【文章內容簡介】 45555第七步，本文在反模糊化設計中采用了常用的最大隸屬度法。這個方法是在輸出模糊集合中選取隸屬度最大的論域元素值作為輸出結果，再利用最大隸屬度法得到隸屬度最大的那個元素作為相應輸入的輸出。制成如表36所示的模糊控制決策表。同理我們可以得到濕度補償的模糊決策表，如表37所示。 溫濕度的耦合解開后，系統(tǒng)的控制問題進而轉換成兩個單變量控制的問題，即溫度的單回路控制和濕度的單回路控制。在溫度的控制策略中主要分成是空調；濕度的控制主要是噴霧系統(tǒng)進行調節(jié)。本課題采取以溫度控制為主、濕度控制為輔的策略，分別采用模糊控制方法對溫度和濕度進行控制。下面以溫度的模糊控制算法為例進行介紹；濕度的模糊控制算法的實現(xiàn)過程與之相同，在此不再作介紹。 在本課題中，根據溫室環(huán)境溫度控制的特點，采用兩輸入—輸出的模糊控制方法。兩輸入指溫度偏差E和溫度偏差變化率EC，輸出指不同的溫濕度調節(jié)機構的運行狀況。將溫度誤差的基本論域定為[5℃，5℃]，溫度誤差變化的基本論域定為[1℃，+l℃]為提高控制精度和響應速度，將溫度的控制范圍分為模糊控制區(qū)和確定控制區(qū)，以溫度誤差范圍為界，溫度誤差在規(guī)定范圍以內為模糊控制區(qū)，以外為確定控制區(qū)。在確定控制區(qū)內，溫濕度調節(jié)機構全開或全關，在模糊控制區(qū)，將溫度偏差、偏差變化率的模糊集合分為7個模糊子集，分別為PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，Z(零)，NS(負小)，NM(負中)，NB(負大)。選取語言變量E、EC的論域均為：{4，3，2，1，0，1，2，3，4}。為了簡化計算，在滿足系統(tǒng)控制精度的前提下，輸入均采用三角隸屬函數。根據實際控制經驗，溫度偏差E、溫度偏差變化率EC形狀如圖36所示。圖36 對應E、EC隸屬函數由此可得溫度偏差E、偏差變化率EC的隸屬函數賦值表如表38所示。表38 溫度偏差E與偏差變化率EC隸屬度賦值表E/EC變量432101234NB10000000NM10000NS0010000Z0001000PS0000100PM00001PB00000001 控制量輸出采用棒形隸屬函數，棒形隸屬函數是其它隸屬函數幅度為零的特例。本系統(tǒng)控制量的模糊劃分采用單點，分為7個模糊子集，分別為PB（正大），PM（正中），PS（正?。琙（零），NS（負小），NM（負中），NB（負大）。選取語言變量U的論域為：{3，2，1，0，1，2，3}?？刂屏康碾`屬函數如圖37所示。圖37 控制量的隸屬函數在本課題中，用與本章前面溫濕度解耦中由模糊控制規(guī)則表求取模糊控制查詢表相同的方法和步驟，可得到溫室溫度的模糊控制查詢表。如表39所示。實際控制過程中，可以對該表進行優(yōu)化，根據查表的結果求出控制量，去控制或驅動執(zhí)行機構，實現(xiàn)對溫室溫度的智能控制。表39 溫度輸出控制量U模糊決策表UEC432101234E433331003333310021112110011122143013333040013333 第四章 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 系統(tǒng)硬件組成框圖如圖41所示，主要有溫濕度采集、數碼管顯示、鍵盤、步進電機驅動控制、排濕風扇調速驅動控制、循環(huán)風機驅動控制、參數存儲、聲光報警、電源等幾個部分組成。 圖41 系統(tǒng)硬件組成框圖本系統(tǒng)采用ATMEL公司的Atmega16單片機，它有如下特點：16K字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內調試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數器(T/C)，片內/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益 (TQFP封裝)的ADC ，具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。