【正文】 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，以系統的穩(wěn)定性為出發(fā)點。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仿真模型，如圖38所示：圖38 溫度模糊控制系統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仿真響應曲線圖如39所示：圖39 溫度模糊控制響應曲線167?？刂破鞯妮斎胱兞繛樗黄頔和偏差變化率EC，輸出為控制變量U。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。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]。圖311 水位模糊控制系統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仿真響應曲線圖如312所示：圖312 水位模糊控制響應曲線167。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。23第4章 恒溫電熱水爐控制系統硬件設計167。在本文中，電熱水鍋爐溫度、水位控制系統由單片機、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，其系統框圖如圖41所示。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。167。 單片機的選型本控制系統選擇以AT89C51單片機作為核心器件。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。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。AT89C51有40引腳雙列直插（DIP）形式，其邏輯引腳圖如圖42所示。在單片機內部，它是反相放大器的輸入端。XTAL2——接外部晶振的另一端。（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。當使用片外存儲器（ROM、RAM）時，作地址和數據分時復用。P0口（作為總線時）能驅動8個LSTTL負載。在編程/校驗期間，用于輸入低位字節(jié)地址。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。P2口——8位、準雙向I/O口。在編程/校驗期間，接收高位字節(jié)地址。P3口——8位、準雙向I/O口，具有內部上拉電路。在提供這些功能時，其輸出鎖存器應由程序置1。3．串行口——RXD（串行輸入口），輸入。4．中斷——INT0外部中斷0，輸入。5．定時器/計數器——T0定時器/計數器0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。7．控制線(共4根)輸入：RST——復位輸入。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。當采用晶振為12MHz時，可取C=10uF,R=10KΩ。在編程時，其上施加21V的編程電壓。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。ALE可以驅動8個LSTTL負載。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。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）。167。DS18B20是支持單總線接口的溫度傳感器?，F場溫度直接以單總線的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。分辨率設定存儲在EEPROM中，掉電后依然保存[23] 。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。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。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。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。s，因此I/。 圖47 DS18B20與單片機連接圖167。考慮到系統成本和控制要求，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。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。隨著水位的上升，各“非”門輸出相繼為高電平，LED依次點亮。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。167。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。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]。矩陣式鍵盤通常由行線和列線組成，按鍵位于行、列線的交叉點上。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。電路中共有12個鍵，包括09十個數字鍵、功能鍵、增加/減少鍵。圖49 鍵盤電路2. 顯示電路設計本設計中顯示數值是溫度和水位，使用八個LED數碼管顯示，顯示電路中前四個數碼管顯示溫度、后四個顯示水位。其LED數字顯示電路如圖410所示。該芯片可直接驅動最多8位7段數字LED顯示器或64個LED和條形圖顯示器。本系統中MAX7219與單片機的連接電路圖如圖410所示。 圖210 LED數字顯示電路167。圖211蜂鳴報警電路圖212 缺水保護電路原理圖167。單片機的輸出端口并不能直接驅動電熱絲工作，本設計中采用固態(tài)繼電器(SOLID STATE RELAYS，簡寫成“SSR”)驅動電熱絲工作。固態(tài)繼電器的觸發(fā)電路采用的是過零觸發(fā)方式，當加入控制信號，交流電壓過零時，SSR即為通態(tài)；而當斷開控制信號后，SSR要等待交流電的正半周與負半周的交界點(零電位)時，SSR才為斷態(tài)。本設計中選用GJ20W型固態(tài)繼電器，由于過零型固態(tài)繼電器內部已有光電藕合電路隔離輸入輸出電路,所以電路中不需另加隔離措施[29] 。三極管Q18的集電極輸出為高電平，因此三極管Q13導通，固態(tài)繼電器的輸入端有輸入電壓，輸出端接通。圖213 單片機與GJ20W固態(tài)繼電器接口電路167。電磁閥是屬于執(zhí)行器是用來控制流體的自動化基礎元件，是執(zhí)行進水放水的執(zhí)行部分?；竟ぷ髟硎谴蜷_電源線圈通電時，線圈便產生磁性，近而和跟磁鐵相互吸引，磁鐵就會拉動拉桿進行電磁閥開和關。本設計的電磁閥起控制是否上水，其電路如圖214所示。其中二極管并聯在線圈的兩端，起保護作用。燈亮表示電磁閥打開，水箱上水中；燈滅就表示電磁閥關閉，水箱停止上水。 本章小結 本章針對恒溫電熱水爐控制系統的要求設計了系統的總體實現方案，選用AT89C51單片機為硬件核心元件，完成了溫度、水位控制系統的硬件電路部分的詳細設計，包括溫度檢測電路的設計、水位檢測電路的設計、報警和保護電路的設計、鍵盤和顯示電路的設計、溫度控制電路的設計、水位控制電路的設計。 主程序設計本系統主要完成由AT89C51為核心控制器來實現對電熱水鍋爐水溫和水位的檢測，并在適當的時候報警并斷電，并把溫度、水位顯示在顯示器上。檢測到鍋爐中無水時，立即進行報警，并切斷電源?？刂谱映绦蚋鶕鶕囟群退慌c設定值的差值控制溫度和水位。 溫度檢測子程序設計由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，具有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。DS18B20每一步操作都要遵循嚴格的工作時序和通信協議。溫度采集流程圖如圖52,53所示。167。其流程圖如圖54所示。 鍵盤輸入子程序設計在本控制系統中采用的是矩陣式鍵盤，由于矩陣鍵盤兩端都與單片機I/O口相連，因此在檢測時需人為通過單片機I/O口送出低電平。當然也可以將行線置低電平，掃描列是否有低電平。因此，單片機在檢測鍵盤是否按下時為了避免抖動引起按鍵功能的實現出現失誤，需要加上去抖動操作。鍵盤輸入程序流程圖如圖55所示。 顯示子程序設計顯示子程序主要完成系統當前溫度、水位的顯示。本系統所使用的顯示驅動芯片MAX7219的數據是采用串行傳送的，在顯示之前必須進行初始化設置,這一步在初始化子程序中實現。圖56 顯示子程序流程圖167。本章即利用模塊化設計方法，結合硬件系統要求設計了各主要模塊的子程序，給出了相關軟件流程圖。智能控制是一類無需人的干預就能實現控制的自動控制方案，具有自適應、自學習、自協調等能力，保證了控制系統系統的控制精度、抗干擾能力、穩(wěn)定性等性能。仿真結果表明，采用模糊控制算法，控制效果好、響應快、超調小。 當然，系統同時也存在一定不足。對于AT89C51單片機采用了模糊控制理論，雖然算法簡單，但控制精度受到一定的限制。參考文獻[1] 孫新國. 電加熱恒溫熱水鍋爐及其設計[J]. 工業(yè)鍋爐, 2010, (1): 6264.[2] 顧毅. 智能控制發(fā)展綜述[J]. 信息技術, 2009, (6):3940.[3] 曾光奇, 胡均安, 王東等. 模糊控制理論與工程應用[M]. 武漢: 華中科技大學出版社, 2006: 5680.[4] 邱東強, 涂亞慶. 神經網絡控制的現狀和展望[J]. 自動化儀器儀表, 2001, (5): 16.[5] 程紅, 陳蓉. 人工神經網絡在PID控制算法中的應用[J]. 農業(yè)裝備與車輛工, 2006, (11): 42.[6] 邵紅, 李川香. 一種基于模糊PID的溫度控制系統[J]. 自動化儀表, 2002, 23(9): 70.[7] Roger Jang J S, ANFIS. 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