單片機溫度控制系統(tǒng)

1、畢業(yè)設(shè)計(論文)題 目 : 單 片 機 的 溫 度 控 制 系 統(tǒng)姓 名: 向瑞虎學(xué) 號：1103140專 業(yè): 電氣及其自動化031指導(dǎo)教師: 潘峰職 稱：講師2006年 6月 18 日摘要:從硬件和軟件兩個方面介紹了以MCS-51單片機為核心溫控系統(tǒng)的組成,闡述了PID參數(shù)采用模糊整定的控制算法,用此系統(tǒng)對電爐加熱實驗裝置進(jìn)行控制取得了較好的效果。溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一，象冶金、機械、食品、化工各類工業(yè)中，廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反響爐等，對工件的處理溫度要求嚴(yán)格控制，計算機溫度控制系統(tǒng)使溫度控制指標(biāo)得到了大幅度提高。電阻爐爐溫控制系統(tǒng)的控制過程是：單片機定時對爐溫進(jìn)行

2、檢測，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片得到相應(yīng)的數(shù)字量，經(jīng)過計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到應(yīng)有的控制量，去控制加熱功率，從而實現(xiàn)對溫度的控制。關(guān)鍵詞:MCS-51單片機;溫度控制系統(tǒng);模糊整定;PID參數(shù)目錄摘要2第一章 前言441.2 研究動機551.4 期待的目標(biāo)6第二章：單片機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計667820第三章：模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計2424293738第四章 結(jié)論414.1 問題解決與研究414.1.1 程序構(gòu)思設(shè)計與除錯414.1.2 軟硬件對應(yīng)整合42感謝42參考文獻(xiàn)42第一章 前言單片機知識簡介在計算機出現(xiàn)以前，有不少能工巧匠做出了不少精巧的機械。 進(jìn)入電器時代后，人們借助電氣技術(shù)實現(xiàn)了自動控制機械，自

3、動生 產(chǎn)線甚至自開工廠，并且大大地開展了控制理論。然而，在一些大 中型系統(tǒng)中自動化結(jié)果均不理想。只有在計算機出現(xiàn)后，人們才見 到了希望的曙光。如今借助計算機逐漸實現(xiàn)了人類的夢想。但是， 計算機出現(xiàn)后的相當(dāng)長的時間里，計算機作為科學(xué)武器，在科學(xué)的 神圣殿堂里默默地工作，而工業(yè)現(xiàn)場的測控領(lǐng)域并沒有得到真正的 應(yīng)用。只有在單片機Microcontroller)出現(xiàn)后，計算機才真正 地從科學(xué)的神圣殿堂走入尋常百姓家，成為廣闊工程技術(shù)人員現(xiàn)代 化技術(shù)革新，技術(shù)革命的有利武器。目前，單片機在民用和工業(yè)測 控領(lǐng)域得到最廣泛的應(yīng)用。彩電，冰箱，空調(diào)，錄像機，VCD，遙 控器，游戲機，電飯煲等無處不見單片機的影

4、子，單片機早已深深 地溶入我們每個人的生活之中。單片機能大大地提高這些產(chǎn)品的智能性，易用性及節(jié)能性等主 要性能指標(biāo)，給我們的生活帶來舒適和方便的同時，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 上也極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 單片機按用途大體上可分為兩大類： 1-通用型單片機       2-專用型單片機專用型單片機是指用途比擬專一，出廠時程序已經(jīng)一次性固化好， 不能再修該的單片機。例如電子表里的單片機就是其中的一種。 其生產(chǎn)本錢很低。通用型單片機的用途很廣泛，使用不同的接口電路及編制不同的應(yīng) 用程序就可完成不同的功能。小到家用電器儀器儀表，大到機器設(shè) 備和整套生產(chǎn)線

5、都可用單片機來實現(xiàn)自動化控制。通用型單片機按位數(shù)分有4位機,8位機,16位機和32位機等等.按廠 家分種類就更多,我國目前最常用的單片機有如下幾家:  Intel- (MCS51系列,MCS96系列)  Atmel- (AT89系列,MCS51內(nèi)核)  Microchip- (PIC系列)  Motorola- (68HCXX系列)  Zilog- (Z86系列)  Philips- (87,80系列,MCS51內(nèi)核)  Siemens- (SAB80系列

