【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 167。 溫度模糊控制器設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用Mamdani型二維模糊控制器，如圖36所示。圖36 Mamdani型二維模糊控制器控制器的輸入變量為溫度偏差E和偏差變化率EC，輸出為控制變量U。輸入變量E、EC和控制變量U的模糊子集為{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}，論域都選為{6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}。E、EC和U的模糊隸屬度函數(shù)均選擇三角形隸屬度函數(shù)，曲線圖如圖37所示。圖37 變量E、EC、U的隸屬度函數(shù)曲線在考慮模糊控制規(guī)則時(shí)，選取控制量變化的原則是：當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主；但誤差較小時(shí)選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為出發(fā)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)中的模糊控制規(guī)則表如表31所示。表31 電熱水鍋爐溫度模糊控制規(guī)則表UECPBPMPSZONSNMNBEPBPBPBPBPBPMZOZOPMPBPBPBPMPSZOZOPSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMNSPSPSZONSNMNMNMNMZOZONSNMNBNBNBNBZOZONMNBNBNBNB利用Simulink構(gòu)建溫度模糊控制系統(tǒng)仿真模型，如圖38所示：圖38 溫度模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖在階躍響應(yīng)下，模糊控制器控制電熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線圖如39所示：圖39 溫度模糊控制響應(yīng)曲線167。 水位模糊控制器設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用Mamdani型二維模糊控制器，如圖3 所示?？刂破鞯妮斎胱兞繛樗黄頔和偏差變化率EC，輸出為控制變量U。輸入變量E、EC和控制變量U的模糊子集為{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}，論域都選為{6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}。E、EC和U的模糊隸屬度函數(shù)均選擇三角形隸屬度函數(shù)，曲線圖如圖310所示。圖310 變量E、EC、U的隸屬度函數(shù)曲線控制量U的模糊子集中，NB表示水閥關(guān)的很快，NM表示水閥關(guān)的快，NS表示水閥關(guān)的有點(diǎn)快，ZO表示水閥保持正常開度，PS表示水閥關(guān)的有點(diǎn)慢，PM表示水閥關(guān)的有點(diǎn)慢，PM表示水閥關(guān)的慢，PB表示水閥關(guān)的很慢。根據(jù)實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)中的模糊控制規(guī)則表如表32所示[21]。表32 電熱水鍋爐水位模糊控制規(guī)則表UECPBPMPSZONSNMNBEPBPBPBPBPMPMPSZOPMPBPBPMPMPSZONSPSPBPMPMPSZONSNMZOPBPMPSZONSNMNBNSPMPSZONSNMNMNBNMPSZONSNSNMNBNBNBZONSNMNMNBNBNB利用Simulink構(gòu)建水位模糊控制系統(tǒng)仿真模型，如圖311所示。圖311 水位模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖在階躍響應(yīng)下，模糊控制器控制電熱水鍋爐水位控制系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線圖如312所示：圖312 水位模糊控制響應(yīng)曲線167。 本章小結(jié) 本章首先對(duì)溫度、水位的PID控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，然后又分別設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了溫度模糊控制器和水位模糊控制器，并進(jìn)行仿真。從仿真結(jié)果中可以看出，和PID控制相比，模糊控制的超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時(shí)間短，基本沒(méi)有穩(wěn)態(tài)誤差?？梢钥闯鲈诒驹O(shè)計(jì)中選用模糊控制是一種比較好的控制方案。23第4章 恒溫電熱水爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)167。 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)是本文的一項(xiàng)重要工作，制定一個(gè)好的總體方案能為系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供良好的指導(dǎo)，是研究工作順利完成的保證。在本文中，電熱水鍋爐溫度、水位控制系統(tǒng)由單片機(jī)、溫度檢測(cè)電路、水位檢測(cè)電路、鍵盤輸入電路、顯示電路、保護(hù)及報(bào)警電路、溫度控制電路和水位控制電路等部分組成，其系統(tǒng)框圖如圖41所示。鍵盤控制輸入固態(tài)繼電器AT89C51電熱器電磁閥繼電器顯示電路報(bào)警保護(hù)電路水度檢測(cè)水位檢測(cè)圖41 恒溫電熱水鍋爐控制系統(tǒng)整體框圖在該系統(tǒng)中，利用數(shù)字式溫度傳感器測(cè)得電熱水鍋爐中實(shí)際水溫，并把數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)。利用水位傳感器測(cè)得實(shí)際水位，把測(cè)得的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)。單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)顯示器顯示實(shí)時(shí)溫溫和水位，同時(shí)將溫度和水位與設(shè)定溫度和水位進(jìn)行比較，然后由設(shè)定的控制算法計(jì)算出控制量，根據(jù)控制量通過(guò)控制加熱電路和上水電路從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電熱水鍋爐溫度和水位的控制。167。 各單元模塊硬件電路設(shè)計(jì)167。 單片機(jī)的選型本控制系統(tǒng)選擇以AT89C51單片機(jī)作為核心器件。