位；</b></p

78、><p>　　單電源供電:+5V；</p><p>　　最大不可調(diào)誤差小于±1LSB；</p><p>　　轉(zhuǎn)換時間為l00μs(時鐘頻率為640KHz)；</p><p>　　模擬輸入范圍:單極性0～5V；</p><p>　　不必進行零點和滿刻度調(diào)整；</p><p><b>

79、;　　功耗為15Mw；</b></p><p>　　ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個8位</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5 ADC0809轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部機構(gòu)框圖</p><p>　　2.3.4 ADC0809管腳功能及定

80、義</p><p>　　ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的管腳定義如圖2.6所示</p><p>　　圖2.6 ADC0809管腳結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　·IN0～IN7:8通道模擬量輸入。</p><p>　　·ADDA、ADDS、ADDC: A、B、C為地址輸入線，用于選通工IN0～IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如表

81、2-3所示。</p><p>　　·ALE:地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A、B、C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。</p><p>　　·D0-D7: 8位輸出數(shù)據(jù)線(三態(tài))，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果由這8根線傳送給單片機。</p><p>　　·OE:允許輸出

82、信號。當OE=1時，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；當OE=0時，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。</p><p>　　·START:轉(zhuǎn)換啟動信號。START為正脈沖，其上跳沿所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低</p><p><b>　　電平。</b></p><p>　　·EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當

83、EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。</p><p>　　·CLK:時鐘輸入信號。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，頻率范圍為10KHz～1.2MHz，典型值為640KHz。</p><p>　　表2.3通道的選擇表</p><p>　　2.3.5 ADC0809與8031的接口電路</p>

84、;<p>　　ADC0809有8個通道的模擬量輸入，在程序控制下，可令任意通道進行A/D轉(zhuǎn)換并可得到相應(yīng)的8位二進制數(shù)字量。</p><p>　　2.4軟件系統(tǒng)的初始化程序</p><p>　　系統(tǒng)初始化程序是為了在進入主程序循環(huán)之前，做好必要的準備工作，包括如下內(nèi)容:</p><p>　　1.停止X25043內(nèi)部的看門狗。</p>&l

85、t;p>　　2.設(shè)定X25043內(nèi)部WDT為定時器模式，定時為0.25秒，并允許內(nèi)部WDT中斷。</p><p>　　3.設(shè)定UO端口狀態(tài)，全部設(shè)定為輸入狀態(tài)，降低功耗。</p><p>　　4.初始化E2PROM，設(shè)定位于E2PROM內(nèi)的看門狗定時為1.4s。</p><p>　　5.從護E2PROM讀入校準數(shù)據(jù)，將校準數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存。</p>

86、<p>　　6.啟動位于E2PROM內(nèi)的看門狗。</p><p>　　7.將E2PROM的片選端CS置為1，使E2PROM進入待機模式，以降低功耗。</p><p>　　8.設(shè)定校準按鍵為中斷允許狀態(tài)。</p><p>　　9.總中斷允許設(shè)為1。</p><p><b>　　10.示模塊開始。</b></

87、p><p>　　11.PID參數(shù)初始化。</p><p>　　12.PWM參數(shù)初始化。</p><p>　　2.5軟件程序的主循環(huán)框架</p><p>　　程序的主循環(huán)框架如圖2.7，在系統(tǒng)進行一系列的準備工作即初始化之后，程序就主循環(huán)，主循環(huán)的工作是進行采樣時間控制、控制測量過程、LED顯示循環(huán)、按鍵并且處理、數(shù)據(jù)查表處理、線性插值、數(shù)據(jù)顯示，

88、然后周而復(fù)始地進行主循環(huán)程序。在主程序循環(huán)的過程中隨時響應(yīng)按鍵中斷，進入校準程序。</p><p>　　圖2.7主程序邏輯圖</p><p>　　主程序:ORG OOOOH</p><p><b>　　AJMP MAIN</b></p><p><b>　　ORG 0100H</b></p&g

89、t;<p>　　AD0 EQU 7FF8H</p><p>　　PORT EQU 4100H</p><p>　　PORTA EQU 4101H</p><p>　　PORTB EQU 4102H</p><p>　　PORTC EQU 4103H</p><p>　　MAIN:MOV SP，#60H

90、 設(shè)置堆棧</p><p>　　MOV DPTR, #PORT； 8155初始化</p><p>　　MOV A, #03H； 8155A口、B口為輸出，C口為</p><p>　　MOVX@DPTR, A； 輸入方式</p><p>　　MOV 50H, #19H； 溫度設(shè)定

91、值存于50H單元，設(shè)定值為25</p><p>　　MOV R0，#30H； 顯示緩沖區(qū)30H到37H清0</p><p>　　MOV A, #00H</p><p>　　MLO:MOV@RO，A</p><p><b>　　INC RO</b></p><p>　　CJNE R

