基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的空調(diào)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)

1、34空調(diào)機(jī)的溫度控制系統(tǒng)摘 要空調(diào)機(jī)的溫度控制對(duì)于工業(yè)和日常生活等工程都具有廣闊的應(yīng)用前景。本文將傳統(tǒng)控制理論與智能控制理論相結(jié)合應(yīng)用于溫度控制的實(shí)際工程中。首先，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，然后，從熱力學(xué)的角度對(duì)溫度對(duì)象的特性做了較深入的分析，從理論上推導(dǎo)出溫度對(duì)象的常用的一階帶純滯后的近似數(shù)學(xué)模型，并給出了數(shù)學(xué)模型中各參數(shù)的含義。在此基礎(chǔ)上，本文分析了現(xiàn)有空調(diào)機(jī)控制方法的利弊，并針對(duì)它們各自的優(yōu)、缺點(diǎn)，對(duì)具有純滯后特性的溫度對(duì)象提出一種改進(jìn)的模糊控制方法。該方法將模糊控制、PID控制結(jié)合起來。通過數(shù)字仿真表明該方法對(duì)空調(diào)機(jī)溫度的控制具有超調(diào)小(可達(dá)到無超調(diào))、調(diào)節(jié)時(shí)間短、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)

2、上，用階躍信號(hào)做激勵(lì)，辨識(shí)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。本文的最后，通過對(duì)實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文所提出的改進(jìn)的模糊控制算法對(duì)非線性、具純滯后環(huán)節(jié)對(duì)象的控制是很有效的。溫度控制系統(tǒng)的軟件采用匯編語言編制，控制算法部分采用C與匯編混合編程。該軟件基于Windows20000/xp平臺(tái)，人機(jī)界面友好，易于用戶操作。具有在線修改采樣時(shí)間、控制算法、控制參數(shù)、圖形顯示及數(shù)據(jù)保存和打印功能。設(shè)計(jì)的空調(diào)機(jī)溫度控制的精確性，使用方便，功能齊全。關(guān)鍵詞：PWM控制、模型辨識(shí)、模糊控制、PID控制Conditioning temperature control systemAbstractThethesisstudies

3、thePlantoftemperature. Firstly，the system15 designed and realized. Then the characteristics of temperature of Plant are analyzed in all details from thermodynamics. The approximate mathematics model of temperature plant with one order and dead time is reduced and the meaning of every parameter of th

4、is model are expressed，Which is used often and practically in the paper. In addition tot his，we identify the model of the system and the result demonstrated the method is effective for it.Secondly we analyzed advantages and disadvantages of present control method of temperature. One kind of improved

5、 Fuzz-Dahlin control method is presented for Temperature Plant with long dead time and non-linearity. The Dahlin control method，The fuzzy control method are combined in this improved method It is demon strated By digital simulation that the improved Fuzzy-Dahlin makes the extra-regulation more small

6、(even zero)，the regulation time more short，and the robustness better for the temperature controlled Plant. It is demonstrated by physical experimentation that improved Fuzzy-Dahlin method presented in this Paper is effective for temperature plant with dead time and non-linearity.The control software

7、 is compiled with visualc+ and matlab .Its easy to use and friendly to the interface of person and machine on the basis of window 2000/xpplatform. There are some functions as modify sample time or modify controllers parameters online，display and copy data of temperature curve，and so on. The control

8、hardware is easy to use and its functions are self contained. Key Word: Intelligent control，model identify， Dahlin control，F(xiàn)uzzy control，PID control目 錄摘要.Abstract.一、緒論.3（一）課題國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀.3 （二）課題的研究目的及意義.3 1.課題的研究目的.32.本課題的研究意義.4 3.課題的特點(diǎn)及具體要求.4（三）本文的主要工作.4二、 溫度控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn).6（一）總體設(shè)計(jì). .6（二）信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì).61.溫度采樣設(shè)計(jì).62.單

9、片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì).9（三）A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì).111.A/D轉(zhuǎn)換的常用方法.112.A/D轉(zhuǎn)換的主要技術(shù)指標(biāo).113.ADC0809的主要特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu).124. ADC0809管腳功能及定義.135. ADC0809與8031的接口電路.14三、溫度控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn).15（一）系統(tǒng)初始化程序.15（二）程序的主循環(huán)框架.15（三）校準(zhǔn)程序.18 四、控制算法研究.19（一） PID算法研究.19（二）模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).19 1.模糊控制算法.19 2.模糊控制的基本概念.213.模糊控制器的設(shè)計(jì)要點(diǎn).22 4.模糊控制過程.24（三）比較算法.28五、結(jié)論及展望.30（一）結(jié)論.30（二）展