AT89C51單片機(jī)是一種低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，芯片ROM全部采用Flash ROM,它能于3V的超低壓工作，與MCS51系列單片機(jī)完全兼容，而且AT89C51單片機(jī)成本低廉且工作可靠，采用12MHz的晶振。此外，AT89C51還可以工作于低功耗模式，可通過(guò)兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)CPU，而RAM定時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存RAM數(shù)據(jù)，時(shí)鐘震蕩停止，同時(shí)停止芯片內(nèi)其他功能。所以我們選擇了AT89C51作為系統(tǒng)微處理器[22]。AT89C51有40引腳雙列直插（DIP）形式，其邏輯引腳圖如圖42所示。圖42 AT89C51邏輯引腳圖各引腳功能敘述如下：1．電源和晶振VCC——運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)加+5VGND——接地XTAL1——接外部晶振的一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是反相放大器的輸入端。該放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。XTAL2——接外部晶振的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端，振蕩器的頻率是晶體振蕩頻率。（當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)，XTAL1接地，XTAL2接收振蕩器信號(hào)） 在本設(shè)計(jì)中，XTAL1和XTAL2端外接石英晶體作為定時(shí)元件，內(nèi)部反相放大器自激振蕩，產(chǎn)生時(shí)鐘。石英晶體的振蕩頻率為12MHz，其原理圖如圖43所示：圖43 晶體振蕩電路2．I/O（4個(gè)口，32根）P0口——8位、漏極開路的雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器（ROM、RAM）時(shí)，作地址和數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用。在程序校驗(yàn)期間，輸出指令字節(jié)（需加外部上拉電路）。P0口（作為總線時(shí)）能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。P1口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口。在編程/校驗(yàn)期間，用于輸入低位字節(jié)地址。P1口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。對(duì)于80C51，——T2，是定時(shí)器的計(jì)數(shù)端且位輸入；——T2EX，是定時(shí)器的外部輸入端。這時(shí)，讀兩個(gè)特殊輸入引腳的輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。P2口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器（ROM及RAM）時(shí)，輸出高8位地址。在編程/校驗(yàn)期間，接收高位字節(jié)地址。P2口可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。P3口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路。P3口提供各種替代功能。在提供這些功能時(shí)，其輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。P3口可以輸入/輸出4個(gè)LSTTL負(fù)載。3．串行口——RXD（串行輸入口），輸入?！猅XD（串行輸出口），輸出。4．中斷——INT0外部中斷0，輸入?！狪NT1外部中斷1，輸入。5．定時(shí)器/計(jì)數(shù)器——T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的外部輸入，輸入?！猅1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的外部輸入，輸入。6．?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器選通——WR低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器寫選通?！猂D低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器讀選通。7．控制線(共4根)輸入：RST——復(fù)位輸入。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)間。圖44是復(fù)位電路圖，在通電瞬間，電容C通過(guò)電阻R充電，RST端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位。關(guān)于參數(shù)的選定，應(yīng)保證復(fù)位高電平持續(xù)時(shí)間大于2個(gè)機(jī)器周期。當(dāng)采用晶振為12MHz時(shí)，可取C=10uF,R=10KΩ。圖44 復(fù)位電路圖EA/Vpp——片外程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)允許信號(hào)，低電平有效。在編程時(shí)，其上施加21V的編程電壓。輸入、輸出：ALE/PROG——地址鎖存允許信號(hào)，輸出。ALE以1/6的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出，可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘或用于定時(shí)。在EPROM編程期間，作輸入，輸入編程脈沖（PROG）。ALE可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。輸出：PSEN——片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。在從片外程序存儲(chǔ)器取址期間，在每個(gè)機(jī)器周期中，當(dāng)PSEN有效時(shí)，程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容被送上P0口（數(shù)據(jù)總線）。PSEN可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。167。 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用了美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為溫度檢測(cè)元件。DS18B20是支持單總線接口的溫度傳感器。DS18B20測(cè)溫范圍為55℃~+125℃，℃，℃?