【正文】 程序控制掃描方式的鍵處理程序固定在主程序的某個程序段。主程序模塊的程序流程圖如圖 41所示。 S 121345 67891 03ABCD pDEFGL E D21V 2 ABCDEFGD pVV c c 圖 38 單個數(shù)碼管連接圖 鍵盤接口電路 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。 數(shù)碼管輸出 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。 （ 10）適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS18B20 都有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便和更令人滿意的效果。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。在平時， ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。 P2口： P2口為一個內(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 TTL門電流， 當(dāng) P2口被寫 “1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。因此，在設(shè)計(jì)時，除了保持高性能外，盡可能降低成本，如簡化外圍硬件電路，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。系統(tǒng)總體框圖如圖 31所示 [5]。去模糊化的過程是把推理系統(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。 FuzzyPID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) PK 、IK 、 DK 與誤差變化 CE 間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系為： ),(1 CP EEfK ? ， ),(2 CI EEfK ? ， ),(3 CD EEfK ? 并根據(jù)不同的 E和 Ec 在線自整定參數(shù) PK 、 IK 、 DK 的控制器。即傳感器，傳感器是將被控對象或各種過程的被控量轉(zhuǎn)化為電信號（模擬或數(shù)字）的一類裝置。模糊控制器將根據(jù)輸入的信息進(jìn)行模糊決策，輸出一個模糊量，然后將它精確化，并作用于被控對象。； （ 3）微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號的變化趨勢 (變化速率 )，并且能在偏差信號值變得太大 之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間 [5]。只要 PID參數(shù)選取的正確，對于一個確定的受控系統(tǒng)來說，其控制精度是比較令人滿意的。動態(tài)溫度跟蹤實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的 曲線進(jìn)行變化。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等行業(yè)，可以說幾乎 80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。 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。 溫度測控技術(shù)的發(fā)展與 現(xiàn)狀 近年來，溫度的檢測在理論上發(fā)展比較成熟，但在實(shí)際測量和控制中，如何保證快速實(shí)時地對溫度進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對所測溫度場進(jìn)行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問題。 由于這種控制方式是當(dāng)系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點(diǎn)時關(guān)斷電源，當(dāng)系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點(diǎn)時開通電源，因而無法克服溫度變化過程的滯后性，致使被控對象溫度波動較大，控制精度低，完全不適用于高精度的 溫度控制。目前國內(nèi)溫控儀表的發(fā)展，相對國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。 因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)控制中式中 0a 、 1a 、 2a 都可以事先求出，所以，實(shí)際控制時只須獲得 )(ke 、 )1( ?ke 、 )2( ?ke 三個有限的偏差值就可以求出控制增量。 （ 3）執(zhí)行結(jié)構(gòu)。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)了都被控對象的模糊控制。 的論域?yàn)?[0,1]，均服從正態(tài)分布，隸屬函數(shù)如圖 27 所示。 的模糊規(guī)則表 （ 4）確定參數(shù) PK39。 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)的每一個環(huán)節(jié)，都應(yīng)該將可靠性作為首要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 P0口： P0口為一個 8位漏級開路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL門電流。 RST：復(fù)位輸入。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN信號將不出現(xiàn)。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，直到下一個硬件復(fù)位為止。 （ 5）通過編程可實(shí)現(xiàn) 9~12位的數(shù)字讀數(shù)方式。溫度傳感器； 64 位激光 (loser)ROM 與單線接口； 高速暫存器，即便筏式RAM，用于存放中間數(shù)據(jù) : TH 觸發(fā)寄存器和 TL 觸發(fā)寄存器，分別用來存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值； 存儲和控制邏輯； 8 位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼 (CRC)發(fā)生器 。另 一種方法是動態(tài)掃描顯示。無論是主機(jī)還 是從機(jī) ,接收到一個字節(jié)后必須發(fā)出一個確認(rèn)信號。 CPU 要定時掃描刷新顯示。在設(shè)計(jì)好這樣一個純粹的模糊控制器之后，可以利用 MATLAB本身的 SIMULINK仿真平臺來構(gòu)建整個模糊控制系統(tǒng)并進(jìn)行仿真。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，由于人的視覺滯留效應(yīng)，人們看到的是多位同時穩(wěn)定顯示。它采用了 I2C總線規(guī)程 ,使主 /從機(jī)雙向通信。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。 