【導讀】針對溫濕度變化的非線性和相互耦合現(xiàn)象，本文設計了基于單片。機和模糊控制技術的動物居室溫濕度自動控制系統(tǒng)。詳細介紹了硬件電路設計和軟件程序設計，并針對單片機系統(tǒng)。于模糊控制技術的模糊控制器并制定了模糊控制查詢表。

　　

【正文】 S5 分別代表設置鍵、增加鍵、減少鍵、查詢鍵、設定鍵。 KEY1KEY2KEY3KEY4KEY5IN1IN2IN3IN12IN13GND7VCC14ROUT5U274260KEY1...KEY5VCCVCCINT0KEY1KEY2KEY3KEY4KEY5R1R2R3R4R5 圖 44 鍵盤電路原理圖 顯示電路設計 MAX7219 是美國 MAXIM(美信 )公司推出的多位 LED 顯示驅動器，采用 3 線串行接口傳送數(shù)據(jù)，可直接與單片機接口，用戶能方便修改其內(nèi)部參數(shù)，以實現(xiàn)多位 LED 顯示。它內(nèi)含硬件動態(tài)掃描顯示控制，每枚芯片可驅動 8 個 LED 數(shù)碼管。顯然，它可直接驅動 64 段 LED 條形圖顯示器。當多片 MAX7219 級聯(lián)時，可控制更多的 LED。顯示的數(shù)據(jù)通過單片機數(shù)據(jù)處理后，送給 MAX7219 顯示。當然，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 )。 廣西大學畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(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 步進電機驅動控制電路設計 步進電機驅動控制電路結構如圖 46 所示。其中單片機是為脈沖分配器提供脈沖信號的和控制信號的 ； 脈沖分配器將單片機送過來的脈沖按照預先設定好的邏輯時序進行分配 (比如四相八拍的步進方式 )； 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放大強化并送入光電 耦 合器，將單片機的電源和步進電機的電源隔離開， 脈沖再次經(jīng)過功率放大最后送入到步進電機繞組，步進電機開始運行。 單 片 機 脈 沖 分 配 器 脈 沖 放 大步 進 電 機 功 率 驅 動 光 電 耦 合 圖 46 步進電機驅動控制電路結構 廣西大學畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 28 步進電機控制原理 步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。近 30 年來，數(shù)字技術、計算機技術和永磁材料的迅速發(fā)展，推動了步進電動機的發(fā)展，為步進電動機的應用開辟了廣闊的前景。步進電機可分為反應式步進電機 (簡稱 VR)、永磁式步進電機 (簡稱 PM)和混合式步進電機 (簡稱 HB)。 步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是 通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。步進電動機有如下特點： 步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)成正比，因此，當它轉一轉后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨型。 由步進電動機與驅動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價、又非?？煽俊? 步進電動機的動態(tài)響應快，易于起停、正反轉及變速。 速度可在相當寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)， 在 低速下仍能保證獲得大轉矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅動負載。 步進電動機只 能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。 步進電動機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應的措施。步進電機的驅動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(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 ： 四相步進電機有三種工作方式 ： 1） 單四拍 ： 其各相通電順序為 ABCD； 2） 雙四拍 ： 其各相通電順序為 ABBCCDDA； 3） 四相 八拍 ： 其各相通電順序為 AABBBCCCDDDA，或者ABABCBCBCDCDCDAOADAB。它的時序控制如圖 47 所示。 廣西大學畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(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 電機時序控制如圖 八拍方式與其它兩種方式相比，相電流最大，高頻性能較好，轉矩大，電磁阻尼較大，不易振蕩，功耗中等。而矩角特性是步進電機運行時一個很重要的參數(shù)，矩角特性好，步進電機啟動轉矩就大，運行不易失步。改善矩角特性一般通過增加步進電機的運行拍數(shù)來實現(xiàn)。因此在很多情況下，四相步進電機采用四相八拍工作方式。 （ 2） 控制步進電機的轉向 如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。 （ 3） 控制步進電機的速度 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。 驅動脈沖的分配可以使用硬件方法，即用脈沖分配器實現(xiàn)。現(xiàn)在，脈沖分配器己經(jīng)標準化、芯片化，市場上可以買到。但硬件方法結構復雜，成本也較高。 