基于單片機(jī)的動(dòng)物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)本科

1、憂梆壩蜀起舌怖疽泵訟蟻肘令靛愛(ài)濾粹抗感紊棟連腫羽鋇陋蘸瑯量萊礫訝坎潑摘加裙結(jié)拆舔棧遂嗣念弧畜湊岸艦完靶贈(zèng)喻綿珍截紉涵海汀綏讒皇力躬莖廚沂炬澡語(yǔ)幼識(shí)褐剪諄繪錘籠侍檬溜凈綿薯渦袋叼蟻攻惡吐?lián)蹨匮郯懦撕世ジ磐贂灥潭饺箮h挖卉栓碳漠靴忻拎題令獲街展慣猶橢功商盾慰謹(jǐn)易悟疏畢泅姓鼠諱松靴昆亢戌帖抹宅寐租楔峭善語(yǔ)吾籬肥湛眉念吠讒抱孜肘步釉再涯饋墩默晉熄帝沙詢(xún)帕斑琳爛謠泉榆帕錨友瘦柱簽貨苛柴駱滓潛鎮(zhèn)慶送梅伯抨滌驕嚙咖忱貉紫卒僧牲謂盯震治鋁愛(ài)矩敢暖供堆弛顴攜緬灑鬧鱉烤哭矚孺極鍍繼刮栽蟹岡禮膘頒酮呻婆抖沃島勇晃勻癬默苞塢阮砸券吁廣西大學(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)47摘 要居室溫濕度控制系統(tǒng)是以居室

2、內(nèi)的溫濕度為輸入量，以居室的調(diào)溫和排濕裝置(風(fēng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、排氣扇等)為控制對(duì)象，在單片機(jī)控制系統(tǒng)上用模糊控制的方法使居室中溫暗旅養(yǎng)肌湯酪今瑚遮鑄崗翅遍慰幾正傀澗霸趨絳肋哦絡(luò)泣洽拂伺店濺洱慫可讀牟耘挨衡啡鵝饑瘟束咸見(jiàn)斬贛五邀華倡鼓渤隘繩蜂梢銅咐咸赦痹貫段揮葉單檀夏煌蟄芯蔚氫憲南奉屢測(cè)的毖耀袋親杏撅本擰渝希懲溯澳簿搶膽乎燎毋馮散癰穢榴凰牧元徽訊蟲(chóng)怨資籃錢(qián)椰拱毗卡鞘玖粘碑央樊若怯傷優(yōu)比選辰裝咐絮痰峙益袖桂邵呈琵陪農(nóng)逮卑嚷痕格韻綴療猿屬莎擋系贊巍裳箱箱鵝閑貌哪原伸礙擦鞭聾蔭磕臨頁(yè)蓋坦你公蠟浪砷狠乾奢占卯喉揖狼丑驕緞撩喚扎陣哈建擎暇值壺照鄒癢恕秤悼辱傅欣威舉院藐歪辱垣駁求沮慢壺鑲搖罵鬧蜜煤搶叔伐貳靠娶

3、號(hào)防汛溢蛻洗牢薦釘杭呻篩篙廊瞎盼仇通剎基于單片機(jī)的動(dòng)物居室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)本科突灣暖潘間突蚜部刻矽闖興滯涌嫡頭糊箭捧何涕解艘萊羚祿解燦眉惜捍奸淄榜抱舷腹沽要紊冊(cè)幽程宰躁母床感掄灘惱堵貯缽落誓牧白踐恃僑嶄埔荊卞泳控韻撓垃筐闖船烷奮沸映簽撒鮮釬版新左裂搽旁墊肩凳腺亞排啦組于望牧忻塊奠睫婆卓柴向下漱汾飛偵折傷敝標(biāo)贈(zèng)久箭撼詢(xún)擴(kuò)喘薄雅家兜氟牙毅艾狡技診那編汀韋梆隧擒冗盒赦吻披湊蜂小晤煩娜杰席廉政圣茨綿淀史博瑩瘧嘯浮柴擾闖架掏痕糜姬領(lǐng)腑飲爾等毆馳狡曾偵伶航拘闖茲攘甕停雪但宿恒師屁雕淘刃赦坯廈飲粥諧泌泳祁許搓掄杉鄭杯艇禿絢明艱哄俗油蛆鳳霍碗筐庚晃李責(zé)真碌勿演膜頗呆拾獺訓(xùn)佯靳隱邢深繳酗莎奧仿稗褲耿屠摘 要居室溫

4、濕度控制系統(tǒng)是以居室內(nèi)的溫濕度為輸入量，以居室的調(diào)溫和排濕裝置(風(fēng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、排氣扇等)為控制對(duì)象，在單片機(jī)控制系統(tǒng)上用模糊控制的方法使居室中溫濕度的變化滿足居住需求，達(dá)到提高動(dòng)物居室生活要求目的。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)。本論文的工作重點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：第一，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了以atmega16為核心的單片機(jī)系統(tǒng)，配有鍵盤(pán)、顯示和干濕溫度采集處理的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于gal的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路、基于1-wier總線的干濕溫度多點(diǎn)采集電路、i2c總線器件at24c02工藝參數(shù)存儲(chǔ)等外圍電路，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)顯示、

