【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 控制方法結(jié)合起來組成模糊一線性復(fù)合控制結(jié)構(gòu)。如模糊開關(guān)控制、模糊PID控制等。基于本設(shè)計(jì)中的具體情況，應(yīng)用的正是上面羅列過的第二中控制器結(jié)構(gòu)。模糊控制規(guī)則：對(duì)于雙輸入單輸出的模糊控制器，器控制規(guī)則為“if A and B then C”來描述。本設(shè)計(jì)所描述的溫度模糊控制器有多調(diào)這樣的控制規(guī)則，模糊規(guī)則的獲取，由于變量不多，所以采用了從數(shù)據(jù)中通過學(xué)習(xí)，反復(fù)嘗試的方法：（1）當(dāng)已經(jīng)確切判斷出水平超出范圍時(shí)，才針對(duì)下一輪的水平最大最小值作出修正；（2）在對(duì)因素進(jìn)行分檔時(shí)就考慮到這種情況，可以使因素水平數(shù)比預(yù)期的水平數(shù)大，然后掐頭去尾，只取中間的因素水平。但當(dāng)變量增多這些方法就行不通了，基于沒有數(shù)學(xué)模型，信息的最大來源是測(cè)量到的數(shù)據(jù)。規(guī)則表如下表所示：表123 模糊規(guī)則表其中： BRAKE_LIGHT PS 25%BRAKE_MEDIUM PM 50%BRAKE_HARD PL 75%BRAKE_VHARD PH 100%BRAKE_NONE 0 0%BRAKE_UP_LIGHT UL 增加 8%BRAKE_DOWN_LIGHT DL 減少 8%BREAK_HOLD HD 保持模糊推理過程，在下面將有詳細(xì)的介紹。這里就不表述。去模糊基本算法： 本論文采用的是重心法（加權(quán)平均法），先計(jì)算輸出量模糊集中各元素和對(duì)應(yīng)的隸屬度的乘積和，再算出該乘積和對(duì)于對(duì)應(yīng)元素隸屬度和的平均值Z。則Z 則為應(yīng)用重心法求出的判決結(jié)果。u E EC NM NS 0 PS PM PBPB 0 0 0 0 PS PLPM 0 0 0 UL UL PHPS 0 0 DL DL PM PH0 0 DL HD HD PM PHNS 0 HD UL PM PM PHNM 0 0 UL PM PH PH2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文利用單片機(jī)電路結(jié)合模糊算法制作溫度控制器。設(shè)計(jì)中的模糊控制器主控器采用 AT89S52 芯片；測(cè)溫元件為 K 型電偶、運(yùn)算放大器、和 A/D 轉(zhuǎn)換構(gòu)成的溫度檢測(cè)通道， （在現(xiàn)行板中直接用 DS18B20 溫度傳感器模擬代替） ；顯示通道為 LCD 顯示，水泥電阻加熱。由于加熱管有一個(gè)開關(guān)控制量（場(chǎng)效應(yīng)管） ，所以采用了 PWM 技術(shù)，使得加熱功率連續(xù)可調(diào)。軟件設(shè)計(jì)采用了了模塊化結(jié)構(gòu)，對(duì)模糊矩陣采用了查表法求取。PWM 加熱控制采用了靠前加熱的方法，即在每個(gè)采樣周期的前面部分時(shí)間加熱，后面部分時(shí)間關(guān)加熱器，時(shí)間比由控制輸出情況決定。程序的主模塊有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與計(jì)算、采樣、顯示、論域變換及控制計(jì)算與動(dòng)作等。集成塊出現(xiàn)使硬件電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單易懂，從而得到了廣泛的應(yīng)用。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中涉及到得到模塊有 5 部分。 總系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案首先根據(jù)該設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的基本功能，擬定用單片機(jī)控制 PWM 控制功率輸出，設(shè)計(jì)大致應(yīng)該分為信號(hào)接收，模糊處理，模糊控制和信號(hào)響應(yīng)四個(gè)部分。（1）信號(hào)采集接收部分即通過溫度傳感器檢測(cè)箱體或爐內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度，并將這種變化量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量的變化。