【正文】 O M存 儲(chǔ) 器 與 控 制 邏 輯高速緩存溫 度 傳 感 器高 溫 觸 發(fā) 器低 溫 觸 發(fā) 器配 置 寄 存 器8 位 C R C 發(fā) 生 器電源檢測(cè)I / OCG N DV D 1V D 2V c 圖 34 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 22 的測(cè)溫原理 DS18B20的測(cè)溫原理如圖 35所示。出廠前產(chǎn)品序號(hào)存入其 ROM中。 （ 6）用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。 本文所用 DS18B20，與單片機(jī)的 。 溫度傳感器的選擇 簡(jiǎn)介 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。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2應(yīng)不接。 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（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。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。當(dāng)振蕩器復(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。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。當(dāng) P1口的管腳第一次寫(xiě) 1時(shí)，被定義為高阻輸入。 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)。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個(gè)方面考慮：使用可天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 15 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。 （ 2）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 。 、 IK39。39。 圖 27 PK39。 PID參數(shù)模糊自整定控制原理如圖所示。 綜上所述，模糊控制過(guò)程可概括為以下四個(gè)步驟： （ 1）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； （ 2）將輸入變量的精確值變?yōu)槟：浚? （ 3）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 ）； （ 4）由上述得到的控制量（模糊量），并作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)。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。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。 模糊控制系統(tǒng)的組成 模糊控制系統(tǒng)如圖 23所示 [10] 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 8 輸 入接 口模 糊控 制 器輸 出接 口執(zhí) 行機(jī) 構(gòu)被 控對(duì) 象檢 測(cè) 裝 置 s ( t )y ( t )+ 圖 23 模糊控制系統(tǒng) 模糊控制系統(tǒng)一般可以分為五個(gè)部分： （ 1）模糊控制器。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 (211)式通常被稱(chēng)為 PID控制的增量式算式 [3]。因此，式 23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]： KTt? 式（ 24） ? ? ?? ???t kjkj jeTjTeTte0 0 0 )()()( 式（ 25） T kekeT TkeKTedt tde )1()(])1[()()( ?????? 式（ 26） 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(kl)為系統(tǒng)第(kl)次采樣時(shí)刻的偏差值， k為采樣序號(hào)， k=0， 1， 2， … 。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。 智能溫度控制法 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。 線性控溫法 這種控溫方法是基于經(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)。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。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。 概述 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。 關(guān)鍵詞 ：模糊 PID； AT89C51單片機(jī)；溫度控制；仿真 Abstract Fuzzy PID temperature control system with real intelligence and flexibility, more and more temperature control systems are designed based on fuzzy PID the control object bees plicated, using conventional PID temperature control accuracy and robustness of the the control object is a plex situation, conventional PID temperature controller is no longer applied, in order to improve the control performance of plex systems, to use the fuzzy PID temperature way to PID control and fuzzy control of simplicity, flexibility, and robustness of the integration, we constructed a fuzzy PID temperature controller. This design presents a fuzzybased PID temperature control system to AT89C51 SCM,made 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. Keywords: Fuzzy PID。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。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。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。 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 2 溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)的不同可分為兩類(lèi)：動(dòng)態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。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)單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。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）。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，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。 PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： （ 1）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，以減少偏差； （ 2）積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。下面，推導(dǎo)計(jì)算較為簡(jiǎn)單的遞推算式。 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。 （ 5）檢測(cè)裝置。 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(chēng)為解模糊（也稱(chēng)清晰化）。 FuzzyPID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。 、 IK39。 表 21 PK? 的模糊規(guī)則表 （ 3）去模糊化 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。 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 12 表 22 DK39。 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 14 第三章 模糊 PID 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成 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。 （ 7）溫度顯示模塊：顯示當(dāng)前設(shè)定的溫度值。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。 主要特性： 與 MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命： 1000寫(xiě) /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10年 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 1288位內(nèi)部 RAM 32可編程 I/O線 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù) 5個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 17 圖 36 AT89C51單片機(jī)示意圖 管腳說(shuō)明： VCC：供電電壓。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口作為第八位地址接收。當(dāng) P3口寫(xiě)入 “1”后， 它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。在 FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。 PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。 振蕩器特性： XTAL1和 XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。在閑置模式下， CPU停止工作。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(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品等。固有測(cè)溫分辨率為 ℃ 。 （ 9） DS18B20的轉(zhuǎn)換速率比較高，進(jìn)行 9位的溫度轉(zhuǎn)換僅需 。 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 26所示。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性，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(mén)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。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示發(fā)送的字形。本顯示系統(tǒng)采用共陽(yáng)極靜態(tài)掃描顯示輸出，如圖 38所示。它采用了 I2C總線規(guī)程 ,使主 /從機(jī)雙向通信。然后等待溫度設(shè)定，若溫度已經(jīng)設(shè)定好了，判斷系統(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。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。 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(pán)掃描子程序、響應(yīng)輸入信號(hào)要求。在設(shè)計(jì)好這樣一個(gè)純粹的模糊控制器之后，可以利用 MATLAB本身的 SIMULINK仿真平臺(tái)來(lái)構(gòu)建整個(gè)模糊控制系統(tǒng)并進(jìn)行仿真。當(dāng)主程序進(jìn)行到該程序段時(shí)，依次掃描鍵盤(pán)，判斷有否鍵輸入。 CPU 要定時(shí)掃描刷新顯示。 圖 41 主程序流程圖 溫度傳感器 DS18B20 模塊 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 28 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 DS18B20變換后的數(shù)據(jù)， DS18B20程序流程圖如圖 42所示。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)。 微型計(jì)算機(jī)所用的鍵盤(pán)可分為編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)兩種。另 一種方法是動(dòng)態(tài)掃描顯示。數(shù)碼管具備數(shù)字接口，可以很方便的和