【文章內容簡介】 167。 溫度模糊控制器設計本設計選用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的模糊隸屬度函數均選擇三角形隸屬度函數，曲線圖如圖37所示。圖37 變量E、EC、U的隸屬度函數曲線在考慮模糊控制規(guī)則時，選取控制量變化的原則是：當誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主；但誤差較小時選擇控制量要注意防止超調，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為出發(fā)點。根據實際控制經驗，本設計中的模糊控制規(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)仿真結構圖在階躍響應下，模糊控制器控制電熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)仿真響應曲線圖如39所示：圖39 溫度模糊控制響應曲線167。 水位模糊控制器設計本設計選用Mamdani型二維模糊控制器，如圖3 所示。控制器的輸入變量為水位偏差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的模糊隸屬度函數均選擇三角形隸屬度函數，曲線圖如圖310所示。圖310 變量E、EC、U的隸屬度函數曲線控制量U的模糊子集中，NB表示水閥關的很快，NM表示水閥關的快，NS表示水閥關的有點快，ZO表示水閥保持正常開度，PS表示水閥關的有點慢，PM表示水閥關的有點慢，PM表示水閥關的慢，PB表示水閥關的很慢。根據實際控制經驗，本設計中的模糊控制規(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)仿真結構圖在階躍響應下，模糊控制器控制電熱水鍋爐水位控制系統(tǒng)仿真響應曲線圖如312所示：圖312 水位模糊控制響應曲線167。 本章小結 本章首先對溫度、水位的PID控制系統(tǒng)進行了仿真，然后又分別設計設計了溫度模糊控制器和水位模糊控制器，并進行仿真。從仿真結果中可以看出，和PID控制相比，模糊控制的超調量小、調節(jié)時間短，基本沒有穩(wěn)態(tài)誤差。可以看出在本設計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)硬件設計167。 系統(tǒng)總體方案設計控制系統(tǒng)總體方案設計是本文的一項重要工作，制定一個好的總體方案能為系統(tǒng)的詳細設計提供良好的指導，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、溫度檢測電路、水位檢測電路、鍵盤輸入電路、顯示電路、保護及報警電路、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警保護電路水度檢測水位檢測圖41 恒溫電熱水鍋爐控制系統(tǒng)整體框圖在該系統(tǒng)中，利用數字式溫度傳感器測得電熱水鍋爐中實際水溫，并把數字信號輸入單片機。利用水位傳感器測得實際水位，把測得的模擬信號經A/D轉換模塊轉換成數字信號輸入單片機。單片機進行數據處理后，通過顯示器顯示實時溫溫和水位，同時將溫度和水位與設定溫度和水位進行比較，然后由設定的控制算法計算出控制量，根據控制量通過控制加熱電路和上水電路從而實現對電熱水鍋爐溫度和水位的控制。167。 各單元模塊硬件電路設計167。 單片機的選型本控制系統(tǒng)選擇以AT89C51單片機作為核心器件。AT89C51單片機是一種低功耗、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系列單片機完全兼容，而且AT89C51單片機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，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結CPU，而RAM定時器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存RAM數據，時鐘震蕩停止，同時停止芯片內其他功能。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——運行和程序校驗時加+5VGND——接地XTAL1——接外部晶振的一端。在單片機內部，它是反相放大器的輸入端。該放大器構成了片內振蕩器。XTAL2——接外部晶振的另一端。在單片機內部，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。（當使用外部振蕩器時，XTAL1接地，XTAL2接收振蕩器信號） 在本設計中，XTAL1和XTAL2端外接石英晶體作為定時元件，內部反相放大器自激振蕩，產生時鐘。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個口，32根）P0口——8位、漏極開路的雙向I/O口。當使用片外存儲器（ROM、RAM）時，作地址和數據分時復用。在程序校驗期間，輸出指令字節(jié)（需加外部上拉電路）。P0口（作為總線時）能驅動8個LSTTL負載。P1口——8位、準雙向I/O口。在編程/校驗期間，用于輸入低位字節(jié)地址。P1口可驅動4個LSTTL負載。對于80C51，——T2，是定時器的計數端且位輸入；——T2EX，是定時器的外部輸入端。這時，讀兩個特殊輸入引腳的輸出鎖存器應由程序置1。P2口——8位、準雙向I/O口。當使用片外存儲器（ROM及RAM）時，輸出高8位地址。在編程/校驗期間，接收高位字節(jié)地址。P2口可以驅動4個LSTTL負載。P3口——8位、準雙向I/O口，具有內部上拉電路。P3口提供各種替代功能。在提供這些功能時，其輸出鎖存器應由程序置1。P3口可以輸入/輸出4個LSTTL負載。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．定時器/計數器——T0定時器/計數器0的外部輸入，輸入?！猅1定時器/計數器1的外部輸入，輸入。6．數據存儲器選通——WR低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通?！猂D低電平有效，輸出，片外存儲器讀選通。7．控制線(共4根)輸入：RST——復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。圖44是復位電路圖，在通電瞬間，電容C通過電阻R充電，RST端出現正脈沖，用以復位。