【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 對(duì)各部分進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。5）要考慮經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和可靠性。8 / 362 模糊控制器的設(shè)計(jì) 模糊控制理論簡(jiǎn)介模糊數(shù)學(xué)誕生于 1965 年，它的創(chuàng)始人是美國(guó)的自動(dòng)控制專(zhuān)家（）教授，他首先提出了隸屬度函數(shù)來(lái)描述模糊概念，并創(chuàng)立了模糊集合論，為模糊學(xué)奠定了基礎(chǔ)。由人作為控制器的控制系統(tǒng)是典型的智能控制系統(tǒng)，其中包含了人的高級(jí)智能活動(dòng)。模糊控制在一定程度上模仿了人的控制過(guò)程，其中包含了人的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。它不需要有準(zhǔn)確的控制對(duì)象模型。因此它是一種智能控制的方法。模糊控制方法既可以用于簡(jiǎn)單的控制對(duì)象，也可以用于復(fù)雜的過(guò)程。模糊控制是模糊集合理論應(yīng)用的一個(gè)重要方面。1974 年英國(guó)教授馬丹尼()首先將模糊集合理論應(yīng)用于加熱器的控制，其后產(chǎn)生了許多應(yīng)用例子。包括交通路口的控制。在模糊控制的應(yīng)用方面，日本走在了前列。日本在國(guó)內(nèi)建立了專(zhuān)門(mén)的模糊控制研究所，日本仙臺(tái)一條地鐵的控制系統(tǒng)采用了模糊控制的方法取得了很好的效果。日本還率先將模糊控制應(yīng)用到了日常家電產(chǎn)品的控制，如照相機(jī)、吸塵器、洗衣機(jī)等，模糊控制的應(yīng)用在日本已經(jīng)相當(dāng)普及。 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)和組成模糊控制器主要由圖 21 中四部分組成：圖 21 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)9 / 36（1）模糊化這部分的作用是將輸入的精確量轉(zhuǎn)換成模糊化量。其中輸入量包括外界的參考輸入、系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)等。模糊化的具體過(guò)程所下：i）首先對(duì)輸入量進(jìn)行處理以變成模糊控制器要求的輸入量。ii）將上述已經(jīng)處理過(guò)的輸入量進(jìn)行尺度變換，使其變換到各自的論域范圍。iii）將已經(jīng)變換到論域范圍的輸入量進(jìn)行處理，使原先精確的輸入量變成模糊量，并對(duì)相應(yīng)的模糊集合來(lái)表示。（2）知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù)中包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)和要求的控制目標(biāo)。它通常由數(shù)據(jù)庫(kù)和模糊控制規(guī)則庫(kù)量部分組成。i）數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括各語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)，尺度變換因子以及模糊空間的分級(jí)數(shù)等。ii）規(guī)則庫(kù)包含了用模糊語(yǔ)言變量的一系列控制規(guī)則。它們反映了控制專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。（3）模糊推理模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模擬人的基于模糊概念的推理能力。該推理過(guò)程是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)含關(guān)系及推理規(guī)則來(lái)進(jìn)行的。（4）清晰化清晰化的作用是將模糊推理得到的控制量（模糊量）變換為實(shí)際用于控制的清晰量。它包含以下兩部分內(nèi)容：i）將模糊的控制量經(jīng)清晰化變換成表示雜論域范圍的清晰量。ii）將表示在論域范圍的清晰量經(jīng)尺度變換成實(shí)際的控制量。10 / 363 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 總體方案設(shè)計(jì)本模糊控制交通器系統(tǒng)硬件主要由車(chē)流信息檢測(cè)電路、單片機(jī)控制器、8279 鍵盤(pán)顯示電路等電路組成。車(chē)流檢測(cè)裝置安放在各十字路口東西、南北道路方向?qū)崟r(shí)檢測(cè)車(chē)道車(chē)流信息。并將檢測(cè)到的信息輸至單片機(jī)進(jìn)行處理，通過(guò)單片機(jī)編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈綠、紅切換及等待時(shí)間設(shè)定。圖 31 系統(tǒng)原理框圖在本設(shè)計(jì)方案中，首先對(duì)系統(tǒng)各路口的車(chē)輛計(jì)數(shù)器對(duì)車(chē)輛計(jì)數(shù)，并傳送給單片機(jī)，單片機(jī)依據(jù)模糊控制理論進(jìn)行處理后來(lái)控制紅綠燈延時(shí)時(shí)間，并把紅綠燈延長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)8279 送到 LED 顯示。當(dāng)有緊急情況時(shí)，可通過(guò)鍵盤(pán)全紅燈等其他情況。 單片機(jī)控制器的設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選型1）MicroChip 單片機(jī):MicroChip 單片機(jī)的主要產(chǎn)品是 PIC16C 系列和 17C 系列 8 位單片機(jī)，CPU 采用RISC 結(jié)構(gòu)，分別僅有 33，35，58 條指令，采用 Harvard 雙總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快，低工作電壓，低功耗，較大的輸入輸出直接驅(qū)動(dòng)能力，價(jià)格低，一次性編程，用量大，檔次低，消費(fèi)電子產(chǎn)品，電訊通信，智能儀器儀表，汽車(chē)電子，金融電子，工業(yè)控制不同領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，PIC 系列單片機(jī)在.11 / 36這里以 PIC18F452 為例PIC18F452 外設(shè)功能①高灌/拉電流 :25mA/25mA。