工作于空閑模式時CPU停止工作，而USART、兩線接口、A/D 轉換器、 SRAM、T/C、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時終止CPU和除了異步定時器與ADC以外所有I/O模塊的工作，以降低ADC轉換時的開關噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展Standby模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。圖42 引腳配置電源是系統(tǒng)的重要組成部分，電源模塊提供開發(fā)板的工作電源，同時通過擴展口為擴展系統(tǒng)提供電源。～，這里采用AV220直接輸入經AC220V~AC9V15W變壓器調壓至AC9V，再經二極管全波整流橋、濾波、穩(wěn)壓(7805)得到DC5V電壓，其電路如圖43所示。同時在系統(tǒng)板上單片機、晶振、關鍵芯片位置處布置104的電容隔離5V和地，起到去耦作用，有效去除振蕩信號的干擾。圖43 電源轉換電路圖為了達到實時響應，使用戶隨時調節(jié)系統(tǒng)參數，鍵盤采用中斷擴展方式，這樣既節(jié)省中斷資源，又實現(xiàn)了多外部中斷響應的效果。同時，這種方式也可節(jié)省不少CPU時間，在沒有按鍵觸發(fā)的時候，CPU只處理與按鍵無關的事件，當有按鍵按下，CPU就會及時響應外部中斷，進入中斷服務程序對按鍵事件進行處理，處理完畢立即返回主函數，相對于查詢方式的按鍵設計具有更高的實時性和可靠性。其電路原理圖如圖44所示。其中，74HC260是或非門，沒有鍵按下的時候，74HC260的IN輸入端為低電平，經或非以后輸出端為高電平，CPU不響應中斷；一旦有鍵按下74HC260輸入端為高電平，經或非輸出端為低電平，這時CPU響應外部中斷，按鍵事件發(fā)生按照系統(tǒng)的方案要求，設置了基于外部中斷0的五個按鍵，S1~S5分別代表設置鍵、增加鍵、減少鍵、查詢鍵、設定鍵。圖44 鍵盤電路原理圖MAX7219是美國MAXIM(美信)公司推出的多位LED顯示驅動器，采用3線串行接口傳送數據，可直接與單片機接口，用戶能方便修改其內部參數，以實現(xiàn)多位LED顯示。它內含硬件動態(tài)掃描顯示控制，每枚芯片可驅動8個LED數碼管。顯然，它可直接驅動64段LED條形圖顯示器。當多片MAX7219級聯(lián)時，可控制更多的LED。顯示的數據通過單片機數據處理后，送給MAX7219顯示。當然，也完全可以將MAX7219的一部分用于條形圖顯示，一部分用于其他顯示(如數字和字母等)。圖45 顯示電路的連接步進電機驅動控制電路結構如圖46所示。其中單片機是為脈沖分配器提供脈沖信號的和控制信號的；脈沖分配器將單片機送過來的脈沖按照預先設定好的邏輯時序進行分配(比如四相八拍的步進方式)；脈沖放大器是為了將從脈沖分配器輸出的電壓較低的信號放大強化并送入光電耦合器，將單片機的電源和步進電機的電源隔離開，脈沖再次經過功率放大最后送入到步進電機繞組，步進電機開始運行。圖46 步進電機驅動控制電路結構步進電機是數字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。近30年來，數字技術、計算機技術和永磁材料的迅速發(fā)展，推動了步進電動機的發(fā)展，為步進電動機的應用開辟了廣闊的前景。步進電機可分為反應式步進電機(簡稱VR)、永磁式步進電機(簡稱PM)和混合式步進電機(簡稱HB)。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。步進電動機有如下特點： 步進電動機的角位移與輸入脈沖數成正比，因此，當它轉一轉后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨型。 由步進電動機與驅動電路組成的開環(huán)數控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價、又非?？煽?。 步進電動機的動態(tài)響應快，易于起停、正反轉及變速。 