【正文】 測(cè)溫電路原理圖 圖 35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。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。 （ 7）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。如圖 37所示。使用 DS1SB20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。注意加密方式 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。如想禁止 ALE的輸出可在 SFR8EH地址上置 0。初始化后，程序計(jì)數(shù)器 PC指向 0000H， P0P3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”。 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)行天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 18 存取時(shí)， P2口輸出地址的高八位。 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。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次。 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。 （ 3）溫度設(shè)定模塊：用來設(shè)定所需求的溫度。 、 DK39。 ； ?????miimiDiDuKuK1139。 、 IK39。 d e / d t模 糊推 理P I D 調(diào) 節(jié) 器對(duì) 象R ( t )Y ( t )K iK d K p 圖 25 PID模糊自整定控制原理圖 模糊 PID 算法運(yùn)用 （ 1）模糊化處理 將系統(tǒng)誤差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｝。 模糊 PID復(fù)合控制算法 模糊 PID 復(fù)合算法 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。 模糊控制的基本原理 模糊控制的基本原理如圖 24所示，它的核心部分為模糊控制器，即圖中線框內(nèi)部 [9]。 （ 4）被控對(duì)象。它是各類模糊控制系統(tǒng)的核心部分。增量式 PID控制算法與位置式控制算法比較，有如下的一些優(yōu)點(diǎn)： （ 1）位置式算法每次輸出與整個(gè)過去狀態(tài)有關(guān)，算式中要用到過去偏 差的累加值 ? )(je ，容易產(chǎn)生較大的累計(jì)誤差。 將上面的式 24和式 25代入式 26則可以得到離散的 PID表達(dá)式： ?? ?????kjDIP kekeTTjeTTkeKku0 )]1()([)()({)( 式（ 27） 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，因而使被控過程與連續(xù)控制過程十分接近。 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 4 第二章 模糊 PID 控制理論 控制器 PID控制策略是最早發(fā)展起來的控制策略之一，現(xiàn)金使用的 PID控制器產(chǎn)生并發(fā)展于 19151940 年期間盡管自 1940 年以來，許多先進(jìn)的控制方法不斷的推出，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)過程進(jìn)行組合，而且其應(yīng)用時(shí)期較長，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)。并通過將智能控 制與 PID 控制天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 3 相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)溫度的智能控制。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)越于定值開關(guān)控溫。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。 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，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。自然界中任何物理、化學(xué)過程都緊密的與溫度相聯(lián)系。 AT89C51 SCM。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。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時(shí)無刻不在與溫度打著交道。 今天，我們的生活環(huán)境和工作環(huán)境有越來越多稱之為單片機(jī)的小電腦在為我們服務(wù)。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]。若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開啟加熱器并同時(shí)關(guān)斷制冷器。其中數(shù)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。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。 控制理論 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)： )()()( tytrte ?? 式（ 21） 將偏差 e(t)的比例 (Proportional)、積分 (Integral)和微分 (Derivative)通過線性組合構(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21所示： 圖 21 PID控制系統(tǒng)原理圖 其控制規(guī)律為 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 5 ])()(1)([)(0???? t DP dt tdeTdtteTteKtu 式 （ 22） 或者寫成傳遞函數(shù)形式為 )11()(DSISP TTKsG ??? 式（ 23） 式 23中 PK ：比例系數(shù)； IK ：積分時(shí)間常數(shù)； DK ：微分時(shí)間常數(shù)?？梢钥闯?，每次輸出與過去的所有狀態(tài)都有關(guān)，要想計(jì)算 u(k)，不僅涉及 e(k)和 e(kl)，且須將歷次 e(j)相加，計(jì)算復(fù)雜，浪費(fèi)內(nèi)存。 人 控 制 對(duì) 象信 息 圖 22 典型人機(jī)控制系統(tǒng)框圖 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，通過人的感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。 （ 2）輸 入 輸出接口。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。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 u為一個(gè)模糊量。本文采用 FuzzyPID復(fù)合控 制溫度可以克服上述兩種方法的缺點(diǎn)。 圖 26 E、 Ec隸屬函數(shù) 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 11 PK39。建立 PK 、 IK 、DK 的模糊控制規(guī)則表分別如表 2 22和 23所示。 。*)( m inm a xm in ??? IIIII KKKKK ???? *)( m inm a xm in 其中 minPK 、 maxPK 、 minDK 、 maxDK 由以下公式得到： UP KK ? ， UP KK ax? UUD TKK in ? ， UUD TKK ax ? 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 13 式中： UK 為比例控制下等幅振蕩時(shí)的比例增益； UT 為比例控制下等幅振蕩時(shí)振蕩周期 [8]。 （ 6）外部存儲(chǔ)模塊：用來存儲(chǔ)設(shè)定溫度的上 限值和下限值 。 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。 AT89C51 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 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。 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。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(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)。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE禁止，置位無效。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 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?，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。 （ 3）可用數(shù)據(jù)線供電，供電電壓范圍 +~ （ 4）測(cè)溫范圍 :55℃ ~125℃ 。但此時(shí)芯片無法正常工作。 UDD是可供選用的外部電源端，不用時(shí)接地， GND為地，NC空腳。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。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。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。蜂鳴電路如圖 310所示 B U Z 1B UZ Z E RQ6T IP 3 1R31K 圖 310 蜂鳴電路 外部存儲(chǔ)模塊 外部存儲(chǔ)模塊采用美國 ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗 CMOS 型 E2PROM 器件AT24C02B,它內(nèi)含 2568 位存儲(chǔ)空間 ,具有工作電壓寬 (～ 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)。 圖 312 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊電路 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 26 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 27 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主程序模塊 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。在這一瞬時(shí)，只有這一位在顯示，其他幾位暗。 CPU對(duì)鍵盤處理控制的工作方式有以下幾 種：程序控制掃描方式、定時(shí)控制掃描方式、中斷控制方式。 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 31 第五章 系統(tǒng)的仿真 仿真工具 本文利用 MATLAB的模糊控制工具箱進(jìn)行仿真，模糊控制工具箱是一個(gè)不針對(duì)具體硬件平臺(tái)的模糊控制設(shè)計(jì)工具，它可以用完全圖形界面的工作方式設(shè)計(jì)整個(gè)模糊控制器，如定義它的輸入、輸出變量的數(shù)目，各輸入、輸出變量隸屬函數(shù)的形狀和條目，模糊規(guī)則的數(shù)目，模糊推理的方法，去模糊化的方法等等。若有，則計(jì)算按鍵編號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)的鍵功能子程序。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。 開 始初 始 化D S 1 8 B 2 0發(fā) 搜 索 R O M 命 令讀 D S 1 8 B 2 0 序 列 號(hào)存 在 一 個(gè)D S 1 8 B 2 0 ？初 始 化 D S 1 8 B 2 0發(fā) 跳 過 R O M 命 令發(fā) 溫 度 轉(zhuǎn) 換 命 令等 待 2 u si = 1初 始 化 D S 1 8 B 2 0發(fā) 匹 配 R O M 命 令發(fā) 一 個(gè) D S 1 8 B 2 0 序 列 號(hào)讀 存 儲(chǔ) 器讀 匹 配 的 D S 1 8 B 2 0 溫 度在 線 所 有D S 1 8 B 2 0 訪 問完 成 ？i = i + 1NYYN 圖 42 DS18B20總體操作流程圖 DS18B20子程序設(shè)計(jì)見附錄一。 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。編碼鍵盤采用硬件線路來實(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。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 AH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。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。 6 4 位 R