（2）模糊處理部分是將接收部分得到的數(shù)字量進(jìn)行轉(zhuǎn)換為模糊量，為后一部分模糊控制提供準(zhǔn)備。（3）模糊控制部分是通過將偏差值進(jìn)行模糊運(yùn)算，不斷改變單片機(jī)中的匹配寄存器的值來改變 PWM 的占空比。（4）信號(hào)響應(yīng)是通過不同的 PWM 的占空比去控制場(chǎng)效應(yīng)管的通斷來控制加熱功率。選擇傳統(tǒng)的 MCS51 單片機(jī)做為控制的核心。溫度傳感器選用 DS18B20，一總線的數(shù)字量輸出，DS18B20 是只用一根數(shù)據(jù)線傳輸?shù)?IC。一根數(shù)據(jù)線要傳送數(shù)字信號(hào)，就對(duì)信號(hào)的脈寬有了嚴(yán)格的要求。在實(shí)現(xiàn)中，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)嚴(yán)格的單線數(shù)據(jù)傳輸方式，單片機(jī)的延時(shí)程序必須精確計(jì)算到微秒級(jí)別。于此同時(shí)要產(chǎn)生 PWM 波形，必須使用到單片機(jī)的定時(shí)器。這個(gè)定時(shí)器的使用就會(huì)影響到之前 DS18B20 那個(gè)微秒級(jí)的延時(shí)的精確性。故而為了保證 DS18B2 每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_所以不得使用定時(shí)器。所以必須另找一個(gè)單片機(jī)來做定時(shí)器。所以根據(jù)設(shè)計(jì)需要必須使用 2 片 MCS51 單片機(jī)。這樣一片單片機(jī)為模糊控制器另一片為 PWM 產(chǎn)生器，這樣產(chǎn)生的 PWM 可以達(dá)到準(zhǔn)確的控制，控制效果大為提高。顯示器則用 LCD1602 方便模擬量輸入直接數(shù)字量顯示。加熱電路則選擇場(chǎng)效應(yīng)管作為功率器件，用水泥電阻做加熱元件，光耦作強(qiáng)弱電隔離。 以下是系統(tǒng)的硬件框圖。圖 21 系統(tǒng)硬件框圖 主控模塊每一個(gè)設(shè)計(jì)都要以一定的知識(shí)為基礎(chǔ)，知識(shí)的多少在一定程度上決定了設(shè)計(jì)出來的東西的好壞程度，這些知識(shí)包括硬件知識(shí)和軟件知識(shí)。硬件知識(shí)用來設(shè)計(jì)硬件電路，以實(shí)現(xiàn)電路的放大、驅(qū)動(dòng)、采集、隔離、匹配等功能。軟件知識(shí)用來設(shè)計(jì)芯片處理數(shù)據(jù)的先后順序，數(shù)據(jù)的獲得途徑以及對(duì)數(shù)據(jù)做怎樣的處理，還有其他的一些驅(qū)動(dòng)和顯示功能等等。當(dāng)然，在硬件電路里一些芯片是必不可少的，軟件設(shè)計(jì)也需要對(duì)芯片進(jìn)行編程序。本控制系統(tǒng)選用單片機(jī)控制，采用時(shí)下主流的 AT89S52 單片機(jī)。其主要功能是定時(shí)讀取溫度傳感器送出的數(shù)字量并將其轉(zhuǎn)換顯示出來，還有將每次讀到的溫度值與設(shè)定值相減，用其偏差進(jìn)行模糊運(yùn)算，得到的控制量賦給寄存器，不斷的改變內(nèi)部輸出PWM 的占空比去控制加熱功率。報(bào)警回路主要是用于系統(tǒng)出現(xiàn)異常及溫度過高的報(bào)警。按鍵 AT89S52RSTLCD加熱器AT89S52DS18B20按鍵檢測(cè)是通過程序定時(shí)掃描按鍵的狀態(tài)并加以判斷來改變系統(tǒng)的設(shè)定值。89S52 是時(shí)下主流的單片機(jī)芯片之一價(jià)格不僅便宜而且資源多。支持在線編程 ISP，使用簡(jiǎn)單的HC244 電路，就可以通過電腦上面的程序來進(jìn)行對(duì)單片機(jī)的編程,是無須拆下來放到笨重的編程器（下載器）上面燒程序。AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k 字節(jié) Flash，256字節(jié) RAM，32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。