10、望.30致謝.32參考文獻(xiàn). .33一、 緒 論(一)課題的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀控制菌種生長(zhǎng)環(huán)境的設(shè)施和設(shè)備由功能簡(jiǎn)單、單一的氣候箱發(fā)展成現(xiàn)在控制復(fù)的人工氣候室，這對(duì)于研究在人工模擬自然生態(tài)環(huán)境中生長(zhǎng)因素對(duì)菌種生長(zhǎng)的提供了必要的條件和能夠繼續(xù)深入研究的基礎(chǔ)。目前，大多數(shù)菌種培養(yǎng)車間都采取通過控制水加熱機(jī)組和水制冷機(jī)組進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)，這使得整個(gè)控制設(shè)備占于龐大，控制復(fù)雜，能耗大，投資高。部分氣候室采用中央空調(diào)控制溫度，但中央空調(diào)同樣存在成本高低精度的問題，且存在不同氣候室同時(shí)向主機(jī)提出兩種不同運(yùn)行式請(qǐng)求，導(dǎo)致系統(tǒng)失控的可能，因此，此種車間的控溫方法也存在缺陷。所以，操作簡(jiǎn)單，控制精度高，系統(tǒng)性能好，投資低

11、的新型菌種培養(yǎng)車間正為人們所期待。本文提出了一種以普通壁掛式空調(diào)來調(diào)節(jié)人工氣候室溫度的新方法，加以合理智能算法可以有效地對(duì)溫度進(jìn)行高精度恒溫控制，而且成本較低，操作方便。（二）課題的目的及意義1.課題的研究目的 高精度溫度控制就是實(shí)現(xiàn)溫度的更加精確化,準(zhǔn)確化。實(shí)現(xiàn)溫度恒溫化,更好的來滿足菌種的生長(zhǎng)溫度。當(dāng)今空調(diào)機(jī)的溫度控制是人們利用可控電路對(duì)空調(diào)機(jī)進(jìn)行控制,來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。它只能滿足人們一般的需求，溫控精度也不高，對(duì)更高的溫度需求不能滿足。例如菌種的培養(yǎng)車間，菌種的生長(zhǎng)需要非常穩(wěn)定的溫度環(huán)境，對(duì)溫度的要求非常高，這就需要對(duì)空調(diào)機(jī)的溫度來實(shí)現(xiàn)高精度控制。培養(yǎng)菌種的培養(yǎng)車間需要較高的溫度精度，

12、它的溫度控制一般是由空調(diào)機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，而現(xiàn)今空調(diào)機(jī)的控溫精度不高，一般在23度左右,誤差比較大。這就需要對(duì)我們控溫系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。來實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)高精度的控制。菌種培養(yǎng)車間需要的誤差一般在0.5度左右，這首先需要非常靈敏的裝置對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，防止因檢測(cè)而帶來的錯(cuò)誤。這可以用電接水銀溫度計(jì)(WXG型)進(jìn)行測(cè)量。將測(cè)量的信號(hào)通過高靈敏度的溫度傳感器送到微處理器中。從而用微處理器來實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)機(jī)的高精度溫度控制。這樣才能滿足培菌車間的需要。2.本課題的研究意義(1) 要使菌種培育更好，就必須有一流的生長(zhǎng)條件和環(huán)境。傳統(tǒng)的菌種培養(yǎng)車間是育種試驗(yàn)必不可少的條件，它可以縮短試驗(yàn)周期，可以模擬各種氣候條件而不受自然氣

13、候的制約和影響。但是溫度控制的精度還是不高,這就必須對(duì)空調(diào)機(jī)進(jìn)行改進(jìn),實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度高精度控制。(2) 本系統(tǒng)就是針對(duì)以上老系統(tǒng)存在的不足及實(shí)際要求設(shè)計(jì)開發(fā)的。只要設(shè)定運(yùn)行曲線后，就可連續(xù)自動(dòng)地運(yùn)行，按照給定曲線同時(shí)調(diào)節(jié)溫度，并保存實(shí)際運(yùn)行的參數(shù)和設(shè)定參數(shù)。3.課題的特點(diǎn)及具體要求(1) 菌種培養(yǎng)車間是一個(gè)多變量相互禍合的復(fù)雜系統(tǒng)，溫度具有純滯后、大慣性特性。而且外界的氣候的變化也會(huì)對(duì)室內(nèi)的溫度產(chǎn)生影響。所以按照常規(guī)的的控制方法，要對(duì)溫室對(duì)象建立精確數(shù)學(xué)模型幾乎是不可能的，而且控制精度很難保證育種過程的要求。培養(yǎng)車間能夠在任意時(shí)候模擬任意的氣候條件，而且溫度要能夠嚴(yán)格按照給定曲線變化，要求具有保護(hù)

