基于AVR的空調(diào)溫控系統(tǒng)設(shè)計

1、武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）目 錄摘 要1Abstract21 緒論31.1 論文研究內(nèi)容31.2 空調(diào)溫控系統(tǒng)研究意義32 空調(diào)溫控系統(tǒng)設(shè)計整體思路52.1 硬件設(shè)計整體思路52.2 功能設(shè)想63 空調(diào)溫控系統(tǒng)核心硬件簡介73.1 AVR單片機綜述73.2 空調(diào)溫控系統(tǒng)單片機選型83.3 DS18B20介紹124 空調(diào)溫控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計154.1 溫度信號采集電路設(shè)計154.2 鍵盤設(shè)計164.3 LED顯示設(shè)計184.4 電源設(shè)計195 空調(diào)溫控系統(tǒng)智能控制策略探索205.1 空調(diào)溫控系統(tǒng)PID控制205.2 空調(diào)溫控系統(tǒng)模糊控制235.3 復(fù)合FUZZY-PID控制原理276 空調(diào)溫控

2、系統(tǒng)軟件設(shè)計286.1 主程序模塊286.2 溫度信號采集子程序模塊296.3 按鍵掃描處理子程序模塊296.4 數(shù)碼管顯示模塊306.5 復(fù)合Fuzzy-PID控制系統(tǒng)算法子程序模塊306.6模糊控制、數(shù)字PID控制子程序模塊317 結(jié)束語32參考文獻(xiàn)33附錄：程序34致 謝4242摘 要本文“基于AVR的空調(diào)溫控系統(tǒng)設(shè)計”，系統(tǒng)采用AVR單片機ATmega16作為系統(tǒng)的中央處理器；采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為系統(tǒng)的溫度采集傳感器；七段數(shù)碼管顯示相應(yīng)功能，按鍵完成功能設(shè)置。本論文探索了PID控制、模糊控制用于溫控系統(tǒng)中，并探索了復(fù)合FUZZY-PID控

3、制原理，以提高空調(diào)溫控精度、提高人體的舒適感，同時降低噪聲，節(jié)約能源。本論文研究的內(nèi)容具有較強的現(xiàn)實意義。論文主要研究了基于AVR的空調(diào)溫控系統(tǒng)，實現(xiàn)基本溫度控制功能后，引入了智能控制的概念。本文的特色在于：溫度的智能控制，PID控制和模糊控制的探索。 關(guān)鍵詞：AVR單片機；DS18B20；空調(diào)溫度控制；PID調(diào)節(jié)；模糊控制Abstract"A design of AVR-based air-conditioning temperature control system " is introduced in this paper. AVR single-chip micro

4、computer ATmega16 is used as the systems CPU. American DALLAS company's single-bus digital temperature sensor DS18B20 is used as a system of temperature acquisition sensors; Seven-Segment LED display function, button to complete function set. This paper explores the PID control, fuzzy control fo

5、r temperature control system. And explore the complex FUZZY - PID control principle. To improve the accuracy of air-conditioning temperature control, improve the body's comfort. At the same time, noise reduction, energy conservation. The contents of this paper'research have strong practical

6、significance.This paper mainly researched air-conditioning temperature-controlled system based on the AVR.After the basic temperature control feature, introduced the concept of intelligent control.In this paper, the characteristics are: temperature of the intelligent control, the exploration of PID

7、control and fuzzy control .Key Words：AVR Single Chip；DS18B20；Air-conditioning temperature control；PID regulator；Fuzzy Control1 緒論隨著科技的不斷發(fā)展，社會在不斷進(jìn)步，人民生活水平在不斷提高，空調(diào)器已經(jīng)逐漸成為家庭生活的必需品?？照{(diào)最基本的功能為每個人所熟知，就是調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，炎熱的夏天讓人們感到一絲涼意，寒冷的冬天送給人們溫暖。1.1 論文研究內(nèi)容本文“基于AVR的空調(diào)溫控系統(tǒng)設(shè)計”，采用AVR單片機ATmega16作為系統(tǒng)的中央處理器；采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的

8、單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為系統(tǒng)的溫度采集傳感器；空調(diào)具有定時功能；七段數(shù)碼管顯示房間溫度和設(shè)定溫度，并指示制熱/制冷及其它功能。本論文探索PID控制、模糊控制用于溫控系統(tǒng)中，并探索復(fù)合FUZZY-PID控制原理。本文將闡述AVR單片機的性能與優(yōu)點，并與以前課堂上學(xué)過的51單片機作出相應(yīng)的對比。在畢業(yè)設(shè)計過程中，弄明白ATmega16單片機的I/O端口的特點和使用方法，中斷系統(tǒng)的特點及使用方法，重點學(xué)習(xí)AVR單片機的C語言編程。1.2 空調(diào)溫控系統(tǒng)研究意義單片機無論在工業(yè)控制還是在日常生活家電中都發(fā)揮著舉足輕重的作用，當(dāng)一種家用電器用上一個單片機后往往會被冠上“智能”的美譽。作為測控

9、技術(shù)與儀器專業(yè)的本科生，在畢業(yè)設(shè)計中以單片機為核心，研究某一產(chǎn)品，具有非常重要的現(xiàn)實意義。在本次畢業(yè)設(shè)計中除了完成基本的溫控控制功能后，更需要我去探索如何朝著智能化的角度思考問題，讓單片機的作用發(fā)揮得更加淋漓盡致。第一代空調(diào)溫控器主要是電氣式產(chǎn)品，溫度傳感器采用雙金屬片或氣動溫包，通過“給定溫度盤”調(diào)整預(yù)緊力來設(shè)定溫度，風(fēng)機三速開關(guān)和季節(jié)轉(zhuǎn)換開關(guān)為潑檔式機械開關(guān)。這類產(chǎn)品普遍存在“溫度設(shè)定分度值過粗”、“時間常數(shù)太大”、“機械開關(guān)易損壞”等問題。第二代空調(diào)溫控器為電子式產(chǎn)品，溫度傳感器采用熱敏電阻或熱電阻，部分產(chǎn)品的溫度設(shè)定和風(fēng)速開關(guān)通過觸摸鍵和液晶顯示屏實現(xiàn)人機交互界面，冷熱切換自動完成，運