②3 個(gè)外部中斷 引腳，定時(shí)器 0 模塊:具有 8 位可編程預(yù)分頻器的 8/16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。③定時(shí)器 1 模塊 :16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。定時(shí)器 2 模塊: 具有 8 位周期寄存器的 8 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器( 時(shí)基為脈寬調(diào)制)。④定時(shí)器 3 模塊： 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。⑤輔助振蕩器時(shí)鐘選項(xiàng):定時(shí)器 1/定時(shí)器 3。2 個(gè)捕捉/ 比較/PWM 模塊。⑥CCP 引腳，可以配置為:捕捉輸入:16 位捕捉模塊，最大分辨率是 (TCY/16)。⑦16 位比較模塊，最大分辨率為 100ns(TCY)。PWM 輸出: 最大 PWM 是 1~10 位。最大 PWM 頻率:當(dāng) 8 位分辨率為 156kHz，10 位分辨率為 39kHz。⑧2 種運(yùn)作模式 :3 線 SPITM(支持所有 4 線 SPI 模式)。I2CTM 主從模式。模擬功能:兼容的 10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊帶有:快速采樣率?？捎棉D(zhuǎn)換睡眠。 線形≤1LSB?？删幊痰碗妷簷z測(cè)(PLVD)。支持中斷低電壓檢測(cè)?？删幊糖穳簭?fù)位。 微控制器的特殊功能:可進(jìn)行100000 次擦寫(xiě)操作的閃存程序存儲(chǔ)器(標(biāo)準(zhǔn)值)。閃存 /數(shù)據(jù) EEPROM 的保存時(shí)間:40 年，在軟件控制下自行編程。上電復(fù)位(POR)，上電延時(shí)定時(shí)器 (PWRT)和振蕩器起振定時(shí)器(OST)采用自身片上 RC 振蕩器可靠工作的看門(mén)狗定時(shí)器 (WDT)，可編程代碼保護(hù)。省電的休眠模式 圖 32 PIC18F452 管腳功能圖12 / 362）凌陽(yáng)單片機(jī):中國(guó)臺(tái)灣凌陽(yáng)科技股份有限公司()至力于 8 位和 16 位機(jī)的開(kāi)發(fā).SPMC65 系列單片機(jī)是凌陽(yáng)主推產(chǎn)品，采用 8 位 SPMC65CPU 內(nèi)核，并圍繞這個(gè)通用的 CPU 內(nèi)核，形成了不同的片內(nèi)資源的一系列產(chǎn)品。在系列芯片中相同的片內(nèi)硬件功能模塊具有相同的資源特點(diǎn)；、工業(yè)控制、儀器儀表安防報(bào)警、計(jì)算機(jī)外圍等領(lǐng)域。16 位微處理器 SPMC75 系列單片機(jī)集成了多種功能模塊：多功能 I/O 口、串行口、ADC、定時(shí)計(jì)數(shù)器等常硬件模塊，以及能產(chǎn)生電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形的 PWM 發(fā)生器、多功能的捕獲比較模塊、BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用位置偵測(cè)接口、兩相增量編碼器接口等特殊硬設(shè)，主要用于變頻馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制。SPMC75 系列單片機(jī)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛應(yīng)用于變頻家電、變頻器、工業(yè)控制等控制領(lǐng)域. 這里以 SPM75F2313 為例： SPMC75F2313A （如圖 33）：16 位微控制器芯片；高性能的 16 位 CPU 內(nèi)核：凌陽(yáng) 16 位 unSP 處理器、 2 種低功耗模式、Wait/Standby、片內(nèi)低電壓檢測(cè)電路、最高系統(tǒng)頻率 Fsys：24MHz ；片內(nèi)存儲(chǔ)器：32KW (32K16bit) Flash、2KW (2K16bit) SRAM；工作溫度： 40 ℃～ 85 ℃；10 位 ADC 模塊；可編程的轉(zhuǎn)換速率，最大轉(zhuǎn)換速率100Ksps；通用異步串行通訊接口(UART)及標(biāo)準(zhǔn)外圍接口(SPI)；可編程看門(mén)狗定時(shí)器；內(nèi)嵌在線仿真電路 ICE 接口：可實(shí)現(xiàn)在線仿真。13 / 36圖 33 SPMC75F2313A 管腳功能圖3）89S52 單片機(jī)AT89S52 是 一 種 低 功 耗 、 高 性 能 CMOS8 位 微 控 制 器 ， 具 有 8K 在 系 統(tǒng) 可 編 程Flash 存 儲(chǔ) 器 。 使 用 Atmel 公 司 制 造 ， 與 工 業(yè) 80C51 產(chǎn) 品 指 令 和 引 腳 完 全 兼 容 。 片 上Flash 允 許 程 序 存 儲(chǔ) 器 在 系 統(tǒng) 可 編 程 ， 亦 適 于 常 規(guī) 編 程 器 。 在 單 芯 片 上 ， 擁 有 靈 巧 的 8位 CPU 和 在 系 統(tǒng) 可 編 程 Flash， 使 得 AT89S52 為 眾 多 嵌 入 式 控 制 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 提 供 高 靈活 、 超 有 效 的 解 決 方 案 。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(mén) 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 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 。 空 閑 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 。本設(shè)計(jì)的硬件采用的是 AT89S52 單片機(jī)為處理核心， AT89S52 單片機(jī)是美國(guó)ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8Kbytes 的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器和 256bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，與標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令系統(tǒng)及 8052 產(chǎn)品引腳相兼容 [11]。 AT89S52 是一種帶 8K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器，高性能 CMOS微處理器。