速度可在相當寬的范圍內平滑調節(jié)，在低速下仍能保證獲得大轉矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅動負載。 步進電動機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。 步進電動機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應的措施。步進電機的驅動電路根據控制信號工作，控制信號由單片機產生。其基本原理作用如下： （1）控制換相順序 通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：四相步進電機有三種工作方式： 1）單四拍：其各相通電順序為ABCD；2）雙四拍：其各相通電順序為ABBCCDDA；3）四相八拍：其各相通電順序為AABBBCCCDDDA，或者ABABCBCBCDCDCDAOADAB。它的時序控制如圖47所示。圖47 電機時序控制如圖八拍方式與其它兩種方式相比，相電流最大，高頻性能較好，轉矩大，電磁阻尼較大，不易振蕩，功耗中等。而矩角特性是步進電機運行時一個很重要的參數，矩角特性好，步進電機啟動轉矩就大，運行不易失步。改善矩角特性一般通過增加步進電機的運行拍數來實現(xiàn)。因此在很多情況下，四相步進電機采用四相八拍工作方式。（2）控制步進電機的轉向如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。（3）控制步進電機的速度如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。驅動脈沖的分配可以使用硬件方法，即用脈沖分配器實現(xiàn)。現(xiàn)在，脈沖分配器己經標準化、芯片化，市場上可以買到。但硬件方法結構復雜，成本也較高。 步進電機控制(包括控制脈沖的產生和分配)也可以使用軟件方法，即用單片機實現(xiàn)，這樣既簡化了電路，也降低了成本。使用單片機以軟件方式驅動步進電機，不但可以通過編程方法，在一定范圍內自由設定步進電機的轉速、往返轉動的角度以及轉動次數等，而且還可以方便靈活地控制步進電機的運行狀態(tài)，以滿足不同用戶的要求。因此，常把單片機步進電機控制電路稱之為可編程步進電機控制驅動器。這種方式電路簡單、控制靈活，但占用CPU的時間過多，每次驅動電機時，單片機都得被占用。因此在本系統(tǒng)中采用GAL作為脈沖分配器來驅動電機。 GAL脈沖分配器如圖48所示，GAL16V8D的6腳分別定義為CLK、DIRRSTI、DIRRST2分別于單片機的I/O口相連，1A、1B、1C、1D和2A、2B、2C、2D分別接兩路步進電機的四相。CLK作為GAL的時鐘輸入端，通過調整CLK的頻率可以改變步進電機轉動的速度和加速度；DIRDIR2作為步進電機脈沖的方向控制端，當DIRDIR2步進脈沖為AABBBCCCDDDA時，步進電機正轉，當DIRDIR2步進脈沖為DDCCCBBBAAAD時，步進電機反轉；RST用來使步進電機回到“零”位置。圖48 脈沖分配器的連接 步進電機的選型選用常州寶來電器有限公司生產的精密減速步進電機，型號為42BY48HJ120。它的參數如表41。表41步進電機型號參數步距角相速4電壓24電流電阻90空載起動頻率(PPS)300空載運行頻率(PPS)400起動轉矩()80定位轉矩()160 步進電機驅動控制電路 GAL16VS引腳的輸出電流典型值為4575mA，GAL的輸出電流放大后才能驅動步進電機。因此GAL后接一片ULN2003，它是8路達林頓驅動芯片，它的最大輸出電流達到500mA。GAL經過邏輯編程作為步進電機的脈沖分配器，74LS07將GAL發(fā)出的脈沖信號放大送往光電隔離TLP521，ULN2003進一步將脈沖信號放大并送往功率驅動管驅動步進電機運轉。本設計采用的是4相步進電機，工作電壓+24V，用共陰極的接法。從ULN2003經功率管放大輸出的信號A、B、C、D，若A=0(低電平)，則表示該步進電機的A相導通，接著再讓B相導通，如果有規(guī)律地使4相依次導通：AABBBCCCDDDA，那么電機就會轉動起來，如果導通順序反向，則反轉。圖49為一路步進電機驅動控制電路。