10、算放大電路和開關(guān)電路實現(xiàn)雙位調(diào)節(jié)。這類產(chǎn)品改善了人機交互界面，解決了“溫度設(shè)定分度值過粗”等問題，但仍存在“控制精度不高”、“時間常數(shù)大”、“操作較復(fù)雜”等問題。目前國內(nèi)外生產(chǎn)廠家正在研究開發(fā)第三代智能型室溫控制器，應(yīng)用新型控制模型和數(shù)控芯片實現(xiàn)智能控制?，F(xiàn)在已有國內(nèi)廠家生產(chǎn)出了智能型室溫控制器，并已應(yīng)用于實際工程。我們知道空調(diào)精度越高，人體感覺舒適性越好，過調(diào)能量損失越少。但由于傳統(tǒng)控制方法的控制精度越高，自控系統(tǒng)的造價就越高，出于經(jīng)濟性考慮，一般舒適性空調(diào)系統(tǒng)對空調(diào)精度不做嚴(yán)格要求。本論文在完成基本溫控功能的前提下，將探索PID調(diào)節(jié)、模糊控制用于溫控系統(tǒng)中，并將探索復(fù)合FUZZY-PID控

11、制原理，以提高空調(diào)溫控精度、提高人體的舒適感；同時節(jié)約能源，降低噪聲，延長空調(diào)壓縮機壽命。2 空調(diào)溫控系統(tǒng)設(shè)計整體思路根據(jù)任務(wù)書的要求和前期的資料查閱，以及對現(xiàn)成空調(diào)的觀察，在腦海中有了一個大概的輪廓。但是由于我本科所學(xué)知識的有限和個人能力的有限，所設(shè)計的溫控系統(tǒng)肯定沒有公司生產(chǎn)的產(chǎn)品那么完善。2.1 硬件設(shè)計整體思路以ATmega16單片機作為所設(shè)計的溫控系統(tǒng)的核心。負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集，查詢按鍵，輸出數(shù)據(jù)到LED數(shù)碼顯示管，控制風(fēng)機和壓縮機。控制部分采用的是5V的直流電，所以要將220V的交流電轉(zhuǎn)換成5V的穩(wěn)壓直流電。整體設(shè)計思路如圖2.1所示。 圖2.1 整體思路圖單片機采用AVR單片機中

12、性價比比較高的ATmega16，關(guān)于它的介紹將在下一章中進(jìn)行，本章不做詳細(xì)闡述。指示燈分為電源指示燈、工作指示燈，電源指示燈為紅色發(fā)光二極管，工作指示燈為綠色發(fā)光二極管。當(dāng)電源接通，紅色指示燈即亮，風(fēng)機或壓縮機兩者之一工作時，工作指示燈亮，否則滅。溫度采集部分將比較傳統(tǒng)模擬傳感器與單總線數(shù)字傳感器的優(yōu)缺點，總之這部分的功能是將房間的溫度信號傳到單片機，單片機將比較采集到的房間的溫度與用戶設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，然后發(fā)出相應(yīng)的指令。晶振則選用12MHz，為單片機提供時鐘頻率。鍵盤則是人機接口的基本部分，用戶向溫控系統(tǒng)輸入相應(yīng)的參數(shù)，包括溫度設(shè)定，冷暖模式選擇，風(fēng)機風(fēng)速，定時功能等。顯示部分則選用7段

13、LED數(shù)碼管，其中第一位是功能/模式位，第二三四位為溫度位，還可以顯示風(fēng)速等級等，這部分的具體設(shè)計將在后面的章節(jié)闡述。風(fēng)機和壓縮機的部分由于我的有力有限，不在我的任務(wù)范圍內(nèi)，但是會以我查閱的資料稍作闡述。2.2 功能設(shè)想我們知道空調(diào)精度越高，人體感覺舒適性越好，過調(diào)能量損失越少。但由于傳統(tǒng)控制方法的控制精度越高，自控系統(tǒng)的造價就越高，出于經(jīng)濟性考慮，一般舒適性空調(diào)系統(tǒng)對空調(diào)精度不做嚴(yán)格要求。這就造成一般舒適性空調(diào)系統(tǒng)缺乏有效的室溫自動控制手段，只能依靠運行管理或操作人員憑經(jīng)驗手動調(diào)節(jié)，主觀性強，過調(diào)冷/熱損失大，能源浪費重。所以在本次畢業(yè)設(shè)計中，在完成空調(diào)溫控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，探索一下智能控制。以

14、達(dá)到既節(jié)能又使人體舒適感更好。作為人機接口的鍵盤，設(shè)置四個按鍵，其中一個M鍵，代表功能鍵，也就是用于模式選擇；一個OK鍵，用于確認(rèn)；一個“+”鍵，一個“-”鍵，用于模式的上下選擇和溫度的具體設(shè)定。當(dāng)用鍵盤調(diào)到當(dāng)數(shù)碼管第一位顯示為“1”時，則后三位顯示當(dāng)前房間溫度，精確到0.5。當(dāng)調(diào)到第一位顯示為“2”時，此時可以通過“+”、“-”鍵設(shè)定用戶需要的溫度，設(shè)定完成按“OK”鍵，此時顯示的就是設(shè)定的溫度。當(dāng)調(diào)到第一位顯示為“3”時，中間兩位熄滅，最后一位顯示“1”時，代表制冷，最后一位顯示“2”時，代表制熱。也是可以通過“+”、“-”來設(shè)定，設(shè)定完成同樣按下“0K”鍵。當(dāng)調(diào)到第一位顯示“4”時，中間