14、功能。根據(jù)己有控制系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和不足之處，改造其老系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)的主要功能和技術(shù)指標(biāo)如下：系統(tǒng)需采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制，上位機(jī)采用工控機(jī)，下位機(jī)采用自行開發(fā)的智能控制器。(2) 系統(tǒng)的控制算法采用智能控制算法，溫度的控制精度要求為±0.2，(3) 上位機(jī)應(yīng)用程序是在Windows98環(huán)境下開發(fā)的應(yīng)用程序，可以監(jiān)控多臺(tái)下位機(jī)，要求有參數(shù)設(shè)定計(jì)算、過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信等功能。(4) 下位機(jī)具有實(shí)時(shí)控制功能，在上位機(jī)出現(xiàn)故障的時(shí)候可以實(shí)施單獨(dú)控制，并且可靠性要高。（三）本文的主要工作本文針對(duì)單片機(jī)對(duì)溫度控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)展開研究工作，主要集中在以下幾個(gè)方面：1分析項(xiàng)目要求，介紹以低

15、成本為核心指導(dǎo)思想的溫度控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，統(tǒng)的組成和工作原理，闡述多點(diǎn)校準(zhǔn)技術(shù)和線型插值技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以及些技術(shù)的應(yīng)用對(duì)降低成本的作用。2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，介紹主要硬件的選型及其主要特點(diǎn)，溫度傳感器Pt100采樣以及信號(hào)放大處理，信號(hào)調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，低壓線性穩(wěn)壓器的電路設(shè)計(jì)，片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)以及電路的總體設(shè)計(jì)等。3模塊功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)介紹在溫度監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用到的各個(gè)模塊的功能和應(yīng)方法，涉及到各個(gè)模塊的功能和工作原理，各個(gè)控制寄存器的設(shè)定，模塊之間的關(guān)系協(xié)作方式等。包括基本始終模塊的應(yīng)用，E2ROM存儲(chǔ)器x25043/45的應(yīng)用，數(shù)碼顯示管的應(yīng)用以及按鍵等的實(shí)現(xiàn)。

16、4系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和主要程序模塊，程序設(shè)計(jì)采用匯編語言和C語言模式，并將低本高精度思想融入其中，介紹的程序模塊包括：系統(tǒng)初始化程序、主循環(huán)框架、準(zhǔn)程序、LED數(shù)碼顯示程序并給出了程序的設(shè)計(jì)流程圖和部分程序源代碼。5總結(jié)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹了使用現(xiàn)狀以及未來的改進(jìn)和發(fā)展方向。二、 溫度控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) (一)總體設(shè)計(jì)總的設(shè)計(jì)思想是通過溫、濕度器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成溫、濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)及聲光報(bào)警等功能，總體設(shè)計(jì)框圖如圖傳感器將溫度、濕度值轉(zhuǎn)換為電量輸出，由A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，被數(shù)字化的信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)處理后，送顯示溫度調(diào)節(jié)傳感器A/D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行報(bào)警顯示圖2.1 總體設(shè)計(jì)框圖本系統(tǒng)完

17、成以下功能：可對(duì)溫、濕度進(jìn)行多點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)、顯示、報(bào)警和調(diào)控。當(dāng)溫、濕度超過上、下限設(shè)定值時(shí)，可自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，并進(jìn)行溫、濕度調(diào)節(jié)控制，直到報(bào)警消除，報(bào)警的上下限值可通過鍵盤隨時(shí)設(shè)定。為實(shí)現(xiàn)以上功能需安排以下五個(gè)部分組成整個(gè)控制系統(tǒng)如圖2.1所示。系統(tǒng)的硬件組成：（1）信號(hào)采樣電路（2）單片機(jī)基本系統(tǒng)（8031）（3）A/D轉(zhuǎn)換電路（4）鍵盤和顯示電路（5）執(zhí)行電路(二)信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)采樣電路在整個(gè)控制裝置中占據(jù)著十分重要的地位，采樣值是8031主要處理的數(shù)據(jù)，是實(shí)施控制的依據(jù)，所以保證采樣電路的準(zhǔn)確是進(jìn)行良好控制的基礎(chǔ)。1.溫度采樣電路設(shè)計(jì)(1) 溫度傳感器的選擇溫度傳感器的種類很多，根據(jù)

18、溫室使用條件，選擇恰當(dāng)?shù)膫鞲衅黝愋筒拍鼙ＷC測(cè)量的準(zhǔn)確可靠，并同時(shí)達(dá)到增加使用壽命和降低成本的目的。根據(jù)溫室溫度控制的特點(diǎn)，本系統(tǒng)中溫度傳感器選用AD590集成溫度傳感器。集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值VBE與熱力學(xué)溫度T和通過發(fā)射極電流I的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)： (2-1)式中，K波爾茲常數(shù)；q電子電荷絕對(duì)值。集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0時(shí)輸出為0，溫度25時(shí)輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度

19、一般為1A/K。AD590是美國(guó)模擬器件公司利用PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。這種器件在被測(cè)溫度一定時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測(cè)量精度高，并具有消除電源波動(dòng)的特性。它的主要特性參數(shù)如下：1.流過器件的電流（A）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即： (2-2)式中：Ir流過器件（AD590）的電流，單位為A。T熱力學(xué)溫度，單位為K。2AD590的測(cè)溫范圍為-55+150。3AD590的電源電壓范圍為4V30V。電源電壓可在4V6V范圍變化，電流Ir變化1A，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而