AT89S52 的引腳功能如圖： 圖 22 AT89S52引腳圖 AT89S52部分引腳的功能介紹：VCC:電源；GND:地；P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口；P1口：P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，p1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平；P2口：P2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平；P3口：P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平，P3口亦作AT89S52特殊功能（第二功能）使用，在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號(hào)；RST:復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)，RST腳持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，RST腳輸出96個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效；ALE/PROG：地址鎖存控制信號(hào)（ALE）是訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在flash編程時(shí)，此引腳也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用；XTAL2振蕩器反相放大器的輸出端。AT89C52 單片機(jī)有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的反相放大器，XTAL1 和 XTAL2 分別是放大器的輸入、輸出端。石英晶體和陶瓷諧振器都可以用來一起構(gòu)成自激振蕩器。從外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件的話，XTAL2 可以不接，而從 XTAL1 接入。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用的是外部振蕩電路連接法，其電路接法如下圖所示：圖 22 晶振電路連接圖與復(fù)位電路 （石英晶振 C1,C2=30PF177。10PF ） 輸出控制及加熱模塊本模塊主要由MOS管、光耦、加熱器、PWM等組成。其要實(shí)現(xiàn)的功能是按照PWM的占空比來不斷控制MOS管的通斷從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器的斷續(xù)加熱控制最終達(dá)到對(duì)溫度的控制。占空比大時(shí)，MOS管一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通次數(shù)多，加熱功率大；占空比小時(shí)，MOS管一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通次數(shù)少，加熱功率就小，平均電壓是與占空比成正比的。其占空比的大小是由單片機(jī)采集加熱器的溫度與設(shè)定溫度之差進(jìn)行模糊運(yùn)算得到的，從一定程度上來說，主控模塊的模糊控制算法決定了被控量的精度。在升溫過程中控制器輸出PWM波，通過過零光耦驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管來控制加熱器件工作，達(dá)到控制的目的。加熱器件采用的是水泥電阻。水泥電阻與MOS管串連，當(dāng)單片機(jī)有高電平過來時(shí)，光耦工作使得MOS管導(dǎo)通，電流從加熱電源過水泥電阻流入地端，水泥電阻工作。光耦：耦 合 器 以 光 為 媒 介 傳 輸 電 信 號(hào) 。 它 對(duì) 輸 入 、 輸 出 電 信 號(hào) 有 良 好 的 隔 離 作用 ， 所 以 ， 它 在 各 種 電 路 中 得 到 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 目 前 它 已 成 為 種 類 最 多 、 用 途 最 廣 的光 電 器 件 之 一 。 光 耦 合 器 一 般 由 三 部 分 組 成 ： 光 的 發(fā) 射 、 光 的 接 收 及 信 號(hào) 放 大 。 輸入 的 電 信 號(hào) 驅(qū) 動(dòng) 發(fā) 光 二 極 管 （ LED） ， 使 之 發(fā) 出 一 定 波 長(zhǎng) 的 光 ， 被 光 探 測(cè) 器 接 收 而產(chǎn) 生 光 電 流 ， 再 經(jīng) 過 進(jìn) 一 步 放 大 后 輸 出 。 