15、兩位熄滅，最后一位顯示1、2、3、4，分別代表著風(fēng)速的大小，“1”代表最小風(fēng)速，“4”代表最大風(fēng)速，以此類推，此時風(fēng)速可由用戶設(shè)定。當(dāng)調(diào)到第一位顯示“5”時，中間兩位熄滅，最后一位顯示1、2、3、4，同樣代表著風(fēng)速的大小。但不同的是此時的風(fēng)俗大小不能由用戶自己設(shè)定，而是單片機根據(jù)設(shè)定溫度與房間實際溫度的差值，自動選擇風(fēng)速。當(dāng)調(diào)到第一位顯示“6”時，第二位可調(diào)，當(dāng)為“1”時，定時啟用，當(dāng)為“2”時定時功能關(guān)閉。最后兩位是定時的時間長短，從0.5小時到4小時，中間的間隔為每0.5小時。在實現(xiàn)這些基本功能后，探索PID控制與模糊控制應(yīng)用于此溫控系統(tǒng)中，自動實現(xiàn)壓縮機的變頻控制和風(fēng)機的風(fēng)速控制，達(dá)到既

16、節(jié)能又高精度控制的效果。3 空調(diào)溫控系統(tǒng)核心硬件簡介由本次畢業(yè)設(shè)計的題目“基于AVR的空調(diào)溫控系統(tǒng)設(shè)計”可以看出，AVR單片機在本次畢業(yè)設(shè)計中的地位不可撼動。在本次畢業(yè)設(shè)計開始前，對陌生的AVR單片機進(jìn)行了認(rèn)真的學(xué)習(xí)。單片機又稱單片微控制器，其實質(zhì)是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，現(xiàn)在通用的單片機按位數(shù)可以分為4位機、8位機、16位機、32位機等。目前我國常用的單片機有Intel、Atmel、Zilog、Philips、Siemens、NEC、凌陽、TI、ST等公司的產(chǎn)品。3.1 AVR單片機綜述可靠性高，功能強，速度快，功耗低和價位低，一直是衡量

17、單片機性能的重要指標(biāo)，也是單片機占領(lǐng)市場、賴以生存的必要條件。早期的單片機主要由于工藝及設(shè)計水平不高，功耗高和抗干擾能力差等原因，大多采用較高的分頻系數(shù)對時鐘分頻，使得指令周期長，執(zhí)行速度慢。以后的CMOS單片機雖然采用提高時鐘頻率和縮小分頻系數(shù)等措施，但是這種狀態(tài)并未被徹底改觀。AVR單片機的推出，徹底打破了這種舊設(shè)計格局，廢除了機器周期，拋棄了復(fù)雜指令集CPU(Reduced Instruction Set CPU,CISC)追求完備的做法；采用精簡指令集CPU（Reduced Instruction Set CPU,RISC），以字作為指令長度完備的做法，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在

18、一字之中（指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此），取指周期短，又可預(yù)取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，故可告訴執(zhí)行指令。當(dāng)然，這種速度上的升越，是以高可靠性為其后盾的。AVR單片機硬件結(jié)構(gòu)采取8位機與16位機的折中策略，即采用局部寄存器存堆（32個寄存器文件）和單體高速輸入/輸出的方案（即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應(yīng)控制邏輯）。提高了指令執(zhí)行速度（1MIPS/MHz）,克服了瓶頸現(xiàn)象（32個寄存器全部直接與運算邏輯單元ALU相連，且每個寄存器都可以作為累加器工作），增強了功能，同時又減少了對外設(shè)管理的開銷，相對簡化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。故AVR單片機在軟硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得

19、了優(yōu)化平衡，是高性價比的單片機。下面介紹AVR單片機的各個優(yōu)勢：ØAVR單片機內(nèi)嵌高質(zhì)量的Flash程序存儲器，擦寫方便，支持ISP和IAP，便于產(chǎn)品的調(diào)試、開發(fā)、生產(chǎn)及更新。內(nèi)嵌長壽命的EEPROM可長期保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)，避免斷電丟失。片內(nèi)大容量的RAM不僅能滿足一般場合的使用，同時也更有效的支持使用高級語言開發(fā)系統(tǒng)程序，并且部分機器可像MCS51單片機那樣外露總線擴展外部RAM。ØAVR單片機的I/O線全部帶有可設(shè)置的上拉電阻、可單獨設(shè)定為輸入/輸出、可設(shè)定（原始）高阻輸入、驅(qū)動能力強（可省去功率驅(qū)動器件）等特性，使得I/O口資源靈 活、功能強大、可充分利用。ØA

20、VR單片機內(nèi)具備多重獨立的時鐘分頻器，分別供UART、IIC、SPI使用。其中與8/16位定時器配合的具有多大10位的預(yù)分頻器，可通過軟件設(shè)定分頻系數(shù)提供多種檔次的定時時間。AVR單片機獨有的“以定時器/計數(shù)器（單）雙向計數(shù)形成三角波，在與輸出比較匹配寄存器配合，生成占空比可變、頻率可變、相位可變方波的設(shè)計方法（即脈寬調(diào)制輸出PMW）”更是令人耳目一新。Ø增強型的高速同步/異步串口，具有硬件產(chǎn)生校驗碼、硬件檢測和校驗、兩級接收緩沖、波特率自動調(diào)整定位（接收時）、屏蔽數(shù)據(jù)幀等功能，提高了通信的可靠性，方便程序編寫，更便于組成分布式網(wǎng)絡(luò)和實現(xiàn)多機通信系統(tǒng)的復(fù)雜應(yīng)用，串口功能打打超過MCS