6、,MCS51內(nèi)核)  NEC- (78系列)  Epson- (系列)1.2 研究動機希望將在大學(xué)生涯里所知所學(xué)的，藉由此次的單片機研究，好好證實、映證書本理論的真實性，并確定我們所學(xué)的是否足夠有設(shè)計研發(fā)的實力，以便將來可以在競爭劇烈的社會中生存。且單片機在日常生活中隨處可見，故希望作一單片機模擬控制來將我們所學(xué)來發(fā)揮，以便有時機在社會中奉獻(xiàn)一己的力。研究目的工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的溫度控制系統(tǒng)是具有大滯后特征的控制系統(tǒng),單純采用PID算法校正的溫度控制系統(tǒng)具有高頻擾動大、調(diào)整時間長、PID參數(shù)整定困難、有較大超調(diào)量等弊端。這里以Intel公司的AT89

7、C51單片機為核心,引進(jìn)模糊控制思想來實現(xiàn)對PID參數(shù)整定,設(shè)計了一個簡單實用的溫度控制系統(tǒng)。1.4 期待的目標(biāo)在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反響爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測和控制。采用MCS-51單片機來對溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問題。第二章：單片機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

8、2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計本系統(tǒng)中，需要檢測的輸入信號有出水口溫度和內(nèi)膽溫度及水流檢測信號。需要輸出的信號主要是雙向可控硅的導(dǎo)通時間以控制加熱功率的大小。并且還要完成數(shù)據(jù)的實時顯示及各工作階段指示、出水溫度的設(shè)置、自動檢測故障原因并顯示等功能，還具有各種完善的保護功能，如溫度的超限報警、防干燒和隔電墻技術(shù)fb- U溫度傳感器2控制系統(tǒng)加熱管 隔離墻 水流檢測傳感器 溫度傳感器1 出水口 進(jìn)水口圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2控制系統(tǒng)的硬件組成及工作原理即熱式電熱水器控制系統(tǒng)由水流檢測電路、顯示鍵盤電路、測溫電路、加熱輸出控制電路、工作指示及保護電路和過零檢測等電路組成。T89SA52鍵盤，顯示接口電路A

9、/D轉(zhuǎn)換電路溫度傳感器水流檢測電路加熱控制電路工作指示及保護電路過零檢測電路圖2-2 即熱式電熱水器控制系統(tǒng)原理框圖控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-2所示。首先通過溫度傳感器DS18B20將出水口溫度直接變換成數(shù)字量送到單片機。單片機對接收到的信號與設(shè)定信號進(jìn)行比擬，采用模糊控制的方法，輸出一個控制量，控制可控硅的導(dǎo)通角，以實現(xiàn)對加熱量的控制。同時用LED顯示當(dāng)前溫度。當(dāng)出現(xiàn)故障時，自動檢測故障原因，并顯示相應(yīng)故障代碼。2.3控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計2.3.1溫度檢側(cè)電路1.溫度和溫度傳感器溫度的檢測傳感器很多，傳統(tǒng)的測溫元件有熱電偶和熱電阻，而熱電偶和熱電阻測出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度，需要

10、比擬多的外部硬件支持，硬件電路復(fù)雜，軟件調(diào)試復(fù)雜，制作本錢高。根據(jù)產(chǎn)品的溫度要求，溫度精度要到達(dá)0. 5 0C，所以采用了美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的智能溫度傳感器DS18B20作為檢測元件，測溫范圍為一55度到125度，分辨率最大可達(dá)。.0625度。DS18B20可以直接讀出被測溫度值，而且采用3線制與單片機相連，減少了外部的硬件電路，具有低本錢和易使用的特點。DS18B20的性能特點如下:1? 獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進(jìn)行通訊2? 多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能3? 無需外部器件4? 可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3. 0 V -5. 5V5? 零待機

11、功耗6? 溫度以9或12位數(shù)字量讀出7? 用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置8? 報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度(溫度報警條件)的器件9? 負(fù)電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作2. DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20采用3腳PR-35封裝或8腳SOIL封裝，其框圖如圖2-3所示。64 位ROM 和單線接口 存儲器與控制器 I/O溫度傳感高 速緩 存 高溫觸發(fā)器低溫觸發(fā) 器 C配置存放器8位CRC VDD圖2-3 DS18820內(nèi)部結(jié)構(gòu)64位ROM的位結(jié)構(gòu)如圖2-4，開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后8位是前面56位的C

