【正文】 圖 DS18B20 寫時序 （ 3） 寫時序按照如下方式進行： 如圖 所示， 數(shù)據總線置到低電平 0；延時 15us 的時間間隔；進行發(fā)送一位數(shù)據，注意的是 DS18B20 是先發(fā)送數(shù)據的低位，再到發(fā)送數(shù)據的高位的；再進行時間延遲 45us；把數(shù)據總線置到高電平 ；程序循環(huán)發(fā)送完一個字節(jié)所有的位；最后把數(shù)據總線置高電平，這樣就完成了一個字節(jié)的寫操作。本次設計采用的加熱器功率為 1200W，額定電流約為 ，所以此可控硅滿足系統(tǒng)要求。在電源電路中還額外加入了一個 LED 電源指示燈，指示燈與一個 1K 的電阻串聯(lián)，當系統(tǒng)上電時，指示燈亮，由此可以觀察系統(tǒng)電源是否正常。加熱控制電路主要由光耦合元件 MOC3020和可控硅 BTA24600B 組成，這樣可以通過光耦來對弱電與 220V 強電進行隔離，保證了電路的安全可靠。這些包括模糊控制器的設計，溫度數(shù)據采集的程序設計， PWM 脈寬信號的程序實現(xiàn)，以及 MATLAB simulink 系統(tǒng) 模型搭建，是本設計的關鍵 。 就比如 平時所說的水溫高，但 “ 高 ” 的范圍很廣，并不是一個明確的量，這樣的概念就叫做模糊的概念， 在 日常生活中存在很多這樣的模糊概念，這樣的模糊概念不能用 精確數(shù)學定量地去描述它，這就需要 模糊理論來對這些概念 進行分析，所 以，在進行系 統(tǒng)的模糊量的控制時就有了 模糊控制 。 在 一般的控制中具有幾種形式的模糊控制器，它是根據輸入變量的數(shù)量來區(qū)分的，可以分成如下幾種： （ 1） 一維模糊控制器：即只有一個輸入變量 e，這個變量就是系統(tǒng)的偏差，即設定值與實際值之差，模糊控制器就是根據這個差值進行確定輸出控制量大小的，類似于比例方式的調節(jié)方法，但這種一維模糊控制器不能提前預知系統(tǒng) 的誤差變化，只有系統(tǒng)出現(xiàn)誤差后才能做出反應，進而輸出控制調節(jié)量， 故這種一 維模糊控制器調節(jié)過程較粗糙，在要求較高的系統(tǒng)中不能滿足系統(tǒng)要求，其示意圖如圖 所示。模糊控制器主要是其主控板中的控制算法，輸入輸出端口主要有主控板和被控對象的連接的信號，包 含數(shù)模或模數(shù)轉換等電路；被控對象包含執(zhí)行器機構等；傳感器是將 所需要控制的信號量轉換成電信號的元件。 (2)將模糊論域分成多個模糊子 集，子集越多，控制精度相對較高，但設計也較復雜，結合本設計系統(tǒng)精度要求，本設計將偏差 e分成 8個模糊子集，即 NB(負大 )， NM(負中 )NS（負?。?NO( 負零 )PO（正零 ） PS( 正小 )PM（ 正中） PB（正 大）其論 域為e={6,5,4,3,1,0,+0,1,2,3,4,5,6}。根據系統(tǒng)為控制水溫，具有一定的滯后特性，故 de 結合系統(tǒng)的采樣時間可選擇其基本論域為 [7,7]， 所以它的量化因子為 ke=6/7≈ 。 第一步。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 18 頁 共 48 頁 (5)根據實際系統(tǒng)可以總結出系統(tǒng)的 各變量的 隸屬度情況 ，見表 ～ 。 (3)確定其隸屬函數(shù)，模糊控制工具 箱提供的隸屬函數(shù)有高斯隸屬函數(shù)、通用鐘型隸屬函數(shù)、梯形隸屬函數(shù)、三角形隸屬函數(shù)、 S 型隸屬函數(shù)等，本次設計采用較為常用的三角形隸屬函數(shù)作為模糊集隸屬度的確定。此次設計采用二維模糊控制器。 圖 二維模糊控制器 示意圖 （ 3）三維模糊控制器：即有輸入變量 e， de 和 d2e，變量 e 為系統(tǒng)誤差， de 為系統(tǒng)誤差 e 的導數(shù)， d2e 為系統(tǒng)誤差 e 的二階導數(shù)，除了這三種模糊控制器以外，還有更高桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 17 頁 共 48 頁 維數(shù)的模糊控制器，但隨著維數(shù)越高，其控制復雜程度也越高， 所以，在日常的控制系統(tǒng)中， 都只使用三維以下模糊控制器，其中二維模糊控制器使用得最為普遍的，其示意圖如圖 所示。對于這樣的系統(tǒng)，使用模糊控制是一個很好的選擇，模糊控制可以建立在技術人員的經驗之上，由技術人員根據經驗來給出控制量，當控制系統(tǒng)偏差大時，控制人員就給出大的輸出量，偏差為中時，輸出控制量為中，偏差小時，控制量為小。 