21、51單片機的串口，加之AVR單片機速度快，中斷響應(yīng)時間短，可實現(xiàn)高波特率通信。Ø面向字節(jié)的高速硬件串行接口TWI、SPI。TWI與IIC接口兼容，具備應(yīng)答ACK信號硬件發(fā)送與識別、地址識別、總線仲裁等功能，能實現(xiàn)主/從機的收/發(fā)全部4種組合的多機通信。SPI支持主/從機等4種組合的多機通信。ØAVR單片機有自動上電復(fù)位電路、獨立的看門狗電路、低電壓檢測電路BOD，多個復(fù)位源（自動上下電復(fù)位、外部復(fù)位、看門狗復(fù)位、BOD復(fù)位），可設(shè)置的啟動后延時運行程序，增強了嵌入式系統(tǒng)的可靠性。ØAVR單片機還具有多種省電休眠模式，且可超寬電壓運行（1.85.5V，不同單片機略有

22、不同），抗干擾能力強，可降低一般8位機中的軟件抗干擾設(shè)計工作量和硬件的使用量?？梢钥闯?，AVR單片機博采眾長，又具獨特技術(shù)，充分體現(xiàn)了單片機技術(shù)向“片上系統(tǒng)SOC”方向發(fā)展需求，性價比極高，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)和消費類電力等各個領(lǐng)域，不愧為8位機中的佼佼者。AVR單片機分類：ATtiny 系列：如 tiny13、 tiny15、 tiny26，屬于低檔，適合功能相對單一的系統(tǒng)；AT90S 系列： AT90S8515、8535，屬于中檔，適合一般系統(tǒng)開發(fā)；ATmega 系列：Mega8、 Mega16，屬于高檔，適合各種具有較高要求的系統(tǒng)。3.2 空調(diào)溫控系統(tǒng)單片機選型由于之前本科的教學(xué)中用的是51

23、單片機，AVR單片機對我來說是陌生的，在查閱AVR單片機相關(guān)資料，尤其是AVR論壇后，決定選用ATmega16單片機，很有幸的是下載到了哈爾濱工程大學(xué)研究生尹延輝主講的AVR單片機軟硬件設(shè)計教程-入門篇學(xué)單片機就要學(xué)AVR！，視頻教材中選用的AVR單片機正是ATmega16。在這個視頻教材中，讓我對ATmega16從零開始學(xué)習(xí)，可以說學(xué)完這部視頻教程，已經(jīng)掌握了該單片機的基礎(chǔ)應(yīng)用。圖3.1 ATmega16單片機的內(nèi)核結(jié)構(gòu)及片上資源ATmega16單片機性能概況：Ø高性能、低功耗的 8 位AVR微處理器Ø先進(jìn)的RISC 結(jié)構(gòu) 131 條指令 大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期

24、 32個8 位通用工作寄存器 全靜態(tài)工作 工作于16 MHz 時性能高達(dá)16 MIPS 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器Ø非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash擦寫壽命: 10,000 次 具有獨立鎖定位的可選Boot 代碼區(qū)通過片上Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的同時讀寫操作 512 字節(jié)的EEPROM擦寫壽命: 100,000 次 1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM 可以對鎖定位進(jìn)行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密Ø JTAG 接口( 與IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容) 符合JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能 通過JTAG 接口實現(xiàn)對Flash、E

25、EPROM、熔絲位和鎖定位的編程Ø外設(shè)特點 兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數(shù)器 一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(shù)器 具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC 四通道PWM 8路10 位ADC8 個單端通道TQFP 封裝的7 個差分通道2 個具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 面向字節(jié)的兩線接口 兩個可編程的串行USART 可工作于主機/ 從機模式的SPI 串行接口 具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器 片內(nèi)模擬比較器Ø特殊的處理器特點 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測 片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC 振蕩器 片內(nèi)/ 片外中斷

26、源 6種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴展的Standby 模式Ø I/O 和封裝 32 個可編程的I/O 口 40引腳PDIP 封裝, 44 引腳TQFP 封裝, 與44 引腳MLF 封裝Ø工作電壓: ATmega16L：2.7 - 5.5V ATmega16：4.5 - 5.5VØ速度等級 0 - 8 MHz ATmega16L 0 - 16 MHz ATmega16ØATmega16L 在1 MHz, 3V, 25°C 時的功耗 正常模式: 1.1 mA 空閑模式: 0.35 mA

27、 掉電模式: < 1 AATmega16采用PDIP40引腳封裝、44引腳TQFP封裝和44引腳MLF封裝。本畢業(yè)設(shè)計中采用PDIP40引腳封裝。其引腳圖如圖2.2所示。圖3.2 ATmega16引腳圖引腳說明：VCC 數(shù)字電路的電源GND 地端口A(PA7.PA0) 端口A 做為A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口A 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口A 處于高阻狀態(tài)。端口B(PB7.PB0) 端口B 為8 位雙向

28、I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口B 處于高阻狀態(tài)。端口C(PC7.PC0) 端口C 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口C 處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。端口

29、D(PD7.PD0) 端口D 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口D 處于高阻狀態(tài)。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能。RESET 復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。XTAL1 反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。XTAL2 反向振蕩放大器的輸出端。AVCC AVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。使用