12、RC檢驗碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進(jìn)行通信的原因。非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入戶報警上下限。8 bit檢驗CRC 48 bit序列號 8 bit工廠代碼10HMSB LSB MSB LSB MSB LSB圖2-4 64位ROM結(jié)構(gòu)圖DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EERAM.高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8個字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。頭兩個字節(jié)包含測得的溫度信息，第三和第四字節(jié)是TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。第五個字節(jié)為配置存放器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工

13、作時按此存放器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖2-5所示。低5位一直為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RO決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，即用來設(shè)置分辨率，定義方法見表2一1.溫度 LSB 溫度 MSBTH 用戶字節(jié)1TL 用戶字節(jié)2配置存放器保存保存保存CRC1字節(jié)2字節(jié)TH 用戶字節(jié)13字節(jié)4字節(jié)5字節(jié)TH 用戶字節(jié)26字節(jié) 7字節(jié)8字節(jié) EEROM 9字節(jié) 圖2-5高速暫存RAM結(jié)構(gòu)圖由表可見，DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的時間比擬長，而且設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

14、時間就越長。因此，在實際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。TM R! R0 1 1 1 1 1圖2-6配置存放器表3-1 DS18B20分辨率的定義規(guī)定R1 R0 分辨率 溫度最大轉(zhuǎn)換時間1 0 11位 375ms1 1 12位 750ms高速暫存RAM的第六、七、八字節(jié)保存未用，表現(xiàn)為全邏輯1。第九字節(jié)讀出前面所有8個字節(jié)的CRC碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進(jìn)制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第一、二字節(jié)。 DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與RAM中的TH. TL字節(jié)

15、內(nèi)容作比擬，假設(shè)T>TH或T<TL，那么將該器件內(nèi)的報警標(biāo)志位置位，并對主機發(fā)出的報警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20同時測量溫度并進(jìn)行報警搜索。在64位ROM的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余檢驗碼(CRC)。主機根據(jù)ROM的前56位來計算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比擬，以判斷主機收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。2. DS18B20測溫原理如圖2-8所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1,高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門翻開

16、時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，進(jìn)而完成溫度側(cè)量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將一55所對應(yīng)的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1,溫度存放器中，減法計數(shù)器1和溫度存放器被預(yù)置在一55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。斜率累加器計數(shù)比擬器預(yù)置減法計數(shù)器1預(yù)置低溫度系統(tǒng)計數(shù)器溫度計存器減到零 增加高溫度系統(tǒng)振蕩器減法計數(shù)器2 停止減到零 圖2-8 DS18B20測溫原理圖減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度存放器的值將加1，減法計數(shù)器1的預(yù)置值將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖

17、信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度存放器值的累加，此時溫度存放器中的數(shù)值就是所測溫度值。圖2-8中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線形性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直到溫度存放器值到達(dá)被測溫度值。另外。由于OS18B20單線通信功能是分時完成的，它有嚴(yán)格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為;初始化DS18B20(發(fā)復(fù)位脈沖)發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲器操作命令、處理數(shù)據(jù)。3. DS18B20與單片機的接口電路DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時D

18、S18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖2-9所示。單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。 單片機 VCC DS18B20DS18B20DS18B20 VCC圖2-9 DS 18B20采用寄生電源的電路圖當(dāng)DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為IOus.采用寄生電源供電方式時VDD和GND端均接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。.2水流檢測電路由于本熱水器的貯水箱容積非常小，必須做到通水通電，斷水?dāng)嚯?/p>

19、，因此必須對水流進(jìn)行檢測，防止干燒發(fā)生事故。目前國內(nèi)常用的是采用LC振蕩電路的接近開關(guān)，雖然技術(shù)較成熟，但因工作環(huán)境較潮濕，線圈比擬容易發(fā)生短路、斷路現(xiàn)象，故障率很高。而霍爾傳感器體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高(可達(dá)1MHZ)，耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕，因此在本設(shè)計中采用了霍爾傳感器?；魻柶骷且环N磁傳感器，用它們可以檢測磁爾傳感器。霍爾器件是一種磁傳感器，用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用，霍爾器件以霍爾效應(yīng)為其工作根底。如圖2-10所示，在一塊通電的半導(dǎo)體薄片上，加上和片子外表垂直的磁場B,在薄片的橫向兩側(cè)會出現(xiàn)一個電壓，如