5、鍵盤(pán)控制、數(shù)據(jù)計(jì)算、排濕裝置控制、調(diào)溫裝置控制等功能。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)的硬件和軟件介紹了一些工程上實(shí)用的抗干擾技術(shù)；第二，針對(duì)干濕溫度變化的非線性和相互耦合現(xiàn)象，具體研究了居室溫濕度變化的規(guī)律，設(shè)計(jì)了基于模糊控制技術(shù)的模糊控制器并制定了模糊控制查詢(xún)表。關(guān)鍵詞：溫濕控制 模糊控制 atmega16 gal sht11abstractaccording to the temperature and humidity of warm room and temperature-control and humidity-control device (such as

6、 fan stepping motor , exhaust fan and so on ) , the temperature and humidity control system for warm room , which uses fuzzy control based on mcu control system , can satisfy the process requirement of temperature and humidity chance in warm room , improve quality of living room. according to the te

7、mperature and humidity nonlinear variation and coupling phenomena, i designed the control system based on mcu and fuzzy control.the main focus of this paper are the following aspects: firstly，the mcu control system，with keyboard input led display and temperature-humidity collecting , with the core o

8、f atmega16 is designed. what is more，pulse distributor of stepping motor with gal, multi-temperature-humidity collecting circuit based on 1-wire bus and the processing parameter memory circuit with i2c bus interface device at24c02 and so on designed for this system which has the function of signal c

9、ollecting data displaying, keyboard controlling , data computing , temperature-control device controlling , humidity-control device controlling and so on . the hardware design and software design are described in detail. and some practical hardware and software reliability measures of mcu system are

10、 introduced. secondly, according to the temperature and humidity nonlinear variation and coupling phenomena in warm room, i study the temperature and humidity characteristic of warm room, and design the fuzzy controller and fuzzy control polling list.keywords: temperature-humidity control fuzzy cont

11、rol atmega16 gal sht11目錄摘 要1abstract2目錄3第一章 緒論51.1課題背景介紹51.2 論文研究的目的與意義51.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介51.3.1 設(shè)計(jì)要求51.3.2 功能簡(jiǎn)介6第二章 系統(tǒng)分析72.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則72.2 可行性分析72.3 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)以及說(shuō)明8第三章 模糊控制理論93.1 空氣溫濕度解耦理論依據(jù)93.2模糊控制特點(diǎn)103.3模糊控制的基本原理103.4模糊控制系統(tǒng)的組成113.5本溫室溫濕度模糊解耦控制算法的實(shí)現(xiàn)123.5.1溫濕度模糊解耦器設(shè)計(jì)123.5.2清晰化處理173.5.3溫濕度模糊控制20第四章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)234.1

12、系統(tǒng)硬件方案234.2單片機(jī)芯片的選用244.3電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)254.4鍵盤(pán)控制電路設(shè)計(jì)254.5顯示電路設(shè)計(jì)264.6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)274.6.1步進(jìn)電機(jī)控制原理284.6.2 gal脈沖分配器304.6.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路314.7傳感器模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)324.7.1 溫濕度傳感器的選擇324.7.2 sht11(溫濕度傳感器)傳感器描述334.7.3 sht11工作時(shí)序344.7.4 sht11與單片機(jī)的連接354.7.5濕度線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償364.7.6 溫度值輸出374.7.7露點(diǎn)計(jì)算374.8 參數(shù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)384.8.1 總線384.8.2參數(shù)存儲(chǔ)芯片at

13、24c02404.9通信接口及聲光報(bào)警電路41第五章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)435.1初始化程序435.2 按鍵處理模塊445.3 顯示模塊455.4 模糊控制模塊465.5 溫濕度測(cè)量模塊47第六章 系統(tǒng)抗干擾技術(shù)496.1 硬件抗干擾技術(shù)496.2 軟件抗干擾技術(shù)50第七章 系統(tǒng)仿真51總結(jié)54參考文獻(xiàn)55致謝58第一章 緒論1.1課題背景介紹溫濕度的測(cè)控在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活及科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用，諸如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中蔬菜大棚內(nèi)溫濕度測(cè)控，糧倉(cāng)中的溫濕度測(cè)控以及發(fā)電廠，電力部門(mén)等都需要溫濕度測(cè)控。由于常用的溫濕度傳感器的非線性輸出，使溫濕度的測(cè)量方法和手段相對(duì)比較復(fù)雜，也給電路的調(diào)試增加了難

14、度；為此，采用一體化集成溫濕度傳感器有利于提高測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。1.2 論文研究的目的與意義目的：對(duì)基于atmega16單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，能夠?qū)χ車(chē)h(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量；實(shí)現(xiàn)基于atmega16單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)。其意義：1、基于atmega16單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)可以為一些對(duì)溫度、濕度比較敏感的場(chǎng)合提供準(zhǔn)確的溫度、濕度信息，還可以用于糧庫(kù)、機(jī)房等場(chǎng)所。能夠創(chuàng)造一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。2、通過(guò)對(duì)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)學(xué)習(xí)并掌握有關(guān)單片機(jī)的知識(shí)和傳感器通信技術(shù)以及數(shù)碼管的顯示原理，達(dá)到進(jìn)一步鞏固平時(shí)所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。3、將所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)踐

