【導讀】制系統(tǒng)都基于模糊PID算法而設計。隨著控制對象變得復雜，應用常規(guī)PID溫。度控制精度和魯棒性降低。一種將PID控制與模糊控制的簡便性、靈活性、以及魯棒性融為一體，構(gòu)。造了一個模糊PID溫度控制器。統(tǒng)的硬件設計以及硬件選擇，最后進行系統(tǒng)的軟件設計以及仿真。

　　

【正文】 。 （ 10）適配各種單片機或系統(tǒng)。 （ 11）內(nèi)含 64位激光修正的只讀存儲 ROM，扣除 8位產(chǎn)品系列號和 8位循環(huán)冗余校驗碼 (CRC)之后，產(chǎn)品序號占 48位。出廠前產(chǎn)品序號存入其 ROM中。在構(gòu)成大型溫控系統(tǒng)時，允許在單線總線上掛接多片 DS18B20。 天津工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設計論 文 21 的管腳排列 DS18B20采用 3腳 PR35封裝或 8腳 SOIC封裝。其管腳排列如圖 33所示 DS18B201 2 3GND I/O UDD 圖 33 DS18B20的管腳排列 I/O 為數(shù)據(jù)輸入 /輸出端 (即單線總線 )，它屬于漏極開路輸出，外接上拉電阻后，常態(tài)下呈高電平。 UDD是可供選用的外部電源端，不用時接地， GND為地，NC空腳。 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 26所示。它主要包括 7部分： 寄生電源 。溫度傳感器； 64 位激光 (loser)ROM 與單線接口； 高速暫存器，即便筏式RAM，用于存放中間數(shù)據(jù) : TH 觸發(fā)寄存器和 TL 觸發(fā)寄存器，分別用來存儲用戶設定的溫度上下限值； 存儲和控制邏輯； 8 位循環(huán)冗余校驗碼 (CRC)發(fā)生器 。 6 4 位 R O M存 儲 器 與 控 制 邏 輯高速緩存溫 度 傳 感 器高 溫 觸 發(fā) 器低 溫 觸 發(fā) 器配 置 寄 存 器8 位 C R C 發(fā) 生 器電源檢測I / OCG N DV D 1V D 2V c 圖 34 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 天津工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設計論 文 22 的測溫原理 DS18B20的測溫原理如圖 35所示。 斜 率 累 加 器減 法 計 數(shù) 器 1減 到 0減 法 計 數(shù) 器 2預 置低 溫 度 系 數(shù) 振 蕩 器高 溫 度 系 數(shù) 振 蕩 器 減 到 0溫 度 寄 存 器預 置計 數(shù) 比 較 器增 加 1 圖 35 DS18B20的內(nèi)部測溫電路原理圖 圖 35中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器 1，高溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率隨溫度變化而明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器 2的脈沖輸入。圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時， DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來 決定，每次測量前，首先將 55℃ 所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器 1 和溫度寄存器中，減法計數(shù)器和溫度寄存器被預置在 55℃ 所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器 1的預置值減到 0時溫度寄存器的值將加 1，減法計數(shù)器 1的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器 1重新開始對低溫 度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器 2計數(shù)到 0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值，這就是DS18B20的測溫原理。 數(shù)碼管輸出 數(shù)碼管在儀器儀表中主要是顯示單片機的輸出數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，因而，作為外圍典型器件，數(shù)碼管顯示是反映系統(tǒng)輸出和操縱輸入的有效器件。數(shù)碼管具備數(shù)字接口，可以很方便的和單片機系統(tǒng)連接 。數(shù)碼管的體 積小、輸出內(nèi)容的器件重量輕，并且功耗低，是一種理想的顯示單片機數(shù)據(jù)在單片機系統(tǒng)中有著重要的作用。 按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動電路具有輸天津工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設計論 文 23 出鎖存功能，單片機將所有要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制 LED，直到下一次顯示時再傳送一次新的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的 CPU時間少。