20、圖2-10中的VH，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，是由科學(xué)家愛德文·霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。VH稱為霍爾電壓。圖2-10霍爾效應(yīng)和霍爾元件 這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因為通電半導(dǎo)體片中的載流子在磁場產(chǎn)生的洛侖茲力的作用下，分別向片子橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚，因而形成一個電場，稱作霍爾電場?；魻栯妶霎a(chǎn)生的電場力和洛侖茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍爾電場力和洛侖茲力相等。這時，片子兩側(cè)建立起一個穩(wěn)定的電壓，這就是霍爾電壓。功能上可將它們分為:霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。在此，我們采用霍爾開關(guān)器件。使用霍爾器件檢測磁場的方法極為簡單，將霍爾器件作成各種形式的探頭，放在被測

21、磁場中，因霍爾器件只對垂直于霍爾片的外表的磁感應(yīng)強度敏感，為保證霍爾器件，尤其是霍爾開關(guān)器件的可靠工作，因而必須令磁力線和器件外表垂直。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進(jìn)行多點檢測，由計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到場的分布狀態(tài)，并可對狹縫，小孔中的磁場進(jìn)行檢測。用磁場作為被傳感物體的運動和位置信息載體時，一般采用永久磁鋼來產(chǎn)生工作磁場。例如，用一個5X4X2.5 (mm3)的欽鐵硼11號磁鋼，就可在它的磁極外表上得到約2300高斯的磁感應(yīng)強度。在空氣隙中，磁感應(yīng)強度會隨距離增加而迅速下降。為保證霍爾開關(guān)器件的可靠工作，在應(yīng)用中要考慮有效工作氣隙的長度。在計算總有效工作氣隙時，應(yīng)從霍爾片外表算起。

22、在封裝好的霍爾電路中，霍爾片的深度在產(chǎn)品手冊中會給出. 因為霍爾器件需要工作電源，在作運動或位置傳感時，一般令磁體隨被檢測物體運動，將霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位浙江工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文置，用它去檢測工作磁場，再從檢測結(jié)果中提取被檢信息。水流檢測電路的結(jié)構(gòu)如圖2-11所示，由開關(guān)型霍爾器件、放大電路和光藕組成。當(dāng)沒有接通水源時，因磁鋼離霍爾器件有一定的距離，無法在霍爾器件上形成足夠的磁場強度，霍爾器件輸出高電平，三極管Q5截止，輸出控制信號為高電平，該控制信號經(jīng)或非門輸出低電平，切斷了加熱控制回路。當(dāng)接通水源時，磁鋼隨水流上升至霍爾器件位置，并在霍爾器件上形成足夠的磁場強度，此時，霍爾器

23、件輸出低電平，三極管導(dǎo)通，通過光藕輸出低電平的控制信號，此信號和單片機發(fā)出的低電平控制信號或非后，輸出高電平，接通了加熱控制回路。圖2-H 水流檢測電路.3輸出控制電路輸出控制電路如圖2-12所示，主要由光電禍合器MOC3023, TLP521 - 4、雙問可控硅Q8、繼電器和加熱管等器件組成。利用光藕隔離交直流信號，以保證由單片機輸出的信號與外部設(shè)備之間的電隔離。當(dāng)單片機發(fā)出的控制信號為高電平時，光藕導(dǎo)通，輸出低電平，繼電器導(dǎo)通，接通加熱控制回路。同時，單片機Pl. 6腳輸出移相控制信號，控制雙向可控硅的導(dǎo)通時間，以便調(diào)節(jié)輸出功率的大小。FUSE為加熱管內(nèi)的熱保險絲，當(dāng)管內(nèi)溫度大于1050C