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以單總線的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20可以程序設(shè)定9~12位的分辨率，~，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。分辨率設(shè)定存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后依然保存[23] 。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位激光ROM、溫度傳感器、非失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器[24] 。溫度傳感器DS18B20的外形與管腳如圖45所示：圖45 DS18B20的外形及管腳圖溫度傳感器DS18B20的測(cè)溫原理如圖46所示，低溫度系數(shù)振蕩器的震蕩頻率受溫度的影響很小，用以產(chǎn)生穩(wěn)定頻率的脈沖信號(hào)送入計(jì)數(shù)器1；高溫度系數(shù)振蕩器隨溫度變化它的振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。高溫度系數(shù)振蕩器相當(dāng)于T/f轉(zhuǎn)換器，能將被測(cè)溫度T轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。圖46 DS18B20的測(cè)溫原理計(jì)數(shù)門開通時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。每次測(cè)量之前，首先將55℃所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器、溫度寄存器中。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器中的數(shù)值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直至計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0停止溫度寄存器的累加，此時(shí)溫度寄存器的值就是被測(cè)溫度值，這就是DS18B20測(cè)量溫度的原理。圖46中，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計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉，就重復(fù)上述過(guò)程直至溫度寄存器的值達(dá)到被測(cè)溫度值。在硬件上，DS18B20與單片機(jī)的連接有兩種方法，一種是用VDD接外部電源，GND接地，I/O與單片機(jī)的I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此外VDD、GND接地，I/O接單片機(jī)I/O引腳。無(wú)論是外部供電還是內(nèi)部寄生電源供電，當(dāng)傳感器DS18B20處于寫存儲(chǔ)器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線上必須有較強(qiáng)的上拉，上拉開啟時(shí)間最大為10181。s，因此I/。該設(shè)計(jì)中只用一個(gè)DS18B20，選用寄生電源供電方式，在這種方式下，DS18B20從單線信號(hào)線上汲取能量：在信號(hào)線DQ處于高電平期間把能量?jī)?chǔ)存在內(nèi)部電容里，在信號(hào)線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來(lái)再給寄生電源（電容）充電。 圖47 DS18B20與單片機(jī)連接圖167。 水位檢測(cè)電路設(shè)計(jì)對(duì)于水位的檢測(cè)可以采用連續(xù)液位傳感器和分段式液位傳感器，連續(xù)液位傳感器控制精度較高，但價(jià)格也比較貴?？紤]到系統(tǒng)成本和控制要求，本設(shè)計(jì)采用分段式液位傳感器，在水位顯示上也采用分段顯示。水位檢測(cè)部分的硬件連接如圖48所示。圖48 水位監(jiān)測(cè)及顯示接口電路檢測(cè)原理如下：當(dāng)水箱中無(wú)水時(shí)，8個(gè)非門均由1M歐姆電阻上拉成高電平， 所以圖中各“非”門(CD4069) 輸出均為低電平，LED1～ LED8 均不亮。當(dāng)水位高于“非”門1 的輸入探針時(shí)，由于水的導(dǎo)電作用，使“非”門1 的輸入變?yōu)榈碗娖?，所以其輸出變?yōu)楦唠娖剑琇ED點(diǎn)亮，依此類推。隨著水位的上升，各“非”門輸出相繼為高電平，LED依次點(diǎn)亮。這里要注意的是上拉電阻不能選擇太小，因?yàn)樗碾娮柙?00k歐姆左右，所以上拉電阻選擇太小的話，將在水位升高時(shí)，無(wú)法把“非”門輸入端拉成低電平。實(shí)驗(yàn)表明，上拉電阻選擇在500k～1M歐姆左右能很好地滿足電路的工作要求。為了使AT89C51隨時(shí)能夠讀出當(dāng)前的水位情況，這里選用74LS244 作為狀態(tài)輸入緩沖器。167。 鍵盤和顯示電路設(shè)計(jì)對(duì)于大多數(shù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能都需要配置輸入外設(shè)和輸出外設(shè)，而鍵盤和顯示器是常用的出入、輸出外設(shè)。鍵盤可實(shí)現(xiàn)溫度的設(shè)定，顯示電路可實(shí)現(xiàn)溫度、水位的數(shù)字化顯示。1. 鍵盤電路設(shè)計(jì)根據(jù)硬件連接方式的不同，鍵盤可以分為獨(dú)立式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤是指各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵分別與單片機(jī)的I/O口或外擴(kuò)I/O芯片的一根輸入線相連，這種方法一般適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合[25]。矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量多、操作速度不高的場(chǎng)合，本設(shè)計(jì)中采用矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤通常由行線和列線組成，按鍵位于行、列線的交叉點(diǎn)上。行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。一般行線通過(guò)上拉電阻接到+5V上，平時(shí)無(wú)按鍵按下時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線電平狀態(tài)將由于此行線相連的列線電平?jīng)Q定。在本控制系統(tǒng)中采用的是43行、列矩陣鍵盤，其電路如圖49所示，列線由P1．4P1．6控制。電路中共有12個(gè)鍵，包括09十個(gè)