20、器件反接也不會(huì)被損壞。4輸出電阻為710M。5精度高：AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55 +150范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3。6.靈敏度：1A/K。1.2溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)測(cè)溫電路時(shí)，首先應(yīng)將電流轉(zhuǎn)換成電壓。因?yàn)榱鬟^AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻R1和電位器RP1的電阻之和為10k時(shí)，輸出電壓VO的變化為10mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應(yīng)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整。為了使此電阻精確（0.1%），可用一個(gè)9.6k的電阻與一個(gè)1k電位器串聯(lián)，然后通過調(diào)節(jié)電位器來獲得精確的10k的電阻。溫度檢測(cè)電路如圖2.2所示，其中運(yùn)算

21、放大器A1被接成電壓跟隨器形式，以增加信號(hào)的輸入阻抗。而運(yùn)放A2的作用是把絕對(duì)溫標(biāo)轉(zhuǎn)換成攝氏溫標(biāo)，給A2的同相輸入端輸入一個(gè)恒定的電壓，然后將此電壓放大到2.732V。這樣，A1與A2輸出端之間的電壓即為轉(zhuǎn)換成的攝氏溫標(biāo)。A1A2圖2.2 溫度檢測(cè)電路將AD590放入0的冰水混合溶液中，A1同相輸入端的電壓應(yīng)為2.732V，同樣使A2的輸出電壓也為2.732V，因此A1與A2兩輸出端之間的電壓為0V即對(duì)應(yīng)于0。AD590溫度與電流的關(guān)系如表2.1所示。2.1 AD590溫度與電流的關(guān)系攝氏溫度AD590電流經(jīng)10K電壓00C273.2A2.732V100C283.2A2.832V200C293

22、.2A2.932V300C303.2A3.032V400C313.2A3.132V500C323.2A3.232V600C333.2A3.332V1000C373.2A3.732V2.單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(1) 單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)復(fù)位電路是單片機(jī)應(yīng)用中重要的一環(huán)，它對(duì)單片機(jī)抗干擾有重要作用。在振蕩運(yùn)行的情況下，要實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，必須使RST引腳至少保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平。復(fù)位期間不產(chǎn)生ALE及PSEN信號(hào)。復(fù)位后，各內(nèi)部寄存器狀態(tài)如表2.2所示。8031單片機(jī)的復(fù)位電路如圖2.3所示。表2.2各內(nèi)部寄存器狀態(tài)寄存器內(nèi)容寄存器內(nèi)容PC0000HTMOP00HACC00HTCON00HB00HT

23、H000HPSW00HTH100HSP07HTL000HDPTR0000HTL100HP0-P30FFHSCON00HIPxxx00000SBUF不定IE0xx00000PCON0xxxxxxx圖2.3復(fù)位電路(2) 單片機(jī)時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本系統(tǒng)中8031單片機(jī)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式是采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2MHz12MHz之間。電容值無嚴(yán)格要求，但電容取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小和振蕩電路起振速度有少許影響，一般可在20pF100pF之間取值。8031單片機(jī)的時(shí)鐘電路如圖2.4所示。圖2

24、.4時(shí)鐘電路(3) 8031單片機(jī)最小系統(tǒng)一個(gè)最小8031單片機(jī)系統(tǒng)有CPU（8031）、8位3態(tài)D鎖存器74LS373、ROM或RAM，時(shí)鐘電路和復(fù)位電路等基本電路組成。(三) A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)由信號(hào)處理電路輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)，而單片機(jī)只能處理數(shù)字量，所以必須首先將模擬量經(jīng)過一定電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)才能處理，這種電路被稱為A/D轉(zhuǎn)換電路，是模擬系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的接口部件。1. A/D轉(zhuǎn)換的常用方法A/D轉(zhuǎn)換的常用方法有：雙積分式A/D轉(zhuǎn)換、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換等。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的工作原理是將對(duì)輸入電壓的測(cè)量，轉(zhuǎn)換成對(duì)基準(zhǔn)源積分時(shí)間的測(cè)量，再測(cè)量時(shí)間（脈沖寬度信

25、號(hào)）或頻率（脈沖頻率），然后由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是分辯率高、精度高、抗干擾性好；主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度慢。逐次逼近型A/D由一個(gè)比較器和D/A轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，順序地增加內(nèi)部D/A的輸入值，并將其輸出電壓與A/D測(cè)量輸入電壓比較，當(dāng)二者相等時(shí)，內(nèi)部D/A的輸入值就是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是速度快、功耗低；主要缺點(diǎn)是抗干擾性差。2 .A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有：分辨率、精度、量程、轉(zhuǎn)換時(shí)間等。分辨率（Resolution）分辨率反映轉(zhuǎn)換器所能分辨的被測(cè)量的最小值。通常用輸出二進(jìn)制代碼的位數(shù)來表示。8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為