30、ADC時應(yīng)通過一個低通濾波器與VCC 連接。AREF A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。其四個I/O口為雙向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻，其緩沖輸出具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起震，I/O口保持為高阻態(tài)。采取了各個功能引腳復(fù)用的方式應(yīng)用I/O。3.3 DS18B20介紹DS18B20是美國Dallas公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器,可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供微機處理。 DS18B20的主要特性：Ø適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)

31、線供電。Ø獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。Ø支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。Ø在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。Ø溫范圍55125，在-10+85時精度為±0.5。Ø可編程的分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實現(xiàn)高精度測溫。Ø在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在75

32、0ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。Ø測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。Ø負(fù)壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。 圖3.1配置寄存器 圖3.2 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20的4個主要的數(shù)據(jù)部件：Ø光刻ROM中的64位序列號。是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位

33、（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。Ø溫度傳感器?？赏瓿蓪囟鹊臏y量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴展的二進(jìn)制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達(dá)，其中S為符號位。這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，

34、這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。 Ø存儲器。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPROM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第0和第1個字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表1所示。對應(yīng)的溫度計算：當(dāng)符號位S=0時，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時，先將補碼變?yōu)樵a，再計算十進(jìn)制值。第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。Ø配置寄存

35、器 。 低五位一直都是“1”，TM是測試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動。R1和R0用來設(shè)置分辨率，如右表所示：（DS18B20出廠時被設(shè)置為12位）。圖3.2 實際溫度與轉(zhuǎn)換數(shù)值對照圖4 空調(diào)溫控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計本次畢業(yè)設(shè)計“基于AVR的空調(diào)溫控系統(tǒng)設(shè)計”的整體思路在第二章已經(jīng)做了闡述。各個芯片及其功能和用法在第三章做了介紹。本章將完成各個模塊的硬件設(shè)計，最后作出整體的硬件系統(tǒng)設(shè)計，用Protel 99SE畫出硬件電路圖。整體硬件電路圖見附圖。4.1 溫度信號采集電路設(shè)計本論文采用DS18B20作為溫度采集傳感器。單

36、線數(shù)字溫度傳感器,可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供單片機處理。 傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器如LM35或者AD590，其出來的是模擬量，而且信號比較微弱，首先要進(jìn)行放大濾波，然后電平移動，再輸入到A/D轉(zhuǎn)換芯片，如ADC0809，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將得到的數(shù)字量送入單片機。圖4.1 傳統(tǒng)溫度信號采集電路在傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器，傳感器輸出的為模擬信號（電流或者電壓，圖中AD590為電流型的溫度傳感器），而且信號微弱，不標(biāo)準(zhǔn)。首先需要放大及電平移動，如圖4.1所示，由于存在50Hz工頻的干擾，還需要設(shè)計低通濾波器。然后送出的標(biāo)準(zhǔn)信號才能輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（如ADC0809）。使用這種方法不僅硬件成本高，而且

37、浪費單片機的IO口，相應(yīng)的軟件成本也提高，且溫度的精度也較難達(dá)到預(yù)定值。而DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器,可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供單片機處理。從DS18B20讀出或?qū)懭氲男畔H需要一根口線。在單總線工作方式下,允許一條信號線上掛接多個DS18B20,特別適合于構(gòu)成遠(yuǎn)距離多點溫度測控系統(tǒng),從而大大簡化了系統(tǒng)布線,提高了可靠性,降低了成本。與上述模擬的相比，顯得體積更小、更靈活、更經(jīng)濟。也使設(shè)計系統(tǒng)更加靈活、方便。用圖4.1與圖4.2對比，就可以很直接的觀察到使用DS18B20的方便了。 圖4.2 DS18B20管腳圖在本次設(shè)計中，采用類似三極管的封裝方式的芯片，其GND接地，VDD

38、接+5V電源，DQ接到ATmega16的PA6口。4.2 鍵盤設(shè)計鍵盤是微型計算機最常見輸入設(shè)備，也是幾乎所有微控制器必不可少的設(shè)計單元，用戶可以通過鍵盤向計算機輸入指令、地址和數(shù)據(jù)。一般單片機系統(tǒng)中采用非編碼鍵盤，非編碼鍵盤是由軟件來識別鍵盤上的閉合鍵，它具有機構(gòu)簡單，使用靈活等特點，因此被廣泛應(yīng)用于嵌入式計算機系統(tǒng)中。在本次畢業(yè)設(shè)計中，由于按鍵的數(shù)目較少（只設(shè)計了4個按鍵），可將各個按鍵直接連接在單片機上。由于每個按鍵單獨占有一個端口稱為獨立式鍵盤。在按鍵沒按下時，端口為高電平；當(dāng)某個按鍵按下時，對應(yīng)端口就變成低電平。只要讀取各個端口的信息就可以獲得各個按鍵的狀態(tài)，其接口程序非常簡單。其硬

39、件設(shè)計電路圖如圖4.3所示。圖4.3 按鍵設(shè)計圖設(shè)置四個按鍵，其中一個M鍵，代表功能鍵，也就是用于模式選擇；一個OK鍵，用于確認(rèn)；一個“+”鍵，一個“-”鍵，用于模式的上下選擇和溫度的具體設(shè)定。當(dāng)用鍵盤調(diào)到數(shù)碼管第一位顯示“1”時，后三位顯示當(dāng)前房間溫度，精確到0.5。當(dāng)調(diào)到第一位顯示為“2”時，此時可以通過“+”、“-”鍵設(shè)定用戶需要的溫度，設(shè)定完成按“OK”鍵，此時顯示的就是設(shè)定的溫度。當(dāng)調(diào)到第一位顯示為“3”時，中間兩位熄滅，最后一位顯示“1”時，代表制冷，最后一位顯示“2”時，代表制熱。也是可以通過“+”、“-”來設(shè)定，設(shè)定完成同樣按下“0K”鍵。當(dāng)調(diào)到第一位顯示“4”時，中間兩位熄滅