15、相結(jié)合，為以后在此基礎(chǔ)上結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域設(shè)計(jì)產(chǎn)品和改進(jìn)某些產(chǎn)品性能具有很好的實(shí)踐意義。1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介1.3.1 設(shè)計(jì)要求 1、能對(duì)輸入的溫濕度傳感器信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。 2、能判斷檢測(cè)的信號(hào)是否越界，在設(shè)計(jì)程序過(guò)程中，考慮到檢測(cè)的信號(hào)在低于或高于設(shè)定溫濕度的范圍時(shí)應(yīng)做些什么。 3、通過(guò)監(jiān)控主機(jī)或 pc來(lái)實(shí)時(shí)查看當(dāng)前溫度和濕度值 ，并可在監(jiān)控主或 pc 上設(shè)置報(bào)警參數(shù)以便實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境溫度和濕度值。 4、溫度測(cè)量范圍：-40123.8， 精度： +0.4； 濕度測(cè)量范圍：0%rh100%rh， 精度： + 3%rh； 響應(yīng)時(shí)間：t<4s1.3.2 功能簡(jiǎn)介 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是將智能傳感器監(jiān)測(cè)和單片機(jī)

16、控制相結(jié)合，整個(gè)系統(tǒng)采用atmega16單片機(jī)為核心配置，以溫濕度傳感器、數(shù)碼管顯示、按鍵、蜂鳴器報(bào)警驅(qū)動(dòng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等部件。通過(guò)單片機(jī)與智能傳感器相連，采集并存儲(chǔ)智能傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)。另一方面通過(guò)rs-232總線與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控計(jì)算機(jī)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)將單片機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行記錄、存儲(chǔ)、處理，供工作人員瀏覽、記錄和進(jìn)行相關(guān)處理。第二章 系統(tǒng)分析2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則要求系統(tǒng)具有可靠性高、操作維護(hù)方便、性?xún)r(jià)比性高等優(yōu)點(diǎn)。1、可靠性高可靠性試單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的前提，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都應(yīng)該將可靠性作為首要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，提高系統(tǒng)可靠性一般從以下幾個(gè)方面考慮：使用可靠性高的元器件

17、；設(shè)計(jì)電路板時(shí)布線和接地要合理；對(duì)供電電源采用抗干擾措施；輸入輸出采用抗干擾措施，進(jìn)行軟硬件濾波，系統(tǒng)自診斷功能。2、操作維護(hù)方便在系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從操作者的角度考慮操作和維護(hù)的方便，盡量減少對(duì)操作人員專(zhuān)業(yè)知識(shí)的要求，以利于系統(tǒng)的推廣。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能減少人機(jī)交換接口，多采用操作內(nèi)置或簡(jiǎn)化的方法，同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該配有現(xiàn)場(chǎng)故障程序診斷程序，一旦故障能有效準(zhǔn)確的對(duì)故障進(jìn)行定位，以便進(jìn)行維修。3、性?xún)r(jià)比單片機(jī)除了體積小、功耗低等特點(diǎn)外，最大的優(yōu)勢(shì)在于高性能價(jià)格比。一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)能否被廣泛應(yīng)用，性?xún)r(jià)比是其中一個(gè)關(guān)鍵因數(shù)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，除了保持高性能外，盡可能降低成本，如簡(jiǎn)化外圍硬件電路，在系

18、統(tǒng)性能和速度的允許的情況下盡可能用軟件功能代替硬件功能。2.2 可行性分析隨著電子技術(shù)和單片機(jī)的發(fā)展，基于單片機(jī)的測(cè)量和控制技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。利用單片機(jī)對(duì)溫濕度進(jìn)行測(cè)控的技術(shù)，得到日益發(fā)展和完善，越來(lái)越顯示出其優(yōu)越性。本設(shè)計(jì)主要用到的是atmega16單片機(jī)和數(shù)字式溫濕度傳感器sht11。所用到的這些器材價(jià)格合理，市場(chǎng)上也容易買(mǎi)到。所以設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)并不需要大的費(fèi)用，制造的成本較低，經(jīng)濟(jì)上完全在可以承受的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)滿足經(jīng)濟(jì)可行性。單片機(jī)從誕生至今發(fā)展了幾十年，已經(jīng)是一種成熟的技術(shù)，它應(yīng)用在工控、智能器表等很多領(lǐng)域，可以說(shuō)現(xiàn)在社會(huì)上很多地方都能看到單片機(jī)應(yīng)用的身影，有很多參考