26、8位。精度（Precision）精度指的是轉(zhuǎn)換的結(jié)果相對(duì)于實(shí)際的偏差，精度有兩種表示方法：絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度用最低位（LSB）的倍數(shù)來表示，如：±1LSB；相對(duì)精度用絕對(duì)精度除以滿量程值的百分?jǐn)?shù)來表示，如：±0.05%。同樣分辨率的轉(zhuǎn)換器其精度可能不同。量程（滿刻度范圍Full Scale Range）量程是指輸入模擬電壓的變化范圍。如：某轉(zhuǎn)換器具有10V的單極性范圍或?5+5V的雙極性范圍，它們的量程都為10V。實(shí)際的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的最大輸入/輸出值總是比滿刻度值小。轉(zhuǎn)換時(shí)間（Conversion Time）A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間是指:從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換開始，直至

27、取得穩(wěn)定的數(shù)字量或模擬量所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換器原理及其位數(shù)有關(guān)。同種工作原理的轉(zhuǎn)換器，通常位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)。3.ADC0809的主要特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)采用ADC0809大規(guī)模集成電路芯片，它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，輸出的數(shù)字信號(hào)有三態(tài)緩沖器，可以和單片機(jī)直接接口。ADC0809的主要技術(shù)指標(biāo)為：分辨率：8位；單電源供電：+5V；最大不可調(diào)誤差小于±1LSB；轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s（時(shí)鐘頻率為640KHz）；模擬輸入范圍：?jiǎn)螛O性05V；不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿刻度調(diào)整；功耗為15Mw；ADC0809由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)

28、輸出鎖存器組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.5所示。8路模擬量開關(guān)8路A/D轉(zhuǎn)換器三態(tài)輸出鎖存器地址鎖存與譯碼 器圖2.5 ADC0809轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部機(jī)構(gòu)框圖4. ADC0809管腳功能及定義ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的管腳定義如圖2.6所示。圖2.6 ADC0809管腳結(jié)構(gòu)圖·IN0IN7：8通道模擬量輸入。·ADDA、ADDB、ADDC：A、B、C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如表2-3所示。·ALE：地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A、B、C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中通道的模

29、擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。·D0D7：8位輸出數(shù)據(jù)線（三態(tài)），A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果由這8根線傳送給單片機(jī)。·OE：允許輸出信號(hào)。當(dāng)OE=1時(shí)，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；當(dāng)OE=0時(shí)，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。·START：轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。START為正脈沖，其上跳沿所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。·EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。·CLK：時(shí)鐘輸入信號(hào)。因ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，頻率范圍為10KHz1.2MHz，典型值為6

30、40KHz。表2-3 通道的選擇表CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN75. ADC0809與8031的接口電路ADC0809有8個(gè)通道的模擬量輸入，在程序控制下，可令任意通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并可得到相應(yīng)的8位二進(jìn)制數(shù)字量。三、溫度控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)本章將介紹軟件的總體設(shè)計(jì)。有了各個(gè)功能塊的軟件實(shí)現(xiàn)方法，軟件的總體設(shè)計(jì)就變得簡(jiǎn)單了，軟件設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的思想就是采用模塊化設(shè)計(jì)，把一個(gè)大的任務(wù)分解成若干個(gè)小任務(wù)，分別編制實(shí)現(xiàn)這些小任務(wù)的子程序，然后將子程序按照總體要求組裝起來，就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)大任務(wù)了。這種思路對(duì)于可重復(fù)使用的子程

31、序顯得尤為優(yōu)越，因?yàn)椴粌H程序結(jié)構(gòu)清晰，而節(jié)約程序存儲(chǔ)空間。（一）系統(tǒng)初始化程序系統(tǒng)初始化程序是為了在進(jìn)入主程序循環(huán)之前，做好必要的準(zhǔn)備工作，包括如下內(nèi)容：1停止X25043內(nèi)部的看門狗。2設(shè)定X25043內(nèi)部WDT為定時(shí)器模式，定時(shí)為0.25秒，并允許內(nèi)部WDT中斷。3設(shè)定UO端口狀態(tài)，全部設(shè)定為輸入狀態(tài)，降低功耗。4初始化E2PROM，設(shè)定位于E2PROM內(nèi)的看門狗定時(shí)為1.4s5從護(hù)E2PROM讀入校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存。6啟動(dòng)位于E2PROM內(nèi)的看門狗。7將E2PROM的片選端CS置為1，使E2PROM進(jìn)入待機(jī)模式，以降低功耗。8設(shè)定校準(zhǔn)按鍵為中斷允許狀態(tài)。9總中斷允許設(shè)為l。10