40、，最后一位顯示1、2、3、4，代表著風(fēng)速的大小，“1”代表最小風(fēng)速，“4”代表最大風(fēng)速，以此類推，此時風(fēng)速可由用戶設(shè)定。當(dāng)調(diào)到第一位顯示“5”時，中間兩位熄滅，最后一位顯示1、2、3、4，同樣代表著風(fēng)速的大小。但不同的是此時的風(fēng)速大小不能由用戶自己設(shè)定，而是單片機根據(jù)設(shè)定溫度與房間實際溫度的差值，自動選擇風(fēng)速。當(dāng)調(diào)到第一位顯示“6”時，第二位可調(diào)，當(dāng)為“1”時，定時啟用，當(dāng)為“2”時定時功能關(guān)閉。最后兩位是定時時間長短，從0.5小時到4小時，中間的間隔為每0.5小時。4.3 LED顯示設(shè)計發(fā)光二極管LED顯示器是單片機應(yīng)用產(chǎn)品中最常見的廉價輸出設(shè)備?？刂撇煌M合二極管的導(dǎo)通顯示不同的的字符。關(guān)

41、于LED七段數(shù)碼管的具體介紹詳見第三章，這里不再贅述。在本畢業(yè)設(shè)計中，用到4個七段數(shù)碼管，每個都有一個小數(shù)點。LED顯示有動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種顯示方式，其中靜態(tài)顯示方式的編程較容易，但占用口線資源較多。在本論文的設(shè)計中，四位七段LED顯示器采用動態(tài)顯示方式。由于各位的段選線并聯(lián)，段選碼的輸出對各位來說都是相同的，在同一時刻，如果各位的位選線都處于選通狀態(tài)的話，四位LED將顯示同樣的字符；如果采用掃描顯示方式，在某一時刻，只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)，其他各位處于關(guān)閉狀態(tài)，同時在段選線上輸出該位要顯示的字符的字型碼，這樣在此時四位LDE中只有選通的那一位顯示出字符，而其他三位是熄滅的。同樣在

42、下一時刻只讓下一位處于選通狀態(tài)，其他的處于關(guān)閉狀態(tài)，同時段選線輸出該位要顯示字符的字型碼，在這一時刻只有選通的位有輸出。如此循環(huán)下去，就可以使各位顯示出要顯示的字符，雖然這些字符不是同時出現(xiàn)，但由于人的視覺留現(xiàn)象，只要各位的顯示間隔足夠短，則會造成同時顯示的假象。其硬件電路設(shè)計如圖4.4所示。圖4.4 單片機與4位數(shù)碼管連接圖在圖4.6中，四個數(shù)碼管的段選線a、b、c、d、e、f、g分別并接起來，然后依次與單片機的PB0、PB1、PB2、PB3、PB4、PB5、PB6、PB7口相連。四個數(shù)碼管的位選線M1、M2、M3、M4依次與PA4、PA5、PA6、PA7口相連接。通過軟件編程，可以實現(xiàn)掃描

43、顯示方式，在某一時刻，只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)，此時該位顯示，其它位都不顯示，出于熄滅狀態(tài)。但是由于人的視覺暫留現(xiàn)象，加上掃描的時間很快，所以我們看到的是四個數(shù)碼管都同時處于顯示狀態(tài)。其具體的顯示內(nèi)容與其代表的功能由第一章整體設(shè)計思路中作了詳細(xì)的闡述，這里不再贅述。4.4 電源設(shè)計市電供電電壓為220V的交流電，而單片機等相關(guān)芯片的供電電壓為+5V的直流電，某些芯片對電壓的穩(wěn)定性要求比較高。所以需要設(shè)計一個220V交流輸入，恒壓+5V直流電輸出的供電系統(tǒng)。傳統(tǒng)的電源設(shè)計為經(jīng)一個變壓器降壓，然后濾波整流。整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔?，因此?/p>

44、極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的波紋，一般由電抗元件組成。其過程原理圖如圖4.5所示。圖4.5 直流穩(wěn)壓電路原理圖由上圖可知，經(jīng)過濾波之后之后的電壓還是會有波動，即還不是恒壓。而后續(xù)電路元器件的供電電壓要求是穩(wěn)定的電壓，所以還需要穩(wěn)壓這一環(huán)節(jié)。經(jīng)過穩(wěn)壓后的電壓才是恒定的。穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩種：一種是特性指標(biāo)，包括允許的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出調(diào)節(jié)范圍等；另一種是質(zhì)量指標(biāo)，用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)定系數(shù)、輸出電阻、溫度系數(shù)及紋波電壓等。采用7805、7905兩個穩(wěn)壓芯片，穩(wěn)壓輸出+5V和-5V電壓。綜合以上分析，所設(shè)計的穩(wěn)壓電路圖如圖4

45、.6所示。圖4.6 穩(wěn)壓電源電路5 空調(diào)溫控系統(tǒng)智能控制策略探索我們知道空調(diào)精度越高，人體感覺舒適性越好，過調(diào)能量損失越少。在本章就如何提高空調(diào)溫控系統(tǒng)的精度，以降低能耗，提高人的舒適感進(jìn)行探索。PID控制是最早發(fā)展起來的應(yīng)用經(jīng)典控制理論的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制。然而PID控制往往需要在了解受控系統(tǒng)的函數(shù)特性才能得到有效的控制，對于那些很復(fù)雜，非線性的系統(tǒng)它需要花太多時間進(jìn)行擬合。而近年來日益流行的模糊控制，其作為其中一種最廣泛應(yīng)用的智能控制技術(shù)，具有魯棒性好，不需要知道控制目標(biāo)和對象的精確數(shù)學(xué)模型，適于具有大滯后和非線性時變系統(tǒng)等優(yōu)點，但容