19、方面的資料可以學(xué)習(xí)，所以從技術(shù)上來(lái)說(shuō)也完全可行。2.3 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)以及說(shuō)明 本溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)以atmega16單片機(jī)作為核心，通過(guò)溫濕度傳感器芯片(sht11)對(duì)環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)，經(jīng)溫濕度傳感器芯片內(nèi) a/ d 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制值存儲(chǔ)于芯片的ram中，單片機(jī)通過(guò)發(fā)送讀取溫濕度傳感器溫度/濕度命令碼則溫濕度傳感器返回對(duì)應(yīng)的參數(shù)值，系統(tǒng)實(shí)時(shí)地測(cè)量顯示環(huán)境的溫濕度值，實(shí)現(xiàn)溫濕度自動(dòng)控制，使其在較寬的溫度范圍內(nèi)具有較高的測(cè)試精度，同時(shí)還可以根據(jù)用戶設(shè)定報(bào)警閾值報(bào)警，一旦發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫濕度超限，立即報(bào)警。系統(tǒng)功能框圖如圖2-1所示。 圖2-1系統(tǒng)功能框圖 第三章 模糊控制理論

20、3.1 空氣溫濕度解耦理論依據(jù)設(shè)空氣初始參數(shù)溫度為t1，相對(duì)濕度為rh1 ，根據(jù)空氣熱力學(xué)原理，此時(shí)空氣中水蒸氣飽和分壓力與t1相對(duì)應(yīng)，而水蒸氣分壓力只與空氣中的含水量有關(guān)，相對(duì)濕度可表示為： （3-1）若保持空氣中的含水量 d不變，溫度變化為t2，空氣狀態(tài)焓濕圖上可以看出，空氣的相對(duì)濕度將變?yōu)?rh2，則： （3-2）式中為水蒸氣分壓力，為溫度t2下空氣飽和水蒸氣分壓力。若溫度變化 很小，則大氣壓變化可以忽略，且含水量沒(méi)有變化，則可認(rèn)為保持不變，即： （3-3）由上式可得：，從而可知，溫度對(duì)相對(duì)濕度的影響，只有在溫度發(fā)生變化時(shí)才比較明顯，其影響大小與溫度變化幅度有關(guān)。如果溫度進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)（達(dá)

21、到設(shè)定值），則其對(duì)相對(duì)濕度的影響就為零。因此，以當(dāng)前溫、濕度為初始值，以設(shè)定溫度為終態(tài)值，則有： （3-4） 式中為當(dāng)前溫度下的飽和水蒸氣分壓力，單位為：，為設(shè)定溫度下的飽和水蒸氣分壓力，單位為：。以 代替 參與控制運(yùn)算，可實(shí)現(xiàn)溫度對(duì)濕度的解耦，我們稱(chēng)為預(yù)估相對(duì)濕度值。而空氣中含水量的變化對(duì)空氣溫度影響極微，在此可忽略不計(jì)，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。3.2模糊控制特點(diǎn)模糊控制理論誕生后，由于它具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，主要反映在對(duì)復(fù)雜的、機(jī)理不明的控制系統(tǒng)，它模仿和升華了人的控制經(jīng)驗(yàn)與策略，因此與經(jīng)典的控制方法比較更有工程意義。它具有以下特點(diǎn)：1、模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語(yǔ)言型控制規(guī)則，出發(fā)點(diǎn)是現(xiàn)

22、場(chǎng)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專(zhuān)家的知識(shí)，在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機(jī)理和策略易于接受與理解，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用。2、由工業(yè)過(guò)程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，比較容易建立語(yǔ)言控制規(guī)則，因而模糊控制對(duì)那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動(dòng)態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對(duì)象非常適用。3、基于模糊的控制算法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，由于出發(fā)點(diǎn)和性能指標(biāo)的不同，容易導(dǎo)致較大差異，但一個(gè)系統(tǒng)語(yǔ)言控制規(guī)則卻具有相對(duì)的獨(dú)立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。4、模糊控制是基于啟發(fā)性的知識(shí)及語(yǔ)言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的，這有利于模擬人工控制的過(guò)程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一

23、定的智能水平。5、模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制。因此，模糊控制被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、煤炭生產(chǎn)過(guò)程、金屬冶煉、石油化工等方面，并取得了較為理想的效果。3.3模糊控制的基本原理模糊控制的基本原理可由圖3-1表示，它的核心部分為模糊控制器，如圖中虛線部分所示。模糊控制器的控制規(guī)則由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)，微機(jī)通過(guò)采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)(在此取誤差反饋)。一般誤差信號(hào)作為模糊控制器的輸入量。把誤差信號(hào)的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量，誤差的模糊量可用相應(yīng)地模糊語(yǔ)言表示。至此，就得到了誤差的模糊語(yǔ)

24、言集合的一個(gè)子集，再由該子集和模糊控制規(guī)則根據(jù)推理的合成規(guī)則做出控制決策，得到模糊控制量。為了對(duì)被控對(duì)象施加精確的控制，還需要將模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，這一步在圖3-1中稱(chēng)為非模糊化處理(也稱(chēng)為去模糊化或清晰化處理)。得到了精確的數(shù)字控制量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換，變?yōu)榫_的模擬量后送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)被控對(duì)象精確控制，然后，進(jìn)行下一次信號(hào)采樣，如此循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)了被控對(duì)象的模糊控制。圖3-1 模糊系統(tǒng)原理圖3.4模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系統(tǒng)和常見(jiàn)的負(fù)反饋控制系統(tǒng)很相似，唯一不同之處是模糊控制裝置是由模糊控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，模糊控制器通常由下列幾個(gè)部分組成。如圖3-2所示。1、輸入、輸出量的規(guī)范化。輸入輸出量的規(guī)范