24、，為防止干燒，熱保險絲將燒斷，切斷繼電器供電回路，同時加熱控制回路也將斷開，保證了平安使用。此時，單片機將檢測到Pl. 7引腳變?yōu)榈碗娖?，輸出干燒報警信號。圖2-12輸出控制電路加熱功率的控制主要采用雙向可控硅進(jìn)行調(diào)壓，和單向可控硅不同，雙向可控硅可用門極和MT1間的正向或負(fù)向電流觸發(fā)。(VAT, I，和1,的選擇原那么可以和單向可控硅相同)因而能在四個象限觸發(fā)，如圖2-12所示。 在負(fù)載電流過零時，門極用直流或單極性觸發(fā)，優(yōu)先采用負(fù)的門極電流，理由如下。假設(shè)運行在3+象限，由于雙向可控硅的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，門極離主載流區(qū)域較遠(yuǎn)，將會導(dǎo)致以下后果:高ICT-需要頂峰值IGc由工。觸發(fā)到負(fù)載電流開始流動

25、，兩者之間滯后時間較長要求工G維持較長時間。低得多得D,T/dt承受能力假設(shè)控制負(fù)載具有高d工/dt值，門極可能發(fā)生強烈退化。高I值(1一工況亦如此)對于很小得負(fù)載，假設(shè)在電源半周起始點導(dǎo)通，可能需要較長時間得工。，才能讓負(fù)載電流到達(dá)較高得工。在標(biāo)準(zhǔn)的AC相位控制電路中，門極和MT2的極性始終不變，這說明，工況總是在1+和3一象限，這里雙向可控硅的切換參數(shù)相同，門極此時最靈敏。因此，根據(jù)以上分析，在設(shè)計雙向可控硅觸發(fā)電路時，就要盡可能避開3象限。圖2-13雙向可控硅Vn特性曲線.4過零檢測電路過零檢測電路由NPN晶體管和電阻R22和R2。組成，用于檢測電源電壓波形的過零點，產(chǎn)生過零脈沖。由整流

26、電路輸出的的全波脈動直流電壓經(jīng)電阻R,:和R23分壓后，送入晶體管的基極。只要R_上的分壓值大于0. 7V,就會使NPN晶體管飽和導(dǎo)通。因此，當(dāng)交流電壓處于過零點時，NPN晶體管截止，輸出正脈沖信號，這個脈沖信號就是過零脈沖信號，經(jīng)整形電路整形后，產(chǎn)生IOms的負(fù)脈沖過零信號，它被送到單片機的中斷請求引腳工RQ，作為中斷請求信號，用于觸發(fā)可控硅進(jìn)行同步移相。.5鍵盤、顯示接口電路顯示接口電路由2個LED7段數(shù)碼顯示管、2個三極管和限流電阻組成。在軟件上采用動態(tài)輪流掃描方式，來控制數(shù)碼管的顯示。單片機的輸出端口PO口通過限流電阻與數(shù)碼管的陰極相連，用于控制7段數(shù)碼管的字形顯示。單片機的輸出引腳P

27、2. 0和P2. 1分別通過限流電阻和三極管與數(shù)碼管的陽極相連，用于向它們提供選通信號。當(dāng)端口輸出低電平時，相應(yīng)的三極管導(dǎo)通，從而使相應(yīng)的7段數(shù)碼管選通。當(dāng)端口輸出高電平時，相應(yīng)的三極管截止，從而使相應(yīng)的7段數(shù)碼管關(guān)閉。鍵盤接口電路由按鍵S1-S3組成，這3個按鍵分別接到單片機的輸入引腳PI. 2, PI. 3和Pl. 4,按鍵S1作為整個控制系統(tǒng)的啟/停鍵;按鍵S2, S3作為設(shè)定鍵，用于設(shè)置溫度的增減。當(dāng)按鍵未按下時，相應(yīng)的輸入引腳上只能檢測到高電平。而當(dāng)按鍵按下時，相應(yīng)的引腳上便會檢測到低電平。因此，通過軟件檢測輸入引腳上的電平值，便可檢測到是否有按鍵按下。.6單片機的選型系統(tǒng)采用ATM

28、EL公司生產(chǎn)的單片機AT89S52作為模糊處理的核心，該芯片是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元。AT89S52具有如下特點:40個引腳，8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM), 32個外部雙向輸入了輸出(v0)口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個

