單片機(jī)模糊溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作

1、-PAGE . z單片機(jī)模糊溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作教 學(xué) 院：電氣與電子信息工程學(xué)院 學(xué)生：盛怡瓊專業(yè)班級(jí)：電子信息工程專業(yè)2班 指導(dǎo)教師：松 講師摘 要：本課題針對(duì)以單片機(jī)為控制器，由電阻絲加熱系統(tǒng)組成的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)展模糊溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作。本課題的溫度控制對(duì)象具有非線性、大滯后、大慣性、升溫單向性等特點(diǎn)的加熱爐進(jìn)展模糊控制的應(yīng)用研究，設(shè)計(jì)出一個(gè)基于AT89S51單片機(jī)的模糊溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)收集溫度信號(hào)并實(shí)時(shí)控制電加熱爐溫度，溫度信號(hào)由溫度傳感器LM35采集，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置ADC0804把轉(zhuǎn)化的數(shù)字溫度信號(hào)傳送到單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)模糊運(yùn)算處理后，通過5個(gè)七段L

2、ED數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度和設(shè)定溫度，并發(fā)出控制信號(hào)，控制固態(tài)繼電器的開關(guān)時(shí)間，來控制電爐溫度。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；AT89S51；溫度傳感器溫度采集；模糊控制 Single-chip fuzzy temperature control system design and productionAbstract ：The temperature automatic control system based on Single-Chip Microputer is described in the article including system scheme,theoretical analysis,h

3、ardware and software system testing,the main technical performance parameters.The system use microputer AT89S51 to collect and control temperature in real time,so the hardware is simple and easy to make.Temperature is supplied by a converter ADC0804,the output circuit uses five seven-segment LED to

4、show the real temperature.It fits the demand by that testing,and the system has better accuracy of measure and control.Keywords：Single-ChipMicroputer; AT89S51; Temperature sensor;Temperature collection; Fuzzy control 引言本文的研究，就是以電加熱爐作為控制對(duì)象，通過對(duì)模糊控制技術(shù)的性能分析，研究適合于單片機(jī)技術(shù)的、簡(jiǎn)單易行的優(yōu)化方法建立優(yōu)化型模糊控制系統(tǒng)，到達(dá)準(zhǔn)確、有效控制的目的。

5、另外，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)，制作一個(gè)實(shí)用的單片機(jī)模糊控制器。而生產(chǎn)過程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、改善勞動(dòng)條件、保證生產(chǎn)平安和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要手段。采用溫度控制系統(tǒng)來控制溫度對(duì)企業(yè)具有重要的意義。1 模糊控制的組成和根本原理組成：模糊邏輯控制系統(tǒng)的根本構(gòu)造如圖1所示。從圖中可以看出，模糊控制系統(tǒng)的主要部件是模糊化過程、知識(shí)庫(kù)(含數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù))、推理機(jī)制和準(zhǔn)確化計(jì)算。 圖1模糊控制的組成模糊控制系統(tǒng)的根本原理：由圖2可看出，模糊控制系統(tǒng)由A/D，D/A、模糊控制器、被控對(duì)象、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，它的核心局部為模糊控制器。模糊控制器的工作原理為：首先，微機(jī)經(jīng)中斷采樣獲取被控制量的準(zhǔn)確值，然

6、后讓系統(tǒng)給定與反應(yīng)相比擬得到偏差e輸入模糊控制器。在模糊控制器中，將準(zhǔn)確量e以一定方法模糊化，得到偏差e的模糊量e實(shí)際上是一個(gè)模糊向量。再由e與模糊控制規(guī)則R根據(jù)模糊推理規(guī)則進(jìn)展模糊決策，得到模糊控制量u，所以為了對(duì)被控對(duì)象施加準(zhǔn)確的控制，還需要將其清晰化轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確量u，然后經(jīng)D/A得模擬量送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)展第一步控制。然后，中斷等待第二次采樣，進(jìn)展第二步控制二，這樣循環(huán)下去，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)被控對(duì)象的模糊控制。圖2模糊控制原理框圖2 模糊溫度控制系統(tǒng)硬件局部設(shè)計(jì)AT89S51型單片機(jī)模糊控制器的硬件系統(tǒng)組成：根據(jù)單片機(jī)模糊控制系統(tǒng)的功能要求，本控制器由89S51型單片機(jī)、前向通道、后向通

7、道、人機(jī)交互和與平安模塊組成。AT89S51型單片機(jī)模糊控制器前向通道的設(shè)計(jì)1人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)：電路圖如圖3所示，當(dāng)S按鍵斷開時(shí)，VCC直接通過5k的上拉電阻與單片機(jī)的P口相接，由于單片機(jī)部的自帶電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5k，所以VCC直接供應(yīng)單片機(jī)5V的電壓；當(dāng)S按鍵接通時(shí)，電路轉(zhuǎn)化為VCC直接通過5k的電阻與GND相連，電壓全部加在電阻上面，所以此時(shí)單片機(jī)的P接口無電壓信號(hào)，此時(shí)上拉電阻還可以起到防止電源短路的危險(xiǎn)。因此按鍵按下時(shí)，為低電平；按鍵拔開時(shí)，為高電平，所以為低電平有效。圖3單片機(jī)P0接口電路2ADC的選擇及其與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)：A/D轉(zhuǎn)換器就是實(shí)現(xiàn)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)功能的器件。圖

8、4中ADC0804是8位S依次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，它具有三態(tài)鎖定輸出，存取時(shí)間為135us，8位分辨率，正負(fù)1LSB的總誤差。以及070度的工作溫度。ADC0804把檢測(cè)到的連續(xù)變化的溫度模擬員轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，輸入到單片機(jī)進(jìn)展處理。圖4 ADC0804與AT89S51接口設(shè)計(jì)(3)電源電路設(shè)計(jì)：圖5是單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電源電路設(shè)計(jì)原理圖，首先變壓器將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰?12V和+5V的電壓，然后通過整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨著電網(wǎng)電壓波動(dòng)一般有10%左右的波動(dòng)，負(fù)載以