32、示模塊開始。11PID參數(shù)初始化。12PWM參數(shù)初始化。（二）程序的主循環(huán)框架程序的主循環(huán)框架如圖31，在系統(tǒng)進(jìn)行一系列的準(zhǔn)備工作即初始化之后，程序就主循環(huán)，主循環(huán)的工作是進(jìn)行采樣時(shí)間控制、控制測(cè)量過程、LED顯示循環(huán)、按鍵并且處理、數(shù)據(jù)查表處理、線性插值、數(shù)據(jù)顯示，然后周而復(fù)始地進(jìn)行主循環(huán)程序。在主程序循環(huán)的過程中隨時(shí)響應(yīng)按鍵中斷，進(jìn)入校準(zhǔn)程序。對(duì)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置操作作為線性調(diào)整的最值主程序循環(huán)開始判斷狀態(tài)態(tài)正常顯示狀態(tài)進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)送LED顯示數(shù)據(jù)按鍵去抖動(dòng)A/D采樣判斷按鍵數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換為顯示碼寫入EPROMPWM控制校準(zhǔn)完畢清標(biāo)志位主程序下一次循環(huán)圖3.1 主程序邏輯圖主程序：ORG 00

33、00HAJMP MAINORG 0100HAD0 EQU 7FF8HPORT EQU 4100HPORTA EQU 4101HPORTB EQU 4102HPORTC EQU 4103HMAIN:MOV SP，#60H； 設(shè)置堆棧MOV DPTR，#PORT； 8155初始化MOV A，#03H； 8155A口、B口為輸出，C口為MOVXDPTR，A； 輸入方式MOV 50H，#19H； 溫度設(shè)定值存于50H單元，設(shè)定值為25MOV R0，#30H； 顯示緩沖區(qū)30H到37H清0MOV A，#00HML0：MOVR0，AINC R0CJNE R0，#38H，ML0ML1：ACALL KEYCJ

34、NE 52H，#0EH，ML2； 如果是A/D轉(zhuǎn)換鍵，則進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換ACALL ADACALL FILTACALL FUZZYACALL DIRML2：ACALL T10； 等待采樣時(shí)間AJMP ML1（三）校準(zhǔn)程序正常情況下數(shù)字溫度表運(yùn)行在測(cè)量顯示狀態(tài)下，校準(zhǔn)的啟動(dòng)是通過響應(yīng)按鍵SET鍵長(zhǎng)按2s的方式來實(shí)現(xiàn)的，本次設(shè)計(jì)選擇P2.7為進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)的按鍵輸入端。校準(zhǔn)程序入口也就是設(shè)在單獨(dú)的子程序中，進(jìn)入子程序后，進(jìn)行如下操作：1.按鍵去抖動(dòng)、干擾檢查。.進(jìn)入循環(huán)活動(dòng)狀態(tài)。2.判斷是否己經(jīng)在校準(zhǔn)狀態(tài)，如果已經(jīng)在校準(zhǔn)狀態(tài)，則表示是在校準(zhǔn)中途按下SET鍵，表示放棄校準(zhǔn)，此時(shí)不保存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)到E2PRO

35、M，直接復(fù)位系統(tǒng)，進(jìn)入正常測(cè)量顯示狀態(tài)。3.進(jìn)入逐點(diǎn)校準(zhǔn)循環(huán)。4.LED顯示。5.掃描按鍵KYE NXET是否按下。6.調(diào)入校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)。7.LED顯示進(jìn)入校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)狀態(tài)。8.掃描按鍵KEY NETX是否按下。9.判斷E2PROM值與現(xiàn)有輸入值是否相同，相同則不往E2PROM里寫入，不相同則開始寫入E2PROM。.寫入E2PROM。10.顯示測(cè)量數(shù)據(jù)(放電時(shí)間比率)。11.掃描按鍵KYE NEXT是否按下。12.此點(diǎn)數(shù)據(jù)存入內(nèi)存。13.循環(huán)進(jìn)入下一點(diǎn)。14.全部校準(zhǔn)點(diǎn)結(jié)束后，退出校準(zhǔn)程序，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存入E2PROM15.調(diào)用復(fù)位程序，重新初始化系統(tǒng)，進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。四、控制算法的研究（一）PID算法

36、的研究PID是一種負(fù)反饋控制，用設(shè)定的控制目標(biāo)值與受控對(duì)象的輸出反饋值相比較，對(duì)其差作比例、微分、積分后用來控制受控對(duì)象。PID控制規(guī)則： (4-1)式中占為比例帶，介為積分時(shí)間，與為微分時(shí)間。傳遞函數(shù)為： (4-2 )的改變對(duì)控制作用影響很大:越大，比例調(diào)節(jié)的殘差越大，從這一點(diǎn)說，越小能使殘差越小。但小則使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益加大，從而可能導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定，系統(tǒng)首先要穩(wěn)定，所以比例帶的設(shè)定必須保證一定的穩(wěn)定裕度越大即積分速度越小，積分作用越弱，使過度時(shí)間變長(zhǎng)，達(dá)到穩(wěn)定的速度越慢。越小積分速度越快，而增大積分速度會(huì)降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直至出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程; 則主要改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性