點擊 MATLAB 工具欄的【 Simulink Library】 → 【 File】 → 【 New】 → 【 Model】，這時就建立了工程的空白頁，根據所需要的元件模塊，如 Query Instrument， To Instrument，fuzzy logic controller 模塊 等添加到 simulink 工程的的 Model 里面，完成各個子模塊的連接。這樣就可以通過單片機的 PWM 來控制其通斷時間，實現(xiàn)加熱器的功率加熱。本次設計中，使用的是簡化的 9 針的 RS232 信號接口， STC89C52 使用串口通過 MAX232 芯片來把電平轉換后和計算機進行通信， TTL 電平 可以通過 MAX232 與 RS232 電平進行轉換。 單片機最小系統(tǒng) 本次設計采 用的單片機為 DIP40 封裝的單片機，一共 40 個管腳，其最小系統(tǒng)上包含有一個 TOP220 封裝的 5V穩(wěn)壓芯片，用以穩(wěn)定最小系統(tǒng)的電源電壓，一個 RS232 下載器接口， LED 電源指示燈，另有復位電路和晶振電路， P0 口接上拉電阻，單片機的管腳由排針全部引出，以備連接其他器件接口。另外，它的功耗功耗低、質量輕、可以顯示的內容很多、使用時占用空間小，可以方便地 安裝在很多地方，被經常應用在各種儀器和顯示設備中。 圖 DS18B20 初始化時序 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 9 頁 共 48 頁 （ 1） 復位時序按照如下方式進行： 如圖 所示， 數(shù)據總線置到高電平并且進行延時一段時間間隔，延時時間在 10us以下均可以；數(shù)據總線置到低電平并且進行延時 600us左右的時間間隔；將數(shù)據總線置到高電平并且進行延時 30ms 左右的時間間隔；等待主機返回的低電平信號后進行延時 500us 左右；最后將數(shù)據總線置到高電平，完成復位操作。根據不同的工作方式有不同的波特率，當采用方式 0 時其波特率為固定的，為單片機時鐘頻率十二分之一；當選擇方式 1 時， 其波特率為可變的，例如，當采用定時器 1 工作方式 2，串口工作于方式 1 或方式 3 時，波特率的計算公式為 波特率 = 初值??? 256 112f322 os cSM O D （ 32） 式中， SMOD 為電源控制寄存器的位選 ， 選取 0 或 1， oscf 為時鐘頻率 。 STC89C52 單片機 串口 在 STC89C52 單片機中有一個全雙工的異步通訊串行接口， 為實現(xiàn)雙機、多機通訊提供了很大方便 [5]。 （ 2）外部中斷 1 由引腳 進行輸入請求，下降沿或低電平有效由控制寄存器TCOND 的位 IT1 決定， IT1=0 為電平觸發(fā)， IT1=1 為邊沿觸發(fā)， 并且以位 IE1 建立標識。 3 系統(tǒng)器件 介紹 STC89C52 單片機 概述 本次使用的是處理 器芯片是 STC89C52，它是 新一代高速 一種性能高，功耗低 的 8位處理器，具有 8KB 在系統(tǒng)可編程存儲器，使用的是 MCS51 內核， 這款處理器還在普通的 51 單片機上進行了較大的改進，從而增加了普通單片機上沒有的功能 。 總系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)中，使用溫度傳感器和對水箱進行采集溫度數(shù)據信息，然后傳送到單片機中進行運算，并將數(shù)據通過 串口通信傳到計算機 MATLAB 軟件進行進一步處理后，返回輸出控制量給單片機來控制熱水器加熱功率，并把數(shù)據同步傳到顯示器顯示，其系統(tǒng)框圖 如圖 所示： 圖 系統(tǒng)框圖 控制核心：采用單片機 STC89C52,對各個功能模塊進行數(shù)據信息的處理和控制。 （ 3） 確定頻率不變改變脈寬法：保持周期 T(或頻率 )不變，同時改變 t1 大小和 t2大小 ，如 圖 所示。 NE55 SG3525 組成的控制電路相對復雜，其智能化、自動化的可靠性能較低，不利于作為控制信號在重要場合中使用。 綜合上面所述各方案的論證比較，本設計采用方案二作為其顯示電路的最佳設計方案。 綜合上面所述各方案的比較，本設計采用方案三作為其測溫電路的傳感器元件。 方案三：可以使用 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，它是 常用的一種體積小、質量輕、新型的測溫器件，與單片機等微處理器接口簡單易行，作為數(shù)字化溫度傳感器，它讀取得到的溫度數(shù)據直接是數(shù)字量 ,測量溫度范圍為 55℃ 到 125℃ ,測量精度為 177。 