46、易因控制規(guī)則的粗糙而引起穩(wěn)態(tài)誤差。所以，對于空調(diào)采用單純的模糊控制方法也很難達(dá)到滿意的結(jié)果。本文提出將復(fù)合Fuzzy-PID控制這一新型的智能控制方法，應(yīng)用到空調(diào)系統(tǒng)的溫度自動控制中。把模糊控制與PID控制兩者結(jié)合起來后，能揚長避短，既具有模糊控制的靈活、響應(yīng)快和適應(yīng)性強的優(yōu)點，又具有PID控制精度高，克服穩(wěn)態(tài)誤差能力強的特點。其主要思想是：設(shè)計一種模糊控制器，當(dāng)系統(tǒng)處于過渡過程時采用模糊控制；進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程后，如有穩(wěn)態(tài)誤差則切換到PID控制。這樣，當(dāng)滯后和參數(shù)變化比較大及有干擾時，復(fù)合Fuzzy-PID控制方法仍能取得較好的控制效果。5.1 空調(diào)溫控系統(tǒng)PID控制在使用計算機來實現(xiàn)自動控制的系

47、統(tǒng)中，PID控制算法也是應(yīng)用十分廣泛的一種控制規(guī)律。這不僅是由于PID控制是連續(xù)系統(tǒng)理論中技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的一種方法，而且也是因為PID控制的參數(shù)整定方便、結(jié)構(gòu)改變靈活、操作人員容易掌握，對于大多數(shù)控制對象都能獲得滿意的控制效果。在系統(tǒng)設(shè)計時由于各種原因很難得到精確的數(shù)學(xué)模型，理論設(shè)計的控制器參數(shù)往往不得不依靠現(xiàn)場調(diào)試。PID控制正具備了這種靈活性和適應(yīng)性。PID控制器，即由比例、積分及微分三種控制規(guī)律組合成的控制器，如圖3-1所示。其作用是將給定值r(t)與被控參數(shù)的實際輸出值之差作為控制器的輸入，控制器按偏差比例加積分加微分形成控制量。比例控制環(huán)節(jié)的作用是使輸出u(t)與輸入偏差e(t)

48、成正比。因此，只要偏差e (t)一出現(xiàn)，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使被控參數(shù)朝著減少偏差的方向變化，具有控制及時的特點?？刂谱饔玫膹娙跞Q于比例系數(shù)Kp，的大小。但比例控制會產(chǎn)生靜態(tài)偏差(簡稱靜差)，靜差是指控制過程穩(wěn)定時，給定值與被控參數(shù)測量值之差。圖5.1 模擬PID控制系統(tǒng)原理圖為了消除比例控制的靜差，可在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分環(huán)節(jié)。只要偏差e (t)不為零，它將通過積分作用影響控制量u(t)，以求減小偏差，直至偏差為零，控制作用不再變化，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。積分控制作用的加入，雖然可以消除靜差，但它是以降低響應(yīng)速度為代價的。為了加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，不但對偏差量做出即時

49、反應(yīng)(即比例控制作用)，而且還要對偏差量的變化做出反應(yīng)，使偏差消滅在萌芽狀態(tài)。為了達(dá)到這一目的，在上述比例、積分控制的基礎(chǔ)上加入微分環(huán)節(jié)，得到式(5.1)描述的PID控制規(guī)律： （5.1）式中： e (t)調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量r與輸出量y (t)的偏差； u (t)調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)； KP比例系數(shù)； Tl積分時間常數(shù)； TD微分時間常數(shù)。PID控制器，在階躍信號的作用下，首先是比例和微分作用，使其控制作用加強。然后再進(jìn)行積分，直到最后消除靜差為止。因此，采用PID控制器，無論從靜態(tài)、還是從動態(tài)的角度來說，控制品質(zhì)都得到了很好的改善。因而PID控制器成為一種應(yīng)用最為廣泛的控制器。在工業(yè)控制中，

50、模擬PID控制器有電動、氣動、液壓等多種形式。它們都是由硬件來實現(xiàn)P功控制規(guī)律的。自從電子計算機進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用計算機軟件來實現(xiàn)PDI控制算法不僅成為可能，而且提供了更大的靈活性，從而得到廣泛的應(yīng)用。但是式(5.1)表示的調(diào)節(jié)器的輸入函數(shù)及輸出函數(shù)均為模擬量，所以計算機是無法對其進(jìn)行直接運算的。為此，必須進(jìn)行離散化處理。離散方法如下：取T為采樣周期，k為采樣序號(k=0，1，2，3i)，因采樣周期T相對于信號變化的周期是很小的，這樣可以用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，即：于是式(5.1)可寫成： （5.2）式中：u(k)采樣時刻K時的輸出值；e(k)采樣時刻K時的偏差值；e (

51、k-1)采樣時刻K-1時的偏差值。式(5.2)中的輸出量u (k)為全量輸出。它對應(yīng)于被控對象的執(zhí)行機構(gòu)每次采樣時刻應(yīng)達(dá)到的位置，因此，式(5.2)稱為PID位置控制離散化算式。應(yīng)當(dāng)指出的是，按式(5.2)計算u (k)時，輸出值與過去所有狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e(k)進(jìn)行累加，計算機運算工作量大、占用內(nèi)存多，而且，因為計算機輸出的u (k)是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，u (k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式控制的控制算法。所謂增量式是指數(shù)字控制器的輸出值只是控制量的增量u (k)