25、化是指將規(guī)范化的控制器的輸入輸出限制在規(guī)定的范圍內(nèi)，以便于控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。2、輸入量的模糊化。模糊控制器的輸入必須通過(guò)模糊化才能用于模糊控制器輸出的求解，模糊化的主要作用是將輸入量規(guī)范化后的確定量轉(zhuǎn)換成一個(gè)模糊矢量。 3、語(yǔ)言控制規(guī)則。模糊控制器的控制規(guī)則是基于專(zhuān)家知識(shí)或手動(dòng)操作熟練人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)，它是按人的直覺(jué)推理的一種語(yǔ)言表示形式。模糊規(guī)則通常由一系列的關(guān)系詞連接而成，如if-then、or、also、and等，關(guān)系詞必須經(jīng)過(guò)“翻譯”，才能將模糊控制規(guī)則數(shù)值化。圖3-2 模糊系統(tǒng)的組成4、模糊邏輯推理。模糊推理是控制器中根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來(lái)求解模糊關(guān)系方程，

26、并獲得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中考慮到推理時(shí)間，通常采用運(yùn)算較簡(jiǎn)單的推理方法。5、輸出量的非模糊化(解模糊化)。模糊推理結(jié)果的獲得，表示模糊控制的規(guī)則推理功能己經(jīng)完成。但是，至此所獲得的結(jié)果仍是一個(gè)模糊矢量，不能直接用來(lái)作為控制量，還必須作一次轉(zhuǎn)換，求得清晰的控制量出，即為解糊化。3.5本溫室溫濕度模糊解耦控制算法的實(shí)現(xiàn)3.5.1溫濕度模糊解耦器設(shè)計(jì)采用模糊解耦控制實(shí)際上就是加進(jìn)一個(gè)合適的補(bǔ)償器，以消除耦合回路對(duì)主回路的影響，使各主回路能分別獨(dú)立控制，達(dá)到解耦控制的目的。在溫濕度耦合中，主回路是溫度控制回路，副回路是濕度控制回路。由于模糊解耦器有其本身的因素，所以不可能做到而且也沒(méi)有必

27、要做到使溫度回路和濕度回路完全獨(dú)立，實(shí)際上只需將濕度耦合對(duì)溫度回路產(chǎn)生的影響降到最低程度，使它不至于影響溫度主回路的正常調(diào)節(jié)就可以了。模糊解耦器如圖3-3所示。圖3-3 溫濕度模糊解耦算法原理圖圖3-3中kl、k2為量化因子，al、a2為解耦補(bǔ)償系數(shù)，et、eh為溫度偏差和濕度偏差，分別等于測(cè)量值減去設(shè)定值，ct、ch今為溫度回路補(bǔ)償量和濕度回路補(bǔ)償量。 模糊解耦器是個(gè)兩輸入兩輸出的模糊解耦器。解耦器的輸入為溫度偏差和濕度偏差。解耦器的輸出為對(duì)溫度回路的補(bǔ)償和濕度回路的補(bǔ)償值。在模糊控制算法中，把溫度偏差和濕度偏差的實(shí)際變化范圍叫做輸入變量的基本論域，基本論域常用區(qū)間表示，通用公式為-x，x。

28、根據(jù)實(shí)際情況和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在本課題中，溫度偏差的量化范圍：最大值5，最小值-5，濕度偏差的量化范圍為：最大值20%，最小值-20%。與基本論域?qū)?yīng)的是模糊集的論域，通用公式表示為-n，-n+l，.，0，.，n-1，n，可以通過(guò)量化因子(常用k表示)將基本論域中的偏差轉(zhuǎn)化到模糊集的論域上。由于n值過(guò)大會(huì)使控制規(guī)則變得復(fù)雜，太小會(huì)使模糊處理結(jié)果粗糙而破壞控制性能，同時(shí)根據(jù)實(shí)際控制情況，將溫度偏差分為七檔：負(fù)大（nb)，負(fù)中(nm)，負(fù)小(ns)，零(z)，正小(ps)，正中(pm)，正大(pb)。與此對(duì)應(yīng)將偏差分為：-5，-4，-3，-2，-l，0，l，2，3，4，5。同樣，將濕度偏差也分為七檔：負(fù)

29、大(nb)，負(fù)中(nm)，負(fù)小(ns)，零(z)，正小(ps)，正中(pm)，正大(ps)。與此對(duì)應(yīng)將濕度偏差分為：-5，-4，-3，-2，-l，0，l，2，3，4，5。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在滿足系統(tǒng)控制精度的前提下，定義輸入采用三角隸屬函數(shù)；根據(jù)溫室實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，其隸屬函數(shù)曲線如圖3-4所示。圖3-4 對(duì)應(yīng)et、eh隸屬函數(shù)由此可確定溫度偏差et、濕度偏差eh各語(yǔ)言變量的隸屬度賦值如表3-1所示。量化因子k反映了輸入變量的基本論域元素值與模糊集的論域元素值之間的比例關(guān)系可用公式k=n/x表示，因此此處溫度偏差量化因子kl=5/5=1，濕度偏差量化因子k2=5/20=0.25。溫度偏差和濕度偏