92、O，#38H, ML0</p><p>　　ML1:ACALL KEY</p><p>　　CJNE 52H, #0EH, ML2； 如果是A/D轉(zhuǎn)換鍵，則進行A/D轉(zhuǎn)換</p><p><b>　　ACALL AD</b></p><p>　　ACALL FILT</p><p>　　ACAL

93、L FUZZY</p><p><b>　　ACALL DIR</b></p><p>　　ML2:ACALL T10； 等待采樣時間</p><p><b>　　AJMP ML1</b></p><p><b>　　2.6校準程序</b></p>

94、<p>　　正常情況下數(shù)字溫度表運行在測量顯示狀態(tài)下，校準的啟動是通過響應(yīng)按SET鍵長按2s的方式來實現(xiàn)的，本次設(shè)計選擇P2.7為進入校準</p><p>　　狀態(tài)的按鍵輸入端。校準程序入口也就是設(shè)在單獨的子程序中，進入子程序后，進行如下操作:</p><p>　　1.按鍵去抖動、干擾檢查。進入循環(huán)活動狀態(tài)。</p><p>　　2.判斷是否己經(jīng)在校準狀

95、態(tài)，如果已經(jīng)在校準狀態(tài)，則表示是在校準中途按下SET鍵，表示放棄校準，此時不保存校準數(shù)據(jù)到 E2PROM，直接復(fù)位系統(tǒng)，進入正常測量顯示狀態(tài)。</p><p>　　3.進入逐點校準循環(huán)。</p><p><b>　　4. LED顯示。</b></p><p>　　5.掃描按鍵KYE NXET是否按下。</p><p>　

96、　6.調(diào)入校準點數(shù)據(jù)。</p><p>　　7. LED顯示進入校準標準點狀態(tài)。</p><p>　　8.掃描按鍵KEY NETX是否按下。</p><p>　　9.判斷E2PROM值與現(xiàn)有輸入值是否相同，相同則不往E2PROM里寫入，不相同則開始寫入E2PROM。</p><p>　　10.顯示測量數(shù)據(jù)(放電時間比率)。</p>

97、<p>　　11.掃描按鍵KYE NEXT是否按下。</p><p>　　12.此點數(shù)據(jù)存入內(nèi)存。</p><p>　　13.循環(huán)進入下一點。</p><p>　　14.全部校準點結(jié)束后，退出校準程序，校準數(shù)據(jù)存入E2PROM。</p><p>　　15.調(diào)用復(fù)位程序，重新初始化系統(tǒng)，進入測量狀態(tài)。</p><

98、;p><b>　　3 控制算法的研究</b></p><p>　　3.1 PID算法的研究</p><p>　　PID是一種負反饋控制，用設(shè)定的控制目標值與受控對象的輸出反饋值相比較，對其差作比例、微分、積分后用來控制受控對象。</p><p><b>　　PID控制規(guī)則:</b></p><p&

99、gt;　　u = (3-1)</p><p>　　式中占為比例帶，介為積分時間，與為微分時間。傳遞函數(shù)為:</p><p>　　G= (3-2)</p><p>　　δ、TI、TD的改變對控制作用影響很大: δ越大，比例調(diào)節(jié)的殘差越大，從這一點說，δ越小能使殘差越小。

100、但δ小則使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益加大，從而可能導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定，系統(tǒng)首先要穩(wěn)定，所以比例帶的設(shè)定必須保證一定的穩(wěn)定裕度TI越大即積分速度越小，積分作用越弱，使過度時間變長，達到穩(wěn)定的速度越慢。TI越小積分速度越快，而增大積分速度會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直至出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程；TD則主要改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，TD增大會加快系統(tǒng)的響應(yīng)，降低超調(diào)，增大系統(tǒng)穩(wěn)定性，但TD過大，會使系統(tǒng)的抗干擾能力減弱，而且微分環(huán)節(jié)對純滯后過程無效。PID

101、控制器中，δ、TI、TD的選擇如果合適，則能發(fā)揮它們的長處，從而較好地控制系統(tǒng)，否則，不僅不能發(fā)揮各種調(diào)節(jié)作用，反而適得其反。</p><p>　　3.2模糊控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語言變量及模糊推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制。模糊控制模仿人的思維通過把精確量模糊化，通過模糊推理，然后經(jīng)過清晰化處理得到控制量。</p><p&g

102、t;　　3.2.1模糊控制算法</p><p>　　模糊自動控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制。尤其是模糊控制和遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及混沌理論等新學(xué)科相結(jié)合，正在顯示出其巨大的應(yīng)用潛力。</p><p><b>　　模糊控制原理</b></p><p><b>　?、倌：刂频囊?lt;/b>