29、16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗(WDT)電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。.7隔電墻技術(shù)其實“隔電墻是一種簡稱，它確切的表述法應(yīng)是“水電阻衰減隔離法，在一般的印象中，水是一種導(dǎo)體，與電接觸是十分危險的。其實，任何物體都是有電阻的，因此在符合經(jīng)濟性原那么的前提下就可能被改造成符合人們需要的器具而造禍人類?！案綦妷?即水電阻衰減隔離法)就是利用了水本身所具有的電阻(如國標(biāo)規(guī)定在15時水的電阻應(yīng)大于13000 " cm)，通過對電熱水器內(nèi)通水管路材質(zhì)的選擇、管徑和距離確實定形成“隔電墻。當(dāng)電熱水器通電工作時，加熱內(nèi)膽中的水即使有電，也會在通過“隔電墻時被水本身的電阻衰減掉而到達(dá)將

30、電隔離的目的，在熱水器進(jìn)出水兩端到達(dá)幾乎為零的電壓和0. 02mA/kw以下的極微弱電流，大大優(yōu)于國標(biāo)0. 25mA/kw的標(biāo)準(zhǔn)。采用“隔電墻技術(shù)不僅可以阻隔電熱水器本身可能產(chǎn)生的漏電，也可以阻隔因地線帶電或水管帶電而對淋浴者帶來的平安威脅。所以熱水器采用“隔電墻技術(shù)可以充分保證人的洗浴平安。2.4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計即熱式電熱水器溫度控制系統(tǒng)程序是由MCS-51單片機匯編語言編寫，該軟件由主要由以下五個子模塊組成:1，數(shù)據(jù)采集模塊完成對出水溫度、內(nèi)膽溫度模擬量的模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波，存入相應(yīng)單元;2.鍵盤輸入模塊通過鍵盤設(shè)定加熱溫度的值;3. LED顯示模塊對出水溫度進(jìn)行實時顯

31、示，并在出現(xiàn)異常情況時，顯示錯誤代碼;4，控制模塊采用模糊控制器進(jìn)行控制，具體方法在第四章介紹;5.輸出驅(qū)動模塊對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行控制運算獲得控制強度后，輸出控制信號來控制雙向可控硅的導(dǎo)通角，以獲得預(yù)定的控制強度;單片機控制系統(tǒng)的整個程序由主程序、TO, T1定時中斷效勞程序、工NT1過零觸發(fā)中斷效勞程序(包括以上五個模塊)組成。在整個程序中使用了三個中斷，T0,T1定時中斷為內(nèi)部中斷，主要是為了控制采樣時間和控制雙向可控硅的導(dǎo)通時間。INT1中斷主要是為了檢測過零信號而設(shè)的外部中斷，每檢測到一個過零信號，就產(chǎn)生一個中斷請求。2.4.1主程序在主程序中，首先考慮的是初始化的問題。在此，包括單片機的

32、初始化、定時器、外部中斷及數(shù)據(jù)單元的初始化等。為保證系統(tǒng)正常運行，TO中斷效勞程序的運行時間必須小于采樣時間，采樣時間設(shè)計為0. 5s, 當(dāng)程序開始執(zhí)行后，系統(tǒng)的工作便進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)。主程序的流程圖如圖2-14所示圖2-14主程序流程圖2.4.2 TO, T1中斷效勞程序TO中斷效勞程序用于等待DS 18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換所需的時間。T1中斷效勞程序用于控制雙向可控硅觸發(fā)脈沖的延時時間。TO定時/計數(shù)器的初值由DS18B20的延時時間以及TO溢出中斷次數(shù)來決定。因為本設(shè)計中時鐘頻率為12MHz，即使采用16位的定時方式，也無法實現(xiàn)0. 16s的定時，故必須在硬件定時的根底上再用浙江工業(yè)大學(xué)工程碩

33、士學(xué)位論文軟件計數(shù)的方式來完成。先在定時器中設(shè)計一個時間常數(shù)，使其每隔20ms產(chǎn)生一次溢出中斷，CPU響應(yīng)中斷后將R7中計數(shù)值加一，當(dāng)R7中內(nèi)容為8時，即可實現(xiàn)0. 16s的定時。時間常數(shù)確實定方法為:機器周期=12令晶振頻率=lo-Is需設(shè)定初值為X，那么X=65536-20000=45536轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制:X=OBIEOH，故初值為THO=0BIH, TL1=0EOH2.4.4數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計數(shù)據(jù)采集模塊，其框圖如圖2-15、圖2-16所示。在一次采集中，對二個通道連續(xù)各采集3次數(shù)據(jù)，經(jīng)DS18B20轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后并經(jīng)過數(shù)字中值濾波消除干擾后，存入相應(yīng)存放器， 再送入CPU中進(jìn)行處理。2.