37、能，增大會(huì)加快系統(tǒng)的響應(yīng)，降低超調(diào)，增大系統(tǒng)穩(wěn)定性，但過大，會(huì)使系統(tǒng)的抗干擾能力減弱，而且微分環(huán)節(jié)對(duì)純滯后過程無效。PID控制器中，的選擇如果合適，則能發(fā)揮它們的長(zhǎng)處，從而較好地控制系統(tǒng)，否則，不僅不能發(fā)揮各種調(diào)節(jié)作用，反而適得其反。（二）模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語言變量及模糊推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。模糊控制模仿人的思維通過把精確量模糊化，通過模糊推理，然后經(jīng)過清晰化處理得到控制量。1.模糊控制算法模糊自動(dòng)控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。尤其是模糊控制和遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及混沌理論等新學(xué)科相結(jié)合，正在顯示出其巨大的應(yīng)用潛

38、力。(1)模糊控制原理模糊控制的引入隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，自動(dòng)控制理論和技術(shù)獲得了飛躍的發(fā)展，在解決線性或非線性，定常或時(shí)變的多輸入多輸出系統(tǒng)問題上，獲得了廣泛的應(yīng)用。但是，采用傳統(tǒng)控制理論來設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，需要事先知道被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，然后再根據(jù)給定的性能指標(biāo)選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律，進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然而，在許多情況下，被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型很難建立，有時(shí)甚至是不可能的。這樣一來，對(duì)于這類對(duì)象或過程就難以進(jìn)行自動(dòng)控制。與此相反，對(duì)于一些難以自動(dòng)控制的生產(chǎn)過程，有經(jīng)驗(yàn)的操作人員進(jìn)行手動(dòng)控制，卻可以達(dá)到滿意的效果。這是由于作為操作者的人在長(zhǎng)期的操作實(shí)踐中獲得了對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，在頭腦中形成了他

39、自己對(duì)該系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)模型，并積累了操作經(jīng)驗(yàn)?？偨Y(jié)人的控制行為，用語言描述人的手動(dòng)控制決策，形成一系列的條件語句和決策規(guī)則，進(jìn)而設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)這些控制規(guī)則，再驅(qū)動(dòng)設(shè)備對(duì)工業(yè)過程進(jìn)行控制，這就是模糊控制。實(shí)踐表明，模糊控制器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1它不需要知道被控對(duì)象或過程的精確數(shù)學(xué)模型。2易于實(shí)現(xiàn)對(duì)不確定性系統(tǒng)和強(qiáng)非線性系統(tǒng)的控制。3對(duì)被控對(duì)象或過程參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性。4對(duì)干擾有較強(qiáng)的抑制能力。模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，它是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。它的組成核心是具有智能

40、性的模糊控制器，其基本結(jié)構(gòu)如圖4.2所示。D/A傳感器被控對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)A/D計(jì)算控制變量模糊量化處理模糊控制規(guī)則模糊決策圖4.2 模糊控制系統(tǒng)框圖模糊控制系統(tǒng)一般由四個(gè)部分組成:1模糊控制器：它是以模糊邏輯推理為主要組成部分，同時(shí)又具有模糊化和去模糊功能的控制器。2.輸入/輸出接口裝置：模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對(duì)象獲取數(shù)字信號(hào)量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)過數(shù)模變換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制被控對(duì)象。3.廣義對(duì)象：包括被控對(duì)象和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。被控對(duì)象可以是線性或非線性的、定?；驎r(shí)變的、也可以是單變量或多變量的、有時(shí)滯或無時(shí)滯的以及有強(qiáng)干擾的多種情況。4.傳感器：傳感

41、器是將被控對(duì)象或各種過程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一類裝置。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的精度。2.模糊控制的基本概念(1)模糊集合模糊集合用于在無法明確地定義元素是否屬于集合的情況下，利用一種度量來表示某一元素屬于這一集合的程度，這就是隸屬度，也就是級(jí)別。當(dāng)一個(gè)元素肯定屬于這一集合時(shí)，級(jí)別為1，肯定不屬于這一集合時(shí)，級(jí)別為0，其余的級(jí)別為0到1的中間值。以論域?yàn)殡x散有限集x1，x2，xn為例，設(shè)A(xi)=ui(i=1，2n），模糊集合用扎德法表示如下： (4-3)(2)_量化因子連續(xù)論域進(jìn)行離散化的過程稱為量化。設(shè)有連續(xù)論域a，b，量化后的離散論