測溫電路方案選擇 方案一：利用熱敏電阻來做測溫器件。 方案三：采用 FPGA 實現(xiàn)控制功能。 度 ； （ 3）設計 MATLAB 與單片機之間的數(shù)據通信 ； （ 4） 實現(xiàn)模糊控制與 PID 控制的溫度控制對比測試 。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 2 頁 共 48 頁 1 課題設計內容 設計內容 本設計主要采用 MATLAB 設計模糊控制和 PID 控制算法程序，并進行溫度控制器的設計制作，以實現(xiàn)水溫的測溫與控溫，由單片機 STC89C52 對溫度傳感器進行溫度采集并通過 LCD1602 顯示屏顯示 ，單片機通過串口通信將采集到得溫度傳到 MATLAB 進行處理后輸出控制量進行控溫，最后分別使用模糊控制算法和 PID 控制算法來對水溫進行控制，實現(xiàn)兩種算法的對比測試 。 為進行實際系統(tǒng)的研究、分析、決策設計，以及對專業(yè)人員的培訓提供了一種先進的方法 [1]。 關鍵詞： MATLAB；模糊控制； PID 控制；串口通信 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 Abstract When in a design of control system, should be to design of algorithm program, and the design process is often separate from the actual controlled object in a experiment platform, after repeated simulation experiment, it is concluded that the optimal control algorithm finally, and then apply to the actual object sometimes due to the actual controlled object have a difference in simulation control platform, the simulation of algorithm program can not necessarily achieve the ideal control it is need to redesign of a processes for the algorithm, result in the system development cycle extend, therefore, when designing the simulation algorithm is directly in used a practical model for debugging, bine the simulation experiment platform and the actual controlled object get together, greatly reduce the development time, improve the efficiency of the product design through a design of fuzzy control algorithm and PID control algorithm, respectively applied to the actual temperature control object model, to control the temperature of water, studing two kinds of control algorithm on the experiment platform through the contrast test. This paper mainly introduces the system requirements for the design and analysis of the MATLAB fuzzy control and PID control algorithm design process, using simulink environment system module through serial port and data interaction, instead of the design process of plex programs, half hardware simulation control process, it can be observed the control