這 就 完 成 了 電 —光 —電 的 轉(zhuǎn) 換 ， 從 而 起到 輸 入 、 輸 出 、 隔 離 的 作 用 。 由 于 光 耦 合 器 輸 入 輸 出 間 互 相 隔 離 ， 電 信 號(hào) 傳 輸 具 有單 向 性 等 特 點(diǎn) ， 因 而 具 有 良 好 的 電 絕 緣 能 力 和 抗 干 擾 能 力 。 又 由 于 光 耦 合 器 的 輸 入端 屬 于 電 流 型 工 作 的 低 阻 元 件 ， 因 而 具 有 很 強(qiáng) 的 共 模 抑 制 能 力 。 所 以 ， 它 在 長(zhǎng) 線 傳輸 信 息 中 作 為 終 端 隔 離 元 件 可 以 大 大 提 高 信 噪 比 。 在 數(shù) 字 通 信 及 實(shí) 時(shí) 控 制 中 作 為 信號(hào) 隔 離 的 接 口 器 件 ， 可 以 大 大 增 加 系 統(tǒng) 工 作 的 可 靠 性 。場(chǎng)效應(yīng)晶體管：場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor 縮寫(FET)）簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管.由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高（100000000～1000000000Ω）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)?、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者。場(chǎng)效應(yīng)管可應(yīng)用于放大，由于場(chǎng)效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高,因此耦合電容可以容量較小,不必使用電解電容器。場(chǎng)效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換，所以場(chǎng)效應(yīng)管還可以用作電子開關(guān)，用于多級(jí)放大器的輸入級(jí)作阻抗變換。同時(shí)也可以用作可變電阻和方便地用作恒流源。判 定 柵 極 G： 將 萬 用 表 撥 至 R1k 檔 ， 用 萬 用 表 的 負(fù) 極 任 意 接 一 電 極 ， 另 一只 表 筆 依 次 去 接 觸 其 余 的 兩 個(gè) 極 ， 測(cè) 其 電 阻 。 若 兩 次 測(cè) 得 的 電 阻 值 近 似 相 等 則 負(fù)表 筆 所 接 觸 的 為 柵 極 另 外 兩 電 極 為 漏 極 和 源 極 。 漏 極 和 源 極 互 換 ， 若 兩 次 測(cè) 出 的電 阻 都 很 大 則 為 N 溝 道 ， 若 兩 次 測(cè) 得 的 阻 值 都 很 小 則 為 P 溝 道 .基 于 以 上 基 本 知 識(shí) ， 設(shè) 計(jì) 出 的 接 線 電 路 如 下 圖 ：圖 23 輸 出 控 制 及 加 熱 電 路 圖判 定 源 極 S、 漏 極 D： 在 源 漏 之 間 有 一 個(gè) PN 結(jié) ， 因 此 根 據(jù) PN 結(jié) 正 、 反 向電 阻 存 在 差 異 可 識(shí) 別 S 極 與 D 極 。 用 交 換 表 筆 法 測(cè) 兩 次 電 阻 ， 其 中 電 阻 值 較 低（ 一 般 為 幾 千 歐 至 十 幾 千 歐 ） 的 一 次 為 正 向 電 阻 ， 此 時(shí) 黑 表 筆 的 是 S 極 紅 表 筆 接D 極 。水 泥 電 阻 ： 水 泥 電 阻 是 將 電 阻 線 繞 在 無 堿 性 耐 熱 瓷 件 上 ， 外 面 加 上 耐 熱 、 耐 濕及 耐 腐 蝕 之 材 料 保 護(hù) 固 定 并 把 繞 線 電 阻 體 放 入 方 形 瓷 器 框 內(nèi) ， 用 特 殊 不 燃 性 耐 熱 水泥 充 填 密 封 而 成 。 水 泥 電 阻 的 外 側(cè) 主 要 是 陶 瓷 材 質(zhì) 。特 點(diǎn) ： （ 1） 體 積 小 、 耐 震 、 耐 濕 、 耐 熱 及 良 好 散 熱 ， 低 價(jià) 格 等 特 性 ?！?　 （ 2） 完 全 絕 緣 ， 適 用 于 印 刷 電 路 板 ?！?　 （ 3） 瓷 棒 上 繞 線 然 后 接 頭 電 焊 ， 制 出 精 確 電 阻 值 及 延 長(zhǎng) 壽 命 ?！?　 （ 4） 高 電 阻 值 采 用 金 屬 氧 化 皮 膜 體 (MO)代 替 繞 線 方 式 制 成 ?！?　 （ 5） 耐 熱 性 優(yōu) ，