【導(dǎo)讀】針對(duì)溫濕度變化的非線性和相互耦合現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了基于單片。機(jī)和模糊控制技術(shù)的動(dòng)物居室溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)，并針對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)。于模糊控制技術(shù)的模糊控制器并制定了模糊控制查詢表。

　　

【正文】 S5 分別代表設(shè)置鍵、增加鍵、減少鍵、查詢鍵、設(shè)定鍵。 KEY1KEY2KEY3KEY4KEY5IN1IN2IN3IN12IN13GND7VCC14ROUT5U274260KEY1...KEY5VCCVCCINT0KEY1KEY2KEY3KEY4KEY5R1R2R3R4R5 圖 44 鍵盤(pán)電路原理圖 顯示電路設(shè)計(jì) 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(guò)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 )。 廣西大學(xué)畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的動(dòng)物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 27 Dig0DIG0_SEG[7..0]DIG1_SEG[7..0]DIG2_SEG[7..0]DIG3_SEG[7..0]DIG4_SEG[7..0]DIG5_SEG[7..0]Dig1 Dig2 Dig3 Dig4 Dig5ISEGLOADCLKGNDDINV+DIG0...DIG5SEGA...SEGHGNDMOSII/OSCKATmega1618112139196DIGITS8SEGMENTSMAX72194+5VVCC 圖 45 顯示電路的連接 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì) 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(guò)來(lái)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(kāi)， 脈沖再次經(jīng)過(guò)功率放大最后送入到步進(jìn)電機(jī)繞組，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行。 單 片 機(jī) 脈 沖 分 配 器 脈 沖 放 大步 進(jìn) 電 機(jī) 功 率 驅(qū) 動(dòng) 光 電 耦 合 圖 46 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu) 廣西大學(xué)畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的動(dòng)物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 28 步進(jìn)電機(jī)控制原理 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(lái)，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(kāi)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(chēng) VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī) (簡(jiǎn)稱(chēng) PM)和混合式步進(jìn)電機(jī) (簡(jiǎn)稱(chēng) 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(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)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(méi)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(kāi)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(guò)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(guò)程稱(chēng)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)?ABCD； 2） 雙四拍 ： 其各相通電順序?yàn)?ABBCCDDA； 3） 四相 八拍 ： 其各相通電順序?yàn)?AABBBCCCDDDA，或者ABABCBCBCDCDCDAOADAB。它的時(shí)序控制如圖 47 所示。 廣西大學(xué)畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的動(dòng)物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 29 Q 1Q 2Q 3Q 4T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 T 8 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(guò)增加步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行拍數(shù)來(lái)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(mǎi)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(guò)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)廣西大學(xué)畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的動(dòng)物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 30 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(chēng)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(guò)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(lái)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、 DIR RST2 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(guò)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 ； DIR DIR2作為步進(jìn)電機(jī)脈沖的方向控制端，當(dāng) DIR DIR2 步進(jìn)脈沖為AABBBCCCDDDA 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng) DIR DIR2 步進(jìn)脈沖為DDCCCBBBAAAD 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)； RST 用來(lái)使步進(jìn)電機(jī) 回 到“零”位置。 IN/CLK1IN/OE11IN3IO/Q13IN4IO/Q14IN5IO/Q15IN6IO/Q16IN7IO/Q17IN8IO/Q18IN9IO/Q19IN2IO/Q12VCC20GND10U6GAL16A8From ATmega161A1B1C1D2A2C2D2B5VCLKDIR1RST1DIR25GND5GNDRST2 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(lái)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。 廣西大學(xué)畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的動(dòng)物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 31 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 ULN20xx，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(guò)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，ULN20xx 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 ULN20xx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(lái)，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。 廣西大學(xué)畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的動(dòng)物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 32 IN/CLK1IN/OE11IN3IO/Q13IN4IO/Q14IN5IO/Q15IN6IO/Q16IN7IO/Q17IN8IO/Q18IN9IO/Q19IN2IO/Q12VCC20GND10U6GAL16A8From ATmega165VCLKDIR1RST15GND5GNDA11Y12A23Y34A35Y26A47Y4899101074LS07 +5V12345678910ULN20xx1 23 45 67 89 1011 1213 1415 16TLP521+5V +24VPNPPNPPNPPNP+24V24GND+24V24GND+24V步進(jìn)電機(jī)接口123456 1K1K1K1K1K1K1K1K1K1K1K1K1K 圖 49 一路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路 傳感器模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 溫濕度傳感器的選擇 溫度濕度傳感器的選擇比較重要，因?yàn)槠潢P(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。下面對(duì)幾種方案進(jìn)行一下比較： 方案一 ： 采用分立的溫度和濕度傳感器，其中溫度傳感器可以采用溫敏電阻，濕度傳感器可以采用濕敏電容，這樣傳感器部分的價(jià)格比較低，但是外圍電路比較復(fù)雜，并且包含小信號(hào)的處理為設(shè)計(jì)增加了難度，同時(shí)溫度和濕度的測(cè)量精度不高。所以沒(méi)有采用。 方案二 ： 使用溫度和濕度集成在一個(gè)芯片上的傳感器 SHT11， SHT11 是瑞士 Ssirion 公 司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車(chē)、消費(fèi)電子、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。主要特點(diǎn)如下：高度集成，將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、 A/D 轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，提供二線數(shù)字串行接口 SCK 和 DATA，接口簡(jiǎn)單，支持 CRC 傳輸校驗(yàn)，傳輸可靠性高；測(cè)量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置 A/D 換器 (分辨率為 8～ 12 位，可以通過(guò)對(duì)芯片內(nèi)部寄存器編程選擇 )；測(cè)量精確度高，由于同時(shí)集成溫濕度廣西大學(xué)畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的動(dòng)物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 33 傳感器，可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y(cè)量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能；封裝尺寸超小 ( mm mm)，測(cè)量和通信結(jié)束后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗模式；高可靠性，采用 CMOSens 工藝，測(cè)量時(shí)可將感測(cè)頭完全浸于水中。 SHT11 傳感器使用簡(jiǎn)單，集溫度和濕度檢測(cè)于一身。微小的體積、極低的功耗，使其成為應(yīng)用的首選。所以在本設(shè)計(jì)中采用了第二種方案。 SHT11(溫濕度傳感器 )傳感器 描述 溫濕度傳感器 SHT11 將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、 A/ D 轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上 ， 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 410 所示。該芯片包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件。這兩個(gè)敏感元件分別將濕度和 溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào) ， 該電信號(hào)首先進(jìn)入微弱信號(hào)放大器進(jìn)行放大 ， 然后進(jìn)入一個(gè) 14 位的 A/ D 轉(zhuǎn)換器 ， 最后經(jīng)過(guò)二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號(hào)。 SHT11 在出廠前 ， 都會(huì)在恒濕或恒溫環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn) ，