步進電機控制 (包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配 )也可以使用軟件方法，即用單片機實現(xiàn)，這樣既簡化了電路，也降低了成本。使用單片機以軟件方式驅動步進電機，不但可以通過編程方法，在一定范圍 內(nèi)自由設定步進電機的轉廣西大學畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 30 速、往返轉動的角度以及轉動次數(shù)等，而且還可以方便靈活地控制步進電機的運行狀態(tài)，以滿足不同用戶的要求。因此，常把單片機步進電機控制電路稱之為可編程步進電機控制驅動器。這種方式電路簡單、控制靈活，但占用CPU 的時間過多，每次驅動電機時，單片機都得被占用。因此在本系統(tǒng)中采用 GAL 作為脈沖分配器來驅動電機。 GAL 脈沖分配器 如圖 48 所示， GAL16V8D 的 6 腳分別定義為 CLK、 DIRRSTI、 DIR RST2 分別于單片機的 I/O 口相連， 1A、 1B、 1C、 1D 和 2A、2B、 2C、 2D 分別接兩路步進電機的四相。 CLK 作為 GAL 的時鐘輸入端，通過調(diào)整 CLK 的頻率可以改變步進電機轉動的速度和加速度 ； DIR DIR2作為步進電機脈沖的方向控制端，當 DIR DIR2 步進脈沖為AABBBCCCDDDA 時，步進電機正轉，當 DIR DIR2 步進脈沖為DDCCCBBBAAAD 時，步進電機反轉； RST 用來使步進電機 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 步進電機的選型 選用常州寶來電器有限公司生產(chǎn)的精密減速步進電機，型號為42BY48HJ120。它的參數(shù)如表 41。 廣西大學畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 31 表 41 步進電機型號參數(shù) 步距角 相速 4 電壓 24 電流 電阻 90 空載起動頻率 (PPS) 300 空載運行頻率 (PPS) 400 起動轉矩 () 80 定位轉矩 () 160 步進電機驅動控制電路 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動步進電機。因此 GAL 后接一片 ULN20xx，它是 8 路達林頓驅動芯片，它的最大輸出電流達到 500mA。 GAL 經(jīng)過邏輯編程作為步進電機的脈沖分配器， 74LS07 將 GAL 發(fā)出的脈沖信號放大送往光電隔離 TLP521，ULN20xx 進一步將脈沖信號放大并送往功率驅動管驅動步進電機運轉。本設計采用的是 4 相步進電機，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 A、 B、 C、 D，若 A=0(低電平 )，則表示該步進電機的 A 相導通，接著再讓 B 相導通，如果有規(guī)律地使 4 相依次導通 ：AABBBCCCDDDA，那么電機就會轉動起來，如果導通順序反向，則反轉。圖 49 為一路步進電機驅動控制電路。 廣西大學畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(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步進電機接口123456 1K1K1K1K1K1K1K1K1K1K1K1K1K 圖 49 一路步進電機驅動控制電路 傳感器模塊的設計與實現(xiàn) 溫濕度傳感器的選擇 溫度濕度傳感器的選擇比較重要，因為其關系到整個系統(tǒng)的性能。下面對幾種方案進行一下比較： 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格比較低，但是外圍電路比較復雜，并且包含小信號的處理為設計增加了難度，同時溫度和濕度的測量精度不高。所以沒有采用。 方案二 ： 使用溫度和濕度集成在一個芯片上的傳感器 SHT11， SHT11 是瑞士 Ssirion 公 司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應用于暖通空調(diào)、汽車、消費電子、自動控制等領域。主要特點如下：高度集成，將溫度感測、濕度感測、信號變換、 A/D 轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上，提供二線數(shù)字串行接口 SCK 和 DATA，接口簡單，支持 CRC 傳輸校驗，傳輸可靠性高；測量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置 A/D 換器 (分辨率為 8～ 12 位，可以通過對芯片內(nèi)部寄存器編程選擇 )；測量精確度高，由于同時集成溫濕度廣西大學畢業(yè)論文 基于單片機的動物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 33 傳感器，可以提供溫度補償?shù)臐穸葴y量值和高質量的露點計算功能；封裝尺寸超小 ( mm mm)，測量和通信結束后，自動轉入低功耗模式；高可靠性，采用 CMOSens 工藝，測量時可將感測頭完全浸于水中。 SHT11 傳感器使用簡單，集溫度和濕度檢測于一身。微小的體積、極低的功耗，使其成為應用的首選。所以在本設計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、濕度感測、信號變換、 A/ D 轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上 ， 其內(nèi)部結構如圖 410 所示。該芯片包括一個電容性聚合體濕度敏感元件和一個用能隙材料制成的溫度敏感元件。這兩個敏感元件分別將濕度和 溫度轉換成電信號 ， 該電信號首先進入微弱信號放大器進行放大 ， 然后進入一個 14 位的 A/ D 轉換器 ， 最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號。 SHT11 在出廠前 ， 都會在恒濕或恒溫環(huán)境中進行校準 ，