9、及溫度的變化而變化，因而在整流，濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)已經(jīng)負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。圖5 電源電路圖4晶振電路設(shè)計(jì)：如圖6設(shè)計(jì)所采用的時(shí)鐘電路采用了精度較高的12MHz的晶振。晶振在本設(shè)計(jì)中的作用是在電路產(chǎn)生震蕩電流，發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)。其中*TAL1接反向振蕩放大器的輸入及部時(shí)鐘工作電路的輸入；*TAL2接來自反向振蕩器的輸出。*TAL1和*TAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。圖6 晶振電路5溫度采集電路設(shè)計(jì)：溫度采集電路如圖7，傳感器電路采用核心部件是LM35AH，信號(hào)調(diào)理電路主要完成對(duì)傳感器信號(hào)放大和限幅的功能，將傳感器電路輸出的變化圍為2

10、V左右的直流電壓，調(diào)理成放大5倍為10V直流電壓。運(yùn)算放大器采用LM358，LM358部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。圖7 溫度采集電路89S51型單片機(jī)模糊控制器后向通道的設(shè)計(jì)1單片機(jī)對(duì)加熱爐溫度的控制電爐控制工作原理如圖8所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)輸出上下電平信號(hào)，通過7407同向放大器放大，控制繼電器通斷時(shí)間，從而控制電爐加熱時(shí)間。由于單片機(jī)輸出的信號(hào)都很弱，所以普遍采用7407同向放大器來放大信號(hào)，同時(shí)通過繼電器的電壓放大作用，使加在加熱爐兩端的電壓到達(dá)其工作電壓。圖8 電爐控制圖2單片機(jī)輸出接口電路AT89S51單片機(jī)

11、的P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)展校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P0口各個(gè)相接電路分別為時(shí)鐘電路圖，數(shù)據(jù)輸出電路圖，報(bào)警電路圖，分別如圖9，10，11所示。圖9 時(shí)鐘電路圖 圖10 數(shù)據(jù)輸出電路圖圖11 報(bào)警電路圖3數(shù)碼管顯示電路本次設(shè)計(jì)的數(shù)碼顯示電路見圖12，所用的七段LED顯示器是共陽極的形式，所以要*一段LED發(fā)亮，相對(duì)應(yīng)的就必須是0，要*一段LED熄滅，相相對(duì)應(yīng)的輸出就必

12、須是1。圖12 數(shù)碼管顯示電路4模糊溫度控制系統(tǒng)軟件局部設(shè)計(jì)89S51型單片機(jī)模糊控制器要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、模糊推理及串行通信等功能除了必需的硬件系統(tǒng)外，還必須有相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。89S51單片機(jī)模糊控制器主程序構(gòu)造圖見圖13。89S51型單片機(jī)模糊控制器的算法程序：為了滿足89S51型單片機(jī)模糊控制器的實(shí)時(shí)性要求，本文采用合成推理查表法的模糊控制算法。89S51型單片機(jī)模糊制器的算法程序框圖見圖14，模糊控制表的合成推理查表法實(shí)現(xiàn)方是：根據(jù)實(shí)時(shí)采樣得到的輸出信息Y(k)，可以得到當(dāng)前的偏差信號(hào)e(k)和偏差變化信號(hào)ec(k)，先經(jīng)限幅處理，再經(jīng)量化處理就得到E和EC，根據(jù)當(dāng)前已經(jīng)求得的E

13、和EC，查模糊控制表就得到控制量的變化u。圖13 模糊控制器的設(shè)計(jì)流程 圖14 89S51型單片機(jī)模糊制器的算法程序5總 結(jié)本文系統(tǒng)介紹了用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的加熱爐溫度控制系統(tǒng)，由于控制對(duì)象是一種具有純滯后的大慣性環(huán)節(jié)，采用模糊控制器可以到達(dá)理想的控制效果。基于AT89S51單片機(jī)開發(fā)的模糊溫度控制系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)、測(cè)試，工作穩(wěn)定可靠，具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該系統(tǒng)本錢低廉，器件均為常規(guī)元件，有很高的工程價(jià)值。如稍加改動(dòng)，本系統(tǒng)可以很方便的擴(kuò)展成為集溫度測(cè)量、控制為一體的產(chǎn)品，同時(shí)傳感器LM35的小圍非線性可以利用軟件算法進(jìn)展修正。經(jīng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果說明，本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)

14、：1控制方案合理、穩(wěn)態(tài)精度高、超調(diào)?。?構(gòu)造簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、抗干擾性強(qiáng)、魯棒性好，控制精度在1，可實(shí)現(xiàn)快速無超調(diào)的跟蹤給定輸入，對(duì)參數(shù)變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。6參考文獻(xiàn)1培仁MCS-51單片機(jī)原理與應(yīng)用：清華大學(xué)，2003年，1621932于海生微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)：清華大學(xué)，1999年，18403何立民單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)：航空航天大學(xué)，1990年，18234紅寶石公司常用大規(guī)模IC芯片資料價(jià)格集5科海培訓(xùn)中心PROTEL印制板電路軟件使用手冊(cè)6廉小親模糊控制技術(shù)中國(guó)電力，2003年，32477依軍，胡戎單片微機(jī)接口技術(shù)：人民郵電，1987年，2942968金以慧過程控制：清華大學(xué)，2003年，2052099Malvino A.PDigital puter ElectronicsMcGraw-Hill Publishing Co，197