靜態(tài)顯示中，每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的 I/O接口，該接口用于筆劃段字型代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示發(fā)送的字形。要顯示新的數(shù)據(jù)時，單片機在發(fā)送新的字形碼。另 一種方法是動態(tài)掃描顯示。動態(tài)掃描方法是用其接口電路把所有顯示器的 8個筆畫段 AH同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極 COM各自獨立的受 I/O線控制。 CPU向字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是哪個顯示器亮，則取決于 COM段，而這一段是由 I/O控制的，由單片機決定何時顯示哪一位了 [7]。 動態(tài)掃描用分時的方法輪流控制各個顯示器的 COM端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間極為短暫，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯 示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，占用很少的 CPU 時間，但每個顯示單元都需要單獨的顯示驅(qū)動電路，使用的電路硬件較多；動態(tài)顯示需要 CPU 時刻對顯示器件進行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的 CPU 時間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。本顯示系統(tǒng)采用共陽極靜態(tài)掃描顯示輸出，如圖 38所示。 S 121345 67891 03ABCD pDEFGL E D21V 2 ABCDEFGD pVV c c 圖 38 單個數(shù)碼管連接圖 鍵盤接口電路 鍵盤是人工干預計算機的主要手段，輸入數(shù)據(jù)、查詢及控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，都要用到鍵盤。 微型計算機所用的鍵盤可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種。編碼鍵盤采用硬件線路來實現(xiàn)鍵盤 編碼，每按下一個鍵，鍵盤能自動生成按鍵代碼，鍵數(shù)較多，而且還具有去抖動功能，這種鍵盤使用方便，但硬件較復雜， PC 機所用的鍵盤就屬于這種。非編碼鍵盤僅提供按鍵開關工作狀態(tài)，其他工作由軟件完成，這種天津工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設計論 文 24 鍵盤鍵數(shù)較少，硬件簡單，一般在單片機應用系統(tǒng)中廣泛用。 按鍵盤與 CPU 的連接方式可以分為獨立式按鍵和矩陣式鍵盤，本系統(tǒng)采用獨立式鍵盤，分為三個獨立鍵盤：模式切換鍵、溫度上下限增加鍵、溫度上下限減少鍵，鍵盤接口電路如圖 39所示。 圖 39 鍵盤接口電路圖 蜂鳴電路 蜂鳴電路用于在溫度超出設定值范圍時提供聲 音報警，它由單片機的 引腳控制。蜂鳴電路如圖 310所示 B U Z 1B UZ Z E RQ6T IP 3 1R31K 圖 310 蜂鳴電路 外部存儲模塊 外部存儲模塊采用美國 ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗 CMOS 型 E2PROM 器件AT24C02B,它內(nèi)含 2568 位存儲空間 ,具有工作電壓寬 (～ V)、擦寫次數(shù)多(大于 10000次 )、寫入速度快 (小于 10ms)、抗干擾能力強、數(shù)據(jù)不易丟失、體積小等特點。它采用了 I2C總線規(guī)程 ,使主 /從機雙向通信。主機通過 SCL引腳產(chǎn)生串行時鐘信號并發(fā)出控制字 ,控制總線數(shù)據(jù)傳送的開始、方向和停止。無論是主機還 是從機 ,接收到一個字節(jié)后必須發(fā)出一個確認信號。 AT24C02B占用很少的資源和 I/O線 ,并且支持在線編程 ,數(shù)據(jù)實時存取十分方便。它由單片機的 、 天津工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設計論 文 25 引腳控制， WP 口接地， AT24C02B與單片機連線圖如圖 311 所示。 圖 311 AT24C02B與單片機連接圖 電機驅(qū)動模塊 電機驅(qū)動控制電路如圖 312所示。電機驅(qū)動模塊由單片機的 、 控制、控制電路模塊分為制冷和加熱模塊，當測得溫度小于實際溫度時，通過光電耦合器啟動加熱裝置，使被控對象升溫；當測得實際溫度大于實際溫度 時，啟動制冷裝置，使被控對象降溫，從而保持溫度始終在設定溫度左右。 