103、;</p><p>　　隨著計算機的發(fā)展和應(yīng)用，自動控制理論和技術(shù)獲得了飛躍的發(fā)展，在解決線性或非線性，定?；驎r變的多輸入多輸出系統(tǒng)問題上，獲得了廣泛的應(yīng)用。但是，采用傳統(tǒng)控制理論來設(shè)計一個控制系統(tǒng)，需要事先知道被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，然后再根據(jù)給定的性能指標選擇適當?shù)目刂埔?guī)律，進行控制系統(tǒng)設(shè)計。然而，在許多情況下，被控對象的精確數(shù)學(xué)模型很難建立，有時甚至是不可能的。這樣一來，對于這類對象或過程就難以進行自動控制

104、。與此相反，對于一些難以自動控制的生產(chǎn)過程，有經(jīng)驗的操作人員進行手動控制，卻可以達到滿意的效果。這是由于作為操作者的人在長期的操作實踐中獲得了對系統(tǒng)的認識，在頭腦中形成了他自己對該系統(tǒng)的認識模型，并積累了操作經(jīng)驗?？偨Y(jié)人的控制行為，用語言描述人的手動控制決策，形成一系列的條件語句和決策規(guī)則，進而設(shè)計一個控制器，利用計算機實現(xiàn)這些控制規(guī)則，再驅(qū)動設(shè)備對工業(yè)過程進行控制，這就是模糊控制。實踐表明，模糊控制器具有以下幾個特點:</p&g

105、t;<p>　　1.它不需要知道被控對象或過程的精確數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　2.易于實現(xiàn)對不確定性系統(tǒng)和強非線性系統(tǒng)的控制。</p><p>　　3.對被控對象或過程參數(shù)的變化有較強的魯棒性。</p><p>　　4.對干擾有較強的抑制能力。</p><p>　?、谀：刂葡到y(tǒng)的組成</p><p&g

106、t;　　模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯為理論基礎(chǔ)，采用計算機控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。它的組成核心是具有智能性的模糊控制器，其基本結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1模糊控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　模糊控制系統(tǒng)一般由四個部分組成:</p><p>　　l.模糊控制器:它是以模糊

107、邏輯推理為主要組成部分，同時又具有模糊化和去模糊功能的控制器。</p><p>　　2.輸入/輸出接口裝置:模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對象獲取數(shù)字信號量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模變換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，送給執(zhí)行機構(gòu)去控制被控對象。</p><p>　　3.廣義對象:包括被控對象和執(zhí)行機構(gòu)。被控對象可以是線性或非線性的、定常或時變的、也可以是單變量或多變量的、有時滯

108、或無時滯的以及有強干擾的多種情況。</p><p>　　4.傳感器:傳感器是將被控對象或各種過程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號的一類裝置。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控制系統(tǒng)的精度。</p><p>　　3.2.2模糊控制的基本概念</p><p><b>　　(1)模糊集合</b></p><

109、p>　　模糊集合用于在無法明確地定義元素是否屬于集合的情況下，利用一種度量來表示某一元素屬于這一集合的程度，這就是隸屬度，也就是級別。當一個元素肯定屬于這一集合時，級別為1，肯定不屬于這一集合時，級別為0，其余的級別為0到1的中間值。以論域為離散有限集{xl, x2......, xn}為例，設(shè)A (xi)=ui(i=1,2......n)，模糊集合用扎德法表示如下:</p><p>　　A=

110、 （3-3）</p><p><b>　　(2)量化因子</b></p><p>　　連續(xù)論域進行離散化的過程稱為量化。設(shè)有連續(xù)論域[a, b]，量化后的離散論域為{-n，-n+1,…，0,…，n-1, n}，將連續(xù)論域分為2n段，則有系數(shù)K=2n/ (b-a)，K稱為量化因子。</p><p>

111、;<b>　　(3)比例因子</b></p><p>　　偏差的基本論域與偏差的實際變化范圍的比值稱為比例因子。當偏差的實際變化范圍超出基本論域的范圍時，采用最大輸出或零輸出。對于偏差的任何采樣值，乘以比例因子后取整，可以得到相應(yīng)的值。</p><p>　　3.2.3模糊控制過程</p><p>　　模糊控制過程可以分為以下三個步驟:模糊化過程

112、、模糊推理過程和反模糊化過程。</p><p><b>　　(1)模糊化過程</b></p><p>　　模糊化(Fuzzification)就是將基礎(chǔ)變量論域上的確定量變換成基礎(chǔ)變量論域上的模糊集的過程。其主要功能就是根據(jù)輸入變量的隸屬度函數(shù)求出精確輸入量相對于輸入變量各語言值的隸屬度。常規(guī)控制都是用系統(tǒng)的實際輸出值與設(shè)定值相比較，得到一個偏差值E，控制器根據(jù)這個偏