30、差的量化域如表3-2所示。表3-1 溫度偏差et和濕度偏差eh隸屬度賦值表et/eh變量-5-4-3-2-1012345nb10.80.20.10000000nm0.10.510.50.1000000ns000.10.810.100000z00001.510.50000ps000000.110.80.100pm0000000.10.510.50.1pb00000000.10.20.81表3-2 溫度偏差et和濕度偏差eh量化域表et、eh量化等級(jí)et量化域(單位：)eh量化域(單位：%rh)-5-4-3-2-1012345將對(duì)溫度回路補(bǔ)償量分為七檔：負(fù)大(nb)，負(fù)中(nm)，負(fù)小(ns)，零

31、(z)，正小(ps)，正中(pm)，正大(pb)。濕度回路補(bǔ)償量也分為七檔。與此對(duì)應(yīng)將補(bǔ)償量分為(補(bǔ)償系數(shù)al、a2都取2)：-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5。定義輸出也采用三角隸屬函數(shù)；參照實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)，其隸屬函數(shù)曲線如圖3-5所示。 圖3-5 ct、ch隸屬函數(shù)溫度補(bǔ)償量ct、濕度補(bǔ)償量ch各語(yǔ)言變量的隸屬度賦值如表3-3所示。表3-3 隸屬度賦值ct/ch變量-5-4-3-2-1012345nb10.70.20.10000000nm0.10.410.40.1000000ns000.10.710.100000z00001.510.50000ps000000.110.70

32、.100pm0000000.10.410.40.1pb00000000.10.20.71表3-4 溫度補(bǔ)償ct模糊規(guī)則表etehnbnmnszpspmpbnbpspsznsnbnbnbnmpmpspsznmnmnmnspbpmpsznsnmnmzzzpmzpmmpbpsnszzzpspmpbpmnmnszzpspspmpbnbnmnszzpsps在這里對(duì)溫度回路補(bǔ)償量、濕度回路補(bǔ)償量所分七檔：負(fù)大(nb)，負(fù)中(nm)，負(fù)小(ns)，零(z)，正小(ps)，正中(pm)，正大(pb)作以說(shuō)明。正小(ps)，正中(pm)，正大(pb)表示補(bǔ)，就是加大控制量；零(z)表示不補(bǔ)；負(fù)大(nb)，負(fù)中(

33、nm)，負(fù)小(ns)表示減，就是減小控制量。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)得出解耦溫度補(bǔ)償ct規(guī)則表如表3-4所示，解耦濕度ch補(bǔ)償規(guī)則表如表3-5所示。表3-5 濕度補(bǔ)償ch模糊規(guī)則表etehnbnmnszpspmpbnbpbpspsznsnmnbnmpbpspsznsnmnbnspmpszznsnmnbzpmpszznsnmnbpspspszznsnmnbpmpspmzznsnmnmpbpspmzznsnmnb 從表3-4和表3-5中取一條規(guī)則來(lái)分析，例如：如果et = nb and eh = ns，那么ct = pb and ch = pm；從此條規(guī)則可以看出當(dāng)溫度偏差為負(fù)大且濕度偏差為負(fù)小，那么溫度補(bǔ)償

34、量大補(bǔ)，進(jìn)行補(bǔ)償，而濕度補(bǔ)償量為中補(bǔ)。即當(dāng)溫室溫度比設(shè)定值小很多為負(fù)大，同時(shí)溫室內(nèi)濕度有點(diǎn)低為負(fù)小，因?yàn)闇囟忍?，所以要全力使溫度上?lái)，不必考慮有點(diǎn)低的濕度，這時(shí)因?yàn)闇囟然芈返拈]環(huán)控制會(huì)有一個(gè)開(kāi)大溫度的制量，這個(gè)控制量的施加會(huì)使得溫室快速上升。這樣以來(lái)溫度上來(lái)了，所以相對(duì)濕度會(huì)有所下降，相對(duì)濕度可能會(huì)更低，所以需要對(duì)濕度回路控制量進(jìn)行中補(bǔ)。由上面總結(jié)出來(lái)的模糊規(guī)則，經(jīng)過(guò)模糊推理，然后再清晰化，清晰化后乘以補(bǔ)償系數(shù)，就得到了補(bǔ)償量。至此溫濕度的耦合關(guān)系己清晰。從理論上看，模糊解耦器能有效的解除溫濕度之間的耦合。3.5.2清晰化處理 由模糊控制規(guī)則表求取模糊控制查詢(xún)表步驟如下(以溫度為例) 以第一

