【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 45555第七步，本文在反模糊化設(shè)計(jì)中采用了常用的最大隸屬度法。這個(gè)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(jié)果，再利用最大隸屬度法得到隸屬度最大的那個(gè)元素作為相應(yīng)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(bǔ)償?shù)哪：龥Q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(jìn)而轉(zhuǎn)換成兩個(gè)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(diào)；濕度的控制主要是噴霧系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)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(duì)溫度和濕度進(jìn)行控制。下面以溫度的模糊控制算法為例進(jìn)行介紹；濕度的模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)過程與之相同，在此不再作介紹。 在本課題中，根據(jù)溫室環(huán)境溫度控制的特點(diǎn)，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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)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(yīng)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(nèi)為模糊控制區(qū)，以外為確定控制區(qū)。在確定控制區(qū)內(nèi)，溫濕度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)全開或全關(guān)，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(gè)模糊子集，分別為PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，Z(零)，NS(負(fù)小)，NM(負(fù)中)，NB(負(fù)大)。選取語(yǔ)言變量E、EC的論域均為：{4，3，2，1，0，1，2，3，4}。為了簡(jiǎn)化計(jì)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(shù)。根據(jù)實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)，溫度偏差E、溫度偏差變化率EC形狀如圖36所示。圖36 對(duì)應(yīng)E、EC隸屬函數(shù)由此可得溫度偏差E、偏差變化率EC的隸屬函數(shù)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(shù)，棒形隸屬函數(shù)是其它隸屬函數(shù)幅度為零的特例。本系統(tǒng)控制量的模糊劃分采用單點(diǎn)，分為7個(gè)模糊子集，分別為PB（正大），PM（正中），PS（正小），Z（零），NS（負(fù)?。琋M（負(fù)中），NB（負(fù)大）。選取語(yǔ)言變量U的論域?yàn)椋簕3，2，1，0，1，2，3}?？刂屏康碾`屬函數(shù)如圖37所示。圖37 控制量的隸屬函數(shù)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(shí)際控制過程中，可以對(duì)該表進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)查表的結(jié)果求出控制量，去控制或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)計(jì)與實(shí)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(shù)碼管顯示、鍵盤、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、排濕風(fēng)扇調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制、循環(huán)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、參數(shù)存儲(chǔ)、聲光報(bào)警、電源等幾個(gè)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(jī)，它有如下特點(diǎn)：16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益 (TQFP封裝)的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI串行端口，以及六個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。工作于空閑模式時(shí)CPU停止工作，而USART、兩線接口、A/D 轉(zhuǎn)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(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時(shí)終止CPU和除了異步定時(shí)器與ADC以外所有I/O模塊的工作，以降低ADC轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)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(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展Standby模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)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(shí)通過擴(kuò)展口為擴(kuò)展系統(tǒng)提供電源?！?，這里采用AV220直接輸入經(jīng)AC220V~AC9V15W變壓器調(diào)壓至AC9V，再經(jīng)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(shí)在系統(tǒng)板上單片機(jī)、晶振、關(guān)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(hào)的干擾。圖43 電源轉(zhuǎn)換電路圖為了達(dá)到實(shí)時(shí)響應(yīng)，使用戶隨時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，鍵盤采用中斷擴(kuò)展方式，這樣既節(jié)省中斷資源，又實(shí)現(xiàn)了多外部中斷響應(yīng)的效果。同時(shí)，這種方式也可節(jié)省不少CPU時(shí)間，在沒有按鍵觸發(fā)的時(shí)候，CPU只處理與按鍵無關(guān)的事件，當(dāng)有按鍵按下，CPU就會(huì)及時(shí)響應(yīng)外部中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序?qū)Π存I事件進(jìn)行處理，處理完畢立即返回主函數(shù)，相對(duì)于查詢方式的按鍵設(shè)計(jì)具有更高的實(shí)時(shí)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(shí)候，74HC260的IN輸入端為低電平，經(jīng)或非以后輸出端為高電平，CPU不響應(yīng)中斷；一旦有鍵按下74HC260輸入端為高電平，經(jīng)或非輸出端為低電平，這時(shí)CPU響應(yīng)外部中斷，按鍵事件發(fā)生按照系統(tǒng)的方案要求，設(shè)置了基于外部中斷0的五個(gè)按鍵，S1~S5分別代表設(shè)置鍵、增加鍵、減少鍵、查詢鍵、設(shè)定鍵。圖44 鍵盤電路原理圖MAX7219是美國(guó)MAXIM(美信)公司推出的多位LED顯示驅(qū)動(dòng)器，采用3線串行接口傳送數(shù)據(jù)，可直接與單片機(jī)接口，用戶能方便修改其內(nèi)部參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)多位LED顯示。它內(nèi)含硬件動(dòng)態(tài)掃描顯示控制，每枚芯片可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LED數(shù)碼管。顯然，它可直接驅(qū)動(dòng)64段LED條形圖顯示器。當(dāng)多片MAX7219級(jí)聯(lián)時(shí)，可控制更多的LED。顯示的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后，送給MAX7219顯示。