52、： （5.3）t=kT時的控制量為： （5.4）由式(5. 3)可以看出控制增量u (k)的計算非常簡單，只需要把t=(k-1) T和t= (k-2) T的歷史數(shù)據(jù)e (k-1)和e(k-2)保存起來即可。u (k)計算簡單，即使需要位置輸出也可用式(5. 4)計算u (k)。增量式控制雖然只作了一點改進(jìn)，卻帶來了不少優(yōu)點。因此，在實際控制時，增量式算法比位置式算法應(yīng)用更為廣泛。式(5. 3)可以表示為：其中：； 又因為積分系數(shù)KI=KPT/Tl,，微分系數(shù)KD=KPTD/T，故系數(shù)A, B和C也可表示如下：A=KP+KI+KD； B=2KD-KI； C=KD5.2 空調(diào)溫控系統(tǒng)模糊控制自動控

53、制包括傳統(tǒng)的控制技術(shù)和智能控制技術(shù)，智能控制是控制理論發(fā)展的高級階段。由于人體舒適感的模糊性和空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜性，人們難以建立關(guān)于空調(diào)自動控制的控制目標(biāo)和控制對象精確的數(shù)學(xué)模型。這樣，以精確數(shù)學(xué)模型為必要條件的傳統(tǒng)控制理論應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)存在許多不能解決的問題。而模糊控制作為一種最廣泛應(yīng)用智能的控制技術(shù)之一，具有不需要知道控制目標(biāo)和對象的精確數(shù)學(xué)模型，適于具有大滯后和非線性時變系統(tǒng)等優(yōu)點而被人們廣泛關(guān)注。圖5.2 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖最基本的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5.2所示。從圖中可以看出，它和傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)沒有多大區(qū)別，只是用模糊控制器取代傳統(tǒng)的數(shù)字控制。在模糊控制系統(tǒng)中，模糊控制器的作用在于通

54、過電子計算機，根據(jù)精確量轉(zhuǎn)化而來的模糊輸入信息，按照語言控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，給出模糊輸出判決，將其轉(zhuǎn)化為精確量，對被控對象進(jìn)行控制作用。模糊控制的特點模糊控制不用建立數(shù)學(xué)模型，模糊控制獲得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特點：1）適用于不易獲得精確數(shù)學(xué)模型的被控對象，其結(jié)構(gòu)參數(shù)不很清楚或難以求得，只根據(jù)實際系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場操作人員的運行經(jīng)驗，就可對系統(tǒng)進(jìn)行實時控制。2）模糊控制是一種語言變量控制器，其控制規(guī)則只用語言變量的形式定性的表達(dá)，構(gòu)成了被控對象的模糊模型。3）模糊控制實際上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。該系統(tǒng)尤其適用于非線性，時變，滯后系統(tǒng)的控制。4

55、）抗干擾能力強，響應(yīng)速度快，并對系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強的魯棒性。圖5.3 溫度模糊推理圖正因為模糊控制有這么多優(yōu)于現(xiàn)代控制的特點，本畢業(yè)設(shè)計中溫度的控制在系統(tǒng)處于過渡過程時采用了模糊控制技術(shù)，空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的控制執(zhí)行機構(gòu)是變頻的壓縮機，控制目標(biāo)是使車內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定的溫度，且偏差較小?？照{(diào)的溫度模糊推理如圖5.3所示。1.模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，即輸入變量個數(shù)越多，控制越精細(xì)。但維數(shù)過高，模糊控制規(guī)則變得過于復(fù)雜，控制算法實現(xiàn)相當(dāng)困難。所以本系統(tǒng)中選用兩維模糊控制器。由于溫度偏差變化率即能反映外界環(huán)境對溫

56、度的影響，同時也反映房間內(nèi)人員的狀態(tài)和變動情況，又考慮到系統(tǒng)的動態(tài)特性，裝置的實施等因素，所以選定溫度的偏差及溫度偏差變化率為模糊控制器的輸入變。輸入變量為溫度偏差e和偏差變化率ec，輸出變量為控制量u，即壓縮機的轉(zhuǎn)速。2.精確量的模糊化。精確量模糊化就是把物理量的精確值轉(zhuǎn)換成語言變量值。在以人的經(jīng)驗為基礎(chǔ)的模糊控制中，一般將模糊控制器的輸入輸出變量的狀態(tài)劃分為“正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大”七個檔次來描述，分別用英文字母PL, PM, PS, 0, NS, NM, NL表示之。對于系統(tǒng)偏差，描述其狀態(tài)時，還常把“零”分為“正零”和“負(fù)零”，分別用P0, N0表示之。在空調(diào)智能溫控系

57、統(tǒng)中，溫度偏差為溫度設(shè)定值和溫度測量值之差。按照醫(yī)學(xué)研究結(jié)果，人感受的最佳環(huán)境溫度為24士1。本文把溫度設(shè)定值的范圍定為16到32，定義溫度偏差e的論域為-20, 20，溫度偏差變化率ec的論域為-4, 4，風(fēng)門電機的輸出量u的論域為0%, 100% ( 0%表示最大制冷，100%表示最大采暖)。對e, ec和u的模糊狀態(tài)E, EC和U的整數(shù)論域分別定義如下：E和EC的論域為：-4，-3，-2，-1, 0, 1, 2, 3, 4U的論域為：-5，-4，-3，-2，-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5因此，量化因子Ke=4/20=0. 2， Kec=4/4=1， Ku=1/10=0.1。下面把物理量的精確值轉(zhuǎn)換成語言