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造。由于將多功能 8 位14 / 36CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL 的 AT89S52 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。AT89S52 的腳圖如圖 32 所示。1）AT89S52 單片機(jī)各引腳的功能和應(yīng)用介紹如下：P0 口：P0 口是開(kāi)漏雙向口，可以寫(xiě)為 1 使其狀態(tài)為懸浮。用作高阻輸入時(shí)， P0 也可以在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)作地址的低字節(jié)；在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，作為數(shù)據(jù)總線，此時(shí)通過(guò)內(nèi)部強(qiáng)上拉輸出 1。P1 口：P1 口是帶內(nèi)部上拉的雙向 I/O 口。向 P1 口寫(xiě)入 1 時(shí)，P1 口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口；當(dāng)作為輸入腳時(shí)被外部拉低的 P1 口，會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流。P2 口：P2 口是帶內(nèi)部上拉的雙向 I/O 口。向 P2 口寫(xiě)入 1 時(shí)，P2 口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口；當(dāng)作為輸入腳時(shí)被外部拉低的 P2 口，會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)時(shí)，分別作為地址高位字節(jié)和 16 位地址(MOVX@DPTR)。此時(shí)通過(guò)內(nèi)部強(qiáng)上拉傳送 1，當(dāng)使用 8 位尋址方式(MOV@Ri)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2 口發(fā)送 P2 特殊功能寄存器的內(nèi)容。RST9XTAL118XTAL219Vss20 21 22 23 24 25 26 27 28PSEN 29ALE 30EA 31 32 33 34 35 36 37 38 39VCC 40U1AT89S52圖 33 AT89S52 引腳圖P3 口：P3 口是帶內(nèi)部上拉的雙向 I/O 口。向 P3 口寫(xiě)入 1 時(shí)，P3 口被內(nèi)部上拉為高電平可用作輸入口；當(dāng)作為輸入腳時(shí)被外部拉低的 P3 口，會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流 P3口還具有以下特殊功能。RXD() 串行輸入口TXD() 串行輸出口15 / 36INT0() 外部中斷 0INT1() 外部中斷 1T0() 定時(shí)器 0 外部輸入T1() 定時(shí)器 1 外部輸入WR() 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào)RD() 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào)ALE：地址鎖存使能在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，輸出脈沖鎖存地址的低字節(jié)。在正常情況下，ALE 輸出信號(hào)恒定為 1/6 振蕩頻率并可用作外部時(shí)鐘或定時(shí)。注意每次訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)時(shí)一個(gè) ALE 脈沖將被忽略， ALE 可以通過(guò)置位 SFR 的 auxlilary0，禁止置位后 ALE 只能在執(zhí)行 MOVX 指令時(shí)被激活。PSEN：程序存儲(chǔ)使能當(dāng)執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器代碼時(shí)，PSEN 每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次；在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí) PSEN 無(wú)效，訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí) PSEN 無(wú)效。EA：當(dāng)此腳為低電平時(shí)，對(duì) ROM 的操作限定在外部程序存儲(chǔ)器，而它為高電平時(shí)，則對(duì) ROM 的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開(kāi)始，并可延續(xù)至外部程序存儲(chǔ)器。XTAL1：晶體 1 反相振蕩放大器輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路輸入。XTAL2：晶體 2 反相振蕩放大器輸出。2）單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單片機(jī)的最小系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，分別采用的是 12M 的外部晶振，和上電復(fù)位電路，時(shí)鐘電路和復(fù)位電路如圖 33 和 34 所示。下面就介紹下設(shè)計(jì)中的外部時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。（1）時(shí)鐘電路在 AT89S52 芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳 XTAL1，輸出端為引腳 XTAL2。XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出，該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器，石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2 應(yīng)不接。由于輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。此外，AT89S52 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU 停止工作。但 RAM、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其它芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。本次設(shè)計(jì)電路中的