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 26所示。固有測溫分辨率為 ℃ 。在閑置模式下， CPU停止工作。 PSEN：外部程序存儲器的選通信號。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。 主要特性： 與 MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10年 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 三級程序存儲器鎖定 1288位內(nèi)部 RAM 32可編程 I/O線 兩個 16位定時器 /計(jì)數(shù) 5個中斷源 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 管腳說明： VCC：供電電壓。 （ 7）溫度顯示模塊：顯示當(dāng)前設(shè)定的溫度值。 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。 、 IK39。 為了對被控對象施加精確的控制，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）。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)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，然后送給被控對象。下面，推導(dǎo)計(jì)算較為簡單的遞推算式。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)來改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。這種開關(guān)控溫方法比較簡單，在沒有計(jì)算機(jī)參與的情況下，用很簡單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。單片機(jī)在工業(yè)控制、尖端武器、通信設(shè)備、信息處理、家用電器等各測控領(lǐng)域的應(yīng)用中獨(dú)占鰲頭。當(dāng)控制對象很復(fù)雜的情況下，常規(guī) PID溫度控制器已經(jīng)不再適用了，為了提高對復(fù)雜系統(tǒng)的控制性能，要使用模糊 PID溫度控制器。 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。恒值溫度控制的目的是使被控對象的溫度恒定在某一給定數(shù)值上，且要求其波動幅度 (即穩(wěn)態(tài)誤差 )不能超過某允許值。 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。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，以一系列的采樣時刻點(diǎn) KT 代表連續(xù)時間 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 次采樣時刻的偏差值， e(kl)為系統(tǒng)第(kl)次采樣時刻的偏差值， k為采樣序號， k=0， 1， 2， … 。 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 象檢 測 裝 置 s ( t )y ( t )+ 圖 23 模糊控制系統(tǒng) 模糊控制系統(tǒng)一般可以分為五個部分： （ 1）模糊控制器。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模糊控制系統(tǒng)的精度，因此，在選擇傳感器時，應(yīng)十分注意選擇精度高且穩(wěn)定性好的傳感器。 PID參數(shù)模糊自整定控制原理如圖所示。39。 （ 2）溫度采集模塊：該模塊用來 采集控制對象的溫度，并輸入到單片機(jī)中 。 AT89C2051是一種帶 2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE脈沖。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2應(yīng)不接。 本文所用 DS18B20，與單片機(jī)的 。出廠前產(chǎn)品序號存入其 ROM中。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。編碼鍵盤采用硬件線路來實(shí)現(xiàn)鍵盤 編碼，每按下一個鍵，鍵盤能自動生成按鍵代碼，鍵數(shù)較多，而且還具有去抖動功能，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。 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 號存 在 一 個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 D S 1 8 B 2 0 序 列 號讀 存 儲 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。若有，則計(jì)算按鍵編號，執(zhí)行相應(yīng)的鍵功能子程序。 CPU對鍵盤處理控制的工作方式有以下幾 種：程序控制掃描方式、定時控制掃描方式、中斷控制方式。 圖 312 電機(jī)驅(qū)動控制模塊電路 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，其中初始化包括對單片機(jī)的初始化和串口初始化等。靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，占用很少的 CPU 時間，但每個顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動電路，使用的電路硬件較多；動態(tài)顯示需要 CPU 時刻對顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的 CPU 時間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。減法計(jì)數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(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重新開始對低溫 度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(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，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。但此時芯片無法正常工作。現(xiàn)場溫度直接以 “一線總線 ”的數(shù)字方式傳輸，用符號擴(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。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。 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，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 單片機(jī)除體積小、功耗低等特點(diǎn)外，最大的優(yōu)勢在于高性能價格比。*)( 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 ?