當(dāng)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(shù)字和字母等)。圖45 顯示電路的連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)如圖46所示。其中單片機(jī)是為脈沖分配器提供脈沖信號(hào)的和控制信號(hào)的；脈沖分配器將單片機(jī)送過來的脈沖按照預(yù)先設(shè)定好的邏輯時(shí)序進(jìn)行分配(比如四相八拍的步進(jìn)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(hào)放大強(qiáng)化并送入光電耦合器，將單片機(jī)的電源和步進(jìn)電機(jī)的電源隔離開，脈沖再次經(jīng)過功率放大最后送入到步進(jìn)電機(jī)繞組，步進(jìn)電機(jī)開始運(yùn)行。圖46 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。近30年來，數(shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和永磁材料的迅速發(fā)展，推動(dòng)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(簡(jiǎn)稱VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(簡(jiǎn)稱PM)和混合式步進(jìn)電機(jī)(簡(jiǎn)稱HB)。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn)： 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)成正比，因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨型。 由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)、又非?？煽?。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。 速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，在低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電源。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)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(jìn)電機(jī)有三種工作方式： 1）單四拍：其各相通電順序?yàn)锳BCD；2）雙四拍：其各相通電順序?yàn)锳BBCCDDA；3）四相八拍：其各相通電順序?yàn)锳ABBBCCCDDDA，或者ABABCBCBCDCDCDAOADAB。它的時(shí)序控制如圖47所示。圖47 電機(jī)時(shí)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(zhuǎn)矩大，電磁阻尼較大，不易振蕩，功耗中等。而矩角特性是步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)一個(gè)很重要的參數(shù)，矩角特性好，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩就大，運(yùn)行不易失步。改善矩角特性一般通過增加步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行拍數(shù)來實(shí)現(xiàn)。因此在很多情況下，四相步進(jìn)電機(jī)采用四相八拍工作方式。（2）控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。（3）控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。驅(qū)動(dòng)脈沖的分配可以使用硬件方法，即用脈沖分配器實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在，脈沖分配器己經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、芯片化，市場(chǎng)上可以買到。但硬件方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也較高。 步進(jìn)電機(jī)控制(包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配)也可以使用軟件方法，即用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，這樣既簡(jiǎn)化了電路，也降低了成本。使用單片機(jī)以軟件方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，不但可以通過編程方法，在一定范圍內(nèi)自由設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、往返轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)等，而且還可以方便靈活地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，以滿足不同用戶的要求。因此，常把單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制電路稱之為可編程步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器。這種方式電路簡(jiǎn)單、控制靈活，但占用CPU的時(shí)間過多，每次驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，單片機(jī)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(qū)動(dòng)電機(jī)。 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(jī)的I/O口相連，1A、1B、1C、1D和2A、2B、2C、2D分別接兩路步進(jìn)電機(jī)的四相。CLK作為GAL的時(shí)鐘輸入端，通過調(diào)整CLK的頻率可以改變步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度；DIRDIR2作為步進(jìn)電機(jī)脈沖的方向控制端，當(dāng)DIRDIR2步進(jìn)脈沖為AABBBCCCDDDA時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)DIRDIR2步進(jìn)脈沖為DDCCCBBBAAAD時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)；RST用來使步進(jìn)電機(jī)回到“零”位置。圖48 脈沖分配器的連接 步進(jìn)電機(jī)的選型選用常州寶來電器有限公司生產(chǎn)的精密減速步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為42BY48HJ120。它的參數(shù)如表41。表41步進(jìn)電機(jī)型號(hào)參數(shù)步距角相速4電壓24電流電阻90空載起動(dòng)頻率(PPS)300空載運(yùn)行頻率(PPS)400起動(dòng)轉(zhuǎn)矩()80定位轉(zhuǎn)矩()160 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。因此GAL后接一片ULN2003，它是8路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)芯片，它的最大輸出電流達(dá)到500mA。GAL經(jīng)過邏輯編程作為步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配器，74LS07將GAL發(fā)出的脈沖信號(hào)放大送往光電隔離TLP521，ULN2003進(jìn)一步將脈沖信號(hào)放大并送往功率驅(qū)動(dòng)管驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)采用的是4相步進(jìn)電機(jī)，工作電壓+24V，用共陰極的接法。從ULN2003經(jīng)功率管放大輸出的信號(hào)A、B、C、D，若A=0(低電平)，則表示該步進(jìn)電機(jī)的A相導(dǎo)通，接著再讓B相導(dǎo)通，如果有規(guī)律地使4相依次導(dǎo)通：AABBBCCCDDDA，那么電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，如果導(dǎo)通順序反向，則反轉(zhuǎn)。圖49為一路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路。