42、域?yàn)?n，-n+1，0，n-1，n，將連續(xù)論域分為2n段，則有系數(shù)K=2n/(b-a)，K稱為量化因子。(3)比例因子偏差的基本論域與偏差的實(shí)際變化范圍的比值稱為比例因子。當(dāng)偏差的實(shí)際變化范圍超出基本論域的范圍時(shí)，采用最大輸出或零輸出。對(duì)于偏差的任何采樣值，乘以比例因子后取整，可以得到相應(yīng)的值。3.模糊控制器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)(1)輸入輸出變量的確定在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，首先要對(duì)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行分析以確定系統(tǒng)的輸入量和輸出量，即決定受控系統(tǒng)中有哪些輸入的狀態(tài)必須被監(jiān)測(cè)和哪些輸出的控制作用是必須的。根據(jù)被控對(duì)象的輸入輸出變量的多少可以將模糊控制器分為單輸入-單輸出結(jié)構(gòu)（SISO）、多輸入-單輸出結(jié)構(gòu)（MI

43、SO）和多輸入-多輸出結(jié)構(gòu)（MIMO）。SISO結(jié)構(gòu)在模糊控制的實(shí)際應(yīng)用中相當(dāng)廣泛，是最典型又是最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的控制規(guī)則比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，而且穩(wěn)定性好。但在實(shí)際的控制工程中被控對(duì)象是相當(dāng)復(fù)雜的，其輸入輸出量較多，因此很多都是MIMO系統(tǒng)。MIMO結(jié)構(gòu)的模糊控制器的設(shè)計(jì)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，目前還沒有一套比較完整的理論來指導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而且其穩(wěn)定性也還有待證明，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，往往將MIMO結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為MISO結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這就是MIMO系統(tǒng)的解耦問題?？梢婋S著輸入量的增多，模糊控制規(guī)則數(shù)會(huì)成倍增加，這時(shí)要考慮到軟件實(shí)現(xiàn)的限制。因此在滿足控制系統(tǒng)要求前提下，應(yīng)選擇合適輸入輸出變量的

44、個(gè)數(shù)。(2)量化因子和比例因子的選擇從前述的量化因子和比例因子的定義可以看出，一旦給出輸入輸出量的量化論域等級(jí)n之后，量化因子和比例因子的取值大小可以使基本論域發(fā)生不同程度的縮小或放大，這在模糊控制的設(shè)計(jì)中非常有用。因?yàn)樵诙嘧兿到y(tǒng)中基本論域往往會(huì)變化，如在溫室中對(duì)不同花卉，其模糊控制范圍內(nèi)的基本論域是不一樣的，而量化論域的改變又會(huì)對(duì)模糊控制器的設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大的影響，因此在模糊控制器中可以通過改變量化因子和比例因子的值來將不同的基本論域縮放到相同的量化論域上，這樣當(dāng)基本論域改變時(shí)就不需要對(duì)模糊控制器進(jìn)行改動(dòng)了量化因子和比例因子的選擇嚴(yán)重影響系統(tǒng)的響應(yīng)特性，如超調(diào)、上升時(shí)間和穩(wěn)態(tài)精度等。如果量化因子

45、和比例因子取的過大，則會(huì)造成被控對(duì)象阻尼的下降，相反，若取的過小，則將導(dǎo)致被控過程的響應(yīng)特性遲緩。因此，量化因子和比例因子的選擇需要憑借與控制變量、輸入輸出空間的分辨率或精度等相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來決定。(3)隸屬度函數(shù)的建立隸屬度函數(shù)是模糊集合論的基礎(chǔ)，因而如何確定隸屬度函數(shù)就是一個(gè)關(guān)鍵問題。由于模糊集合論研究的對(duì)象具有模糊性和經(jīng)驗(yàn)性，因此想尋找一種統(tǒng)一的隸屬度計(jì)算方法是不現(xiàn)實(shí)的。盡管確定隸屬度函數(shù)的方法帶有主觀因素，但主觀反映和客觀存在是有一定聯(lián)系，是受客觀制約的。隸屬度函數(shù)實(shí)質(zhì)上反映了事物的漸變性，在建立隸屬度函數(shù)時(shí)應(yīng)注意以下問題：1.表示隸屬度函數(shù)的模糊集合必須是凸模糊集合一般說來，確定某一模糊概念的隸屬度函數(shù)應(yīng)首先從最適合這一模糊概念的點(diǎn)開始，也就是首先確定該模糊概念的最大隸屬度函數(shù)點(diǎn)，然后向兩邊延伸。所謂凸模糊集合就是從最大隸屬度函數(shù)點(diǎn)出發(fā)向兩邊延伸時(shí)，必須保證其隸屬度值是單調(diào)遞減的，而不允許有波浪形。2.隸屬度函數(shù)的個(gè)數(shù)要適中在模糊系統(tǒng)中，每個(gè)輸入變量可以有多個(gè)語言值，即隸屬度函數(shù)。如果隸屬度函數(shù)個(gè)數(shù)越多，則在量化論域中隸屬度函數(shù)的密度越大，模糊應(yīng)用系統(tǒng)的分辨率越高，其系統(tǒng)響應(yīng)的結(jié)果就越平滑。但不足之處是模糊規(guī)則數(shù)顯然會(huì)增多，計(jì)算時(shí)間會(huì)大大增加，設(shè)計(jì)難度增大，而且往往會(huì)