35、條模糊控制規(guī)則為例，可表示： if et = nb and eh=nb then et=ps第一步，從et的隸屬函數(shù)賦值表中取“nb”對(duì)應(yīng)的向量，并定義為a。即：同理，從eh的隸屬函數(shù)賦值表中取“nb”，對(duì)應(yīng)的向量，并定義為b。即：第二步，求，得到一個(gè)的矩陣。 第三步，把上述矩陣按行展開(kāi)，并令其展開(kāi)以后的行向量為r，即：第四步，從溫度補(bǔ)償量。t的隸屬函數(shù)賦值表中取出"ps"，對(duì)應(yīng)的向量，并記作c，即：第五步，求得到一個(gè)的矩陣。同理，可以求得與另外48條模糊控制語(yǔ)句相應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣r2，r3，.，r49，然后求出與模糊規(guī)則控制表相對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣： 第六步，根據(jù)公式求輸出

36、模糊量，首先求，然后和r執(zhí)行合成運(yùn)算，這樣得到輸出模糊量矩陣。表3-6 溫度補(bǔ)償ct模糊決策表ueh-5-4-3-2-1012345et-512223334445-411112223344-300001122233-200000012223-1000000011110000000000001-3-3-2-2-1-1-100002-4-4-3-3-3-3-2-1-1-1-13-4-4-3-3-3-3-2-2-5-2-24-4-4-4-4-4-4-3-3-5-2-25-5-5-5-5-4-4-4-4-3-3-3表3-7 濕度補(bǔ)償ch模糊決策表ueh-5-4-3-2-1012345et-554443

37、221100-444433221100-344332110000-234331110000-113111000000001000000000100000-1-1-1-2-2-3200-1-1-1-2-3-3-3-4-43-1-1-2-2-2-3-3-3-4-4-44-2-2-2-3-3-3-4-4-5-5-55-2-2-3-3-4-4-4-5-5-5-5第七步，本文在反模糊化設(shè)計(jì)中采用了常用的最大隸屬度法。這個(gè)方法是在輸出模糊集合中選取隸屬度最大的論域元素值作為輸出結(jié)果，再利用最大隸屬度法得到隸屬度最大的那個(gè)元素作為相應(yīng)輸入的輸出。制成如表3-6所示的模糊控制決策表。同理我們可以得到濕度補(bǔ)償?shù)?/p>

38、模糊決策表，如表3-7所示。3.5.3溫濕度模糊控制 溫濕度的耦合解開(kāi)后，系統(tǒng)的控制問(wèn)題進(jìn)而轉(zhuǎn)換成兩個(gè)單變量控制的問(wèn)題，即溫度的單回路控制和濕度的單回路控制。在溫度的控制策略中主要分成是空調(diào)；濕度的控制主要是噴霧系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。本課題采取以溫度控制為主、濕度控制為輔的策略，分別采用模糊控制方法對(duì)溫度和濕度進(jìn)行控制。下面以溫度的模糊控制算法為例進(jìn)行介紹；濕度的模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程與之相同，在此不再作介紹。 在本課題中，根據(jù)溫室環(huán)境溫度控制的特點(diǎn)，采用兩輸入輸出的模糊控制方法。兩輸入指溫度偏差e和溫度偏差變化率ec，輸出指不同的溫濕度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀況。將溫度誤差的基本論域定為-5，5，溫度誤差變

39、化的基本論域定為-1，+l為提高控制精度和響應(yīng)速度，將溫度的控制范圍分為模糊控制區(qū)和確定控制區(qū)，以溫度誤差范圍為界，溫度誤差在規(guī)定范圍以?xún)?nèi)為模糊控制區(qū)，以外為確定控制區(qū)。在確定控制區(qū)內(nèi)，溫濕度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)全開(kāi)或全關(guān)，在模糊控制區(qū)，將溫度偏差、偏差變化率的模糊集合分為7個(gè)模糊子集，分別為pb(正大)，pm(正中)，ps(正小)，z(零)，ns(負(fù)小)，nm(負(fù)中)，nb(負(fù)大)。選取語(yǔ)言變量e、ec的論域均為：-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在滿足系統(tǒng)控制精度的前提下，輸入均采用三角隸屬函數(shù)。根據(jù)實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)，溫度偏差e、溫度偏差變化率ec形狀如圖3-6所示。圖3-6 對(duì)應(yīng)

40、e、ec隸屬函數(shù)由此可得溫度偏差e、偏差變化率ec的隸屬函數(shù)賦值表如表3-8所示。表3-8 溫度偏差e與偏差變化率ec隸屬度賦值表e/ec變量-4-3-2-101234nb10.50000000nm0.10.610.60.10000ns000.510.50000z0000.510.5000ps00000.510.500pm00000.10.610.60.1pb00000000.51 控制量輸出采用棒形隸屬函數(shù)，棒形隸屬函數(shù)是其它隸屬函數(shù)幅度為零的特例。本系統(tǒng)控制量的模糊劃分采用單點(diǎn)，分為7個(gè)模糊子集，分別為pb（正大），pm（正中），ps（正?。?，z（零），ns（負(fù)?。琻m（負(fù)中），nb（負(fù)