圖 312 電機驅(qū)動控制模塊電路 天津工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設計論 文 26 天津工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設計論 文 27 第四章 系統(tǒng)軟件設計 主程序模塊 主程序模塊要做的主要工作是上電后對系統(tǒng)初始化和構(gòu)建系統(tǒng)整體軟件框架，其中初始化包括對單片機的初始化和串口初始化等。然后等待溫度設定，若溫度已經(jīng)設定好了，判斷系統(tǒng)運行鍵是否按下，若系統(tǒng)運行，則依次調(diào)用各個相關模塊，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運行。主程序模塊的程序流程圖如圖 41所示。 圖 41 主程序流程圖 溫度傳感器 DS18B20 模塊 天津工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設計論 文 28 首先系統(tǒng)通過反復操作，搜索 DS18B20序列號，然后啟動所有在線 DS18B20做溫度 A/D變換，最后逐個讀出在線 DS18B20變換后的數(shù)據(jù)， DS18B20程序流程圖如圖 42所示。 開 始初 始 化D S 1 8 B 2 0發(fā) 搜 索 R O M 命 令讀 D S 1 8 B 2 0 序 列 號存 在 一 個D S 1 8 B 2 0 ？初 始 化 D S 1 8 B 2 0發(fā) 跳 過 R O M 命 令發(fā) 溫 度 轉(zhuǎn) 換 命 令等 待 2 u si = 1初 始 化 D S 1 8 B 2 0發(fā) 匹 配 R O M 命 令發(fā) 一 個 D S 1 8 B 2 0 序 列 號讀 存 儲 器讀 匹 配 的 D S 1 8 B 2 0 溫 度在 線 所 有D S 1 8 B 2 0 訪 問完 成 ？i = i + 1NYYN 圖 42 DS18B20總體操作流程圖 DS18B20子程序設計見附錄一。 天津工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設計論 文 29 顯示模塊 LED 顯示方式包括有靜態(tài)和動態(tài)顯示兩種，為了減少硬件成本，采用動態(tài)顯相同字段線連在一起，每一位 a 段連在一起， b 段連在一起， … ， g段連在一起，共 8 段，由一個 8 位 I/O 口的公共端（共陽或共陰 COM）由另一個 I/O 口控制。 由于這種連接方式將每位相同的字段線連在一起，當輸出字段碼時，每一位將顯示相同內(nèi)容，因此，想要顯示不同的內(nèi)容，必須采取輪流顯示的方式。即在某一瞬時，只讓某一位的字位線處于選通狀態(tài)，其他各位的字位線處于開斷狀態(tài)，同時字段線上輸出該位要顯示的相應字符的字段碼。在這一瞬時，只有這一位在顯示，其他幾位暗。同樣在下一瞬間，單獨顯示下一位，這樣依次循環(huán)掃描，輪流顯示，由于人的視覺滯留效應，人們看到的是多位同時穩(wěn)定顯示。 動態(tài)掃描顯示電路的特點是占用 I/O端線少； 電路較簡單，硬件成本低；編程較復雜。 CPU 要定時掃描刷新顯示。當要求顯示位數(shù)較多時，通常采用動態(tài)掃描顯示方式。 LED顯示模塊流程圖如 43圖所示。 開始設字符表輸出位選信號輸出段選信號顯示字符顯示完畢？返回移位YN 圖 43 LED顯示模塊流程圖 LED顯示模塊相關子程序見附錄一。 鍵盤控制模塊 在單片機應用系統(tǒng)中，對鍵盤的處理工作僅是 CPU工作內(nèi)容的一部分， CPU天津工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設計論 文 30 還要進行數(shù)據(jù)處理、顯示和其他輸入輸出操作，因此鍵盤處理工作不能占用 CPU太多時間，同時又需要對鍵盤操作給出及時響應。 CPU對鍵盤處理控制的工作方式有以下幾 種：程序控制掃描方式、定時控制掃描方式、中斷控制方式。 本文設計選用的是程序控制掃描方式，即在 CPU工作之余，調(diào)用鍵盤掃描子程序、響應輸入信號要求。程序控制掃描方式的鍵處理程序固定在主程序的某個程序段。當主程序進行到該程序段時，依次掃描鍵盤，判斷有否鍵輸入。若有，則計算按鍵編號，執(zhí)行相應的鍵功能子程序。這種工作方式，對 CPU工作影響小，但應考慮鍵盤處理程序的運行間隔周期不能太長，否則會影響對鍵輸入響應的及時性。鍵模塊流程圖如圖 44所示。 開 始讀 列 線有 鍵 閉 合 否 ？讀 行 線有 鍵 閉 合 否 ？延 時 消 抖 動行 線 列 線 值轉(zhuǎn) 換 為 按 鍵 編 號執(zhí) 行 相 應 鍵 功能 子 程 序返 回YYNN 圖 44 按鍵模塊流程圖 按鍵模塊相關子程序見附錄一。 天津工業(yè)大學 2021屆本科畢業(yè)設計論 文 31 第五章 系統(tǒng)的仿真 仿真工具 本文利用 MATLAB的模糊控制工具箱進行仿真，模糊控制工具箱是一個不針對具體硬件平臺的模糊控制設計工具，它可以用完全圖形界面的工作方式設計整個模糊控制器，如定義它的輸入、輸出變量的數(shù)目，各輸入、輸出變量隸屬函數(shù)的形狀和條目，模糊規(guī)則的數(shù)目，模糊推理的方法，去模糊化的方法等等。在設計好這樣一個純粹的模糊控制器之后，可以利用 MATLAB本身的 SIMULINK仿真平臺來構(gòu)建整個模糊控制系統(tǒng)并進行仿真。它的優(yōu)勢在于它可以利