關于參數的選定，應保證復位高電平持續(xù)時間大于2個機器周期。當采用晶振為12MHz時，可取C=10uF,R=10KΩ。圖44 復位電路圖EA/Vpp——片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。在編程時，其上施加21V的編程電壓。輸入、輸出：ALE/PROG——地址鎖存允許信號，輸出。ALE以1/6的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出，可用作對外輸出的時鐘或用于定時。在EPROM編程期間，作輸入，輸入編程脈沖（PROG）。ALE可以驅動8個LSTTL負載。當訪問外部存儲器時，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，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。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。輸出：PSEN——片外程序存儲器選通信號，低電平有效。在從片外程序存儲器取址期間，在每個機器周期中，當PSEN有效時，程序存儲器的內容被送上P0口（數據總線）。PSEN可以驅動8個LSTTL負載。167。 溫度檢測電路設計本系統(tǒng)采用了美國DALLAS半導體公司生產的數字溫度傳感器DS18B20作為溫度檢測元件。DS18B20是支持單總線接口的溫度傳感器。DS18B20測溫范圍為55℃~+125℃，℃，℃。現場溫度直接以單總線的數字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20可以程序設定9~12位的分辨率，~，使系統(tǒng)設計更靈活、方便。分辨率設定存儲在EEPROM中，掉電后依然保存[23] 。DS18B20內部結構主要由四部分組成：64位激光ROM、溫度傳感器、非失性溫度報警觸發(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的測溫原理如圖46所示，低溫度系數振蕩器的震蕩頻率受溫度的影響很小，用以產生穩(wěn)定頻率的脈沖信號送入計數器1；高溫度系數振蕩器隨溫度變化它的振蕩頻率明顯改變，所產生的信號作為計數器2的脈沖輸入。高溫度系數振蕩器相當于T/f轉換器，能將被測溫度T轉換成頻率信號，圖中還隱含著計數門，當計數門打開時，DS18B20對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖計數，進而完成溫度測量。圖46 DS18B20的測溫原理計數門開通時間由高溫度系數振蕩器決定。每次測量之前，首先將55℃所對應的基數分別置入減法計數器、溫度寄存器中。計數器1對低溫系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當計數器1的預置值減到0時，溫度寄存器中的數值將加1，計數器1的預置值將重新被裝入，計數器1重新開始對低溫系數振蕩器產生的脈沖信號進行計數，如此循環(huán)直至計數器2計數到0停止溫度寄存器的累加，此時溫度寄存器的值就是被測溫度值，這就是DS18B20測量溫度的原理。圖46中，斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性其輸出用于修正計數器的預置值，只要計數門仍未關閉，就重復上述過程直至溫度寄存器的值達到被測溫度值。在硬件上，DS18B20與單片機的連接有兩種方法，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I/O引腳。無論是外部供電還是內部寄生電源供電，當傳感器DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉換操作時，總線上必須有較強的上拉，上拉開啟時間最大為10181。s，因此I/。該設計中只用一個DS18B20，選用寄生電源供電方式，在這種方式下，DS18B20從單線信號線上汲取能量：在信號線DQ處于高電平期間把能量儲存在內部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。 圖47 DS18B20與單片機連接圖167。 水位檢測電路設計對于水位的檢測可以采用連續(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，但價格也比較貴。考慮到系統(tǒng)成本和控制要求，本設計采用分段式液位傳感器，在水位顯示上也采用分段顯示。水位檢測部分的硬件連接如圖48所示。圖48 水位監(jiān)測及顯示接口電路檢測原理如下：當水箱中無水時，8個非門均由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。當水位高于“非”門1 的輸入探針時，由于水的導電作用，使“非”門1 的輸入變?yōu)榈碗娖?，所以其輸出變?yōu)楦唠娖?，LED點亮，依此類推。隨著水位的上升，各“非”門輸出相繼為高電平，LED依次點亮。這里要注意的是上拉電阻不能選擇太小，因為水的電阻在100k歐姆左右，所以上拉電阻選擇太小的話，將在水位升高時，無法把“非”門輸入端拉成低電平。實驗表明，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隨時能夠讀出當前的水位情況，這里選用74LS244 作為狀態(tài)輸入緩沖器。167。 鍵盤和顯示電路設計對于大多數單片機應用系統(tǒng)，為了實現人機交互功能都需要配置輸入外設和輸出外設，而鍵盤和顯示器是常用的出入、輸出外設。鍵盤可實現溫度的設定，顯示電路可實現溫度、水位的數字化顯示。1. 鍵盤電路設計根據硬件連接方式的不同，鍵盤可以分為獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨立式鍵盤是指各按鍵相互獨立，每個按鍵分別與單片機的I/O口或外擴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合[25]。矩陣式鍵盤適用于按鍵數量多、操作速度不高的場合，本設計中采用矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤通常由行線和列線組成，按鍵位于行、列線的交叉點上。行、列線分別連接到按鍵開關的兩端。一般行線通過上拉電阻接到+5V上，平時無按鍵按下時，行線處于高電平狀態(tài)，而當有按鍵按下時，行線電平狀態(tài)將由于此行線相連的列線電平決定。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個鍵，包括09十個