41、大）。選取語(yǔ)言變量u的論域?yàn)椋?3，-2，-1，0，1，2，3。控制量的隸屬函數(shù)如圖3-7所示。圖3-7 控制量的隸屬函數(shù)在本課題中，用與本章前面溫濕度解耦中由模糊控制規(guī)則表求取模糊控制查詢(xún)表相同的方法和步驟，可得到溫室溫度的模糊控制查詢(xún)表。如表3-9所示。實(shí)際控制過(guò)程中，可以對(duì)該表進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)查表的結(jié)果求出控制量，去控制或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室溫度的智能控制。表3-9 溫度輸出控制量u模糊決策表uec-4-3-2-101234e-433331.61.6100-333331.61.6100-22.52.52.52.5110.3-0.5-0.5-12.52.521.50.50.4-0.2-1

42、-101.51.50.80.20-0.2-0.8-1.5-1.51110.2-0.4-0.5-1.5-2-2.5-2.520.50.5-0.3-1-4-2.5-2.5-2.5-2.530-1-1.6-1.6-3-3-3-30400-1-1.6-1.6-3-3-3-3 第四章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1系統(tǒng)硬件方案 系統(tǒng)硬件組成框圖如圖4-1所示，主要有溫濕度采集、數(shù)碼管顯示、鍵盤(pán)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、排濕風(fēng)扇調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制、循環(huán)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、參數(shù)存儲(chǔ)、聲光報(bào)警、電源等幾個(gè)部分組成。 圖4-1 系統(tǒng)硬件組成框圖4.2單片機(jī)芯片的選用本系統(tǒng)采用atmel公司的atmega16單片機(jī)，它有如下特點(diǎn)：16k字

43、節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程flash(具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力，即rww)，512字節(jié)eeprom，1k字節(jié)sram，32個(gè)通用i/o口線，32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的jtag 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(t/c)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行usart，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益 (tqfp封裝)的adc ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器，一個(gè)spi串行端口，以及六個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。工作于空閑模式時(shí)cpu停止工作，而usart、兩線接口、a/d 轉(zhuǎn)換器、 sram、t/c、spi 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工

44、作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；adc噪聲抑制模式時(shí)終止cpu和除了異步定時(shí)器與adc以外所有i/o模塊的工作，以降低adc轉(zhuǎn)換時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲；standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展standby模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。圖4-2 引腳配置4.3電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)電源是系統(tǒng)的重要組成部分，電源模塊提供開(kāi)發(fā)板的工作電源，同時(shí)通過(guò)擴(kuò)展口為擴(kuò)展系統(tǒng)提供電源。atmega16

45、的工作電壓為4.55.5v，這里采用av220直接輸入經(jīng)ac220vac9v15w變壓器調(diào)壓至ac9v，再經(jīng)二極管全波整流橋、濾波、穩(wěn)壓(7805)得到dc5v電壓，其電路如圖4-3所示。同時(shí)在系統(tǒng)板上單片機(jī)、晶振、關(guān)鍵芯片位置處布置104的電容隔離5v和地，起到去耦作用，有效去除振蕩信號(hào)的干擾。圖4-3 電源轉(zhuǎn)換電路圖4.4鍵盤(pán)控制電路設(shè)計(jì)為了達(dá)到實(shí)時(shí)響應(yīng)，使用戶隨時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，鍵盤(pán)采用中斷擴(kuò)展方式，這樣既節(jié)省中斷資源，又實(shí)現(xiàn)了多外部中斷響應(yīng)的效果。同時(shí)，這種方式也可節(jié)省不少cpu時(shí)間，在沒(méi)有按鍵觸發(fā)的時(shí)候，cpu只處理與按鍵無(wú)關(guān)的事件，當(dāng)有按鍵按下，cpu就會(huì)及時(shí)響應(yīng)外部中斷，進(jìn)入中斷服

46、務(wù)程序?qū)Π存I事件進(jìn)行處理，處理完畢立即返回主函數(shù)，相對(duì)于查詢(xún)方式的按鍵設(shè)計(jì)具有更高的實(shí)時(shí)性和可靠性。其電路原理圖如圖4-4所示。其中，74hc260是或非門(mén)，沒(méi)有鍵按下的時(shí)候，74hc260的in輸入端為低電平，經(jīng)或非以后輸出端為高電平，cpu不響應(yīng)中斷；一旦有鍵按下74hc260輸入端為高電平，經(jīng)或非輸出端為低電平，這時(shí)cpu響應(yīng)外部中斷，按鍵事件發(fā)生按照系統(tǒng)的方案要求，設(shè)置了基于外部中斷0的五個(gè)按鍵，s1s5分別代表設(shè)置鍵、增加鍵、減少鍵、查詢(xún)鍵、設(shè)定鍵。圖4-4 鍵盤(pán)電路原理圖4.5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)

47、，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)。圖4-5 顯示電路的連接4.6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4-6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)

48、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。圖4-6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)4.6.1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)

49、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)： 1、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。 2、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?。 3、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。 4、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。 5、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。 6、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

50、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)閍-b-c-d；2）雙四拍：其各相通電順序?yàn)閍b-bc-cd-da；3）四相八拍：其各相通電順序?yàn)閍-ab-b-bc-c-cd-d-da，或者ab-abc-bc-bcd-cd-cda-oa-dab。它的時(shí)序控制如圖4-7所示。圖4-7 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)

51、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)。現(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)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)