34、4.5鍵盤、顯示模塊設(shè)計由于不同的季節(jié)對熱水的溫度有不同的要求，因此即熱式電熱水器的出水溫度可通過鍵盤來設(shè)置適宜的數(shù)值。根據(jù)功能設(shè)置了三個鍵，分別為開關(guān)鍵、溫度增加鍵和減少鍵。在軟件設(shè)計上主要采用掃描來檢測有無鍵按下，當(dāng)檢測到低電平時，調(diào)用一段延時來消除抖動，防止誤觸發(fā)。其框圖如圖2-17所示。顯示局部主要用于實時顯示出水口溫度的值，并能在出現(xiàn)異常情況時，顯示錯誤代碼。數(shù)據(jù)每更新一次，與采樣的時間間隔相同。其流程圖如圖2-18所示。 圖2-15溫度讀取子程序 圖2-16數(shù)據(jù)采集子程序 第三章：模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計3.1根本模糊控制器的設(shè)汁3量化因子和比例因子的選取3-1模糊控制系統(tǒng)示意圖在3-1

35、中，e和e。分別是誤差和誤差變化率的實際值，為使這些確定的值模糊化，采用量化因子kl和k2: kl將e量化為E, k2將ec量化為EC;量化時必須注意兩點:1.如果誤差值和誤差變化的實際值不是整數(shù)，可以把它們歸入最接近的整數(shù)，一般采用四舍五入法。2.在實際控制系統(tǒng)中，如果輸入變量的變化范圍不在-6,+6，那么應(yīng)通過式(3-1)進(jìn)行變換，設(shè)根本論域為a, b，模糊論域為-6,+6;式中x是輸入，其變化范圍在a,b之間，Y那么是相應(yīng)的模糊論域的值，變化范圍為-6,+6._為了使各語言值的隸屬函數(shù)更合理，可根據(jù)實際情況及經(jīng)驗進(jìn)行修正口每次采樣經(jīng)模糊控制算法給出的控制量(精確量)，還不能直接控制對象，

36、還必須通過式(4-2)將其轉(zhuǎn)換到為控制對象所能接受的根本論域中去U=k3 X u* (3一2)其中k3就是比例因子3輸入、輸出論域與語言變量的選取在本溫度控制系統(tǒng)中，設(shè)溫度設(shè)定點的溫度為T，采樣溫度即實際溫度為Ts,那么溫度偏差為:de-T -Ts,溫度偏差的變化量為:Lec=Le。一en-1由于即熱式電熱水器的水溫變化范圍還是比擬大，所以e的根本論域經(jīng)過反復(fù)實驗，確定為一15, 15, Dec確定為-6, +6，而e, De c, u的模糊論域均為-616，故需通過式3-1對。進(jìn)行變換歸入到模糊論域的取值范圍中，其變換如表3-1所示。誤差量、誤差變化率和控制量的語言值那么分為7檔負(fù)大、負(fù)中、

37、負(fù)小、零、正小、正中、正大，語言值的隸屬函數(shù)為梯形函數(shù)，其辭義如表3-2、表3-3、表3-4所示。 _在本控制器中，為了獲得較好的上升段特性和改善控制器的動態(tài)品質(zhì)，對模糊控制器的輸出量作分段選擇，即在偏差正大時，以控制量的絕對量輸出，而當(dāng)偏差為正中、正小或負(fù)時，那么仍以控制量的增量為輸出。3采樣時間的選擇假設(shè)對象模型是帶有時滯的一階慣性環(huán)節(jié)，工程上可用式(4-3)近似，即根據(jù)實測數(shù)據(jù)，作出如圖3-2所示的階躍響應(yīng)曲線。圖3-2階躍響應(yīng)曲線在該曲線上變化最快處作切線，與x軸交于B點，交穩(wěn)態(tài)值的漸進(jìn)線Y(-)于A點，A點在X軸的投影為C點，那么OB為過程容量滯后時間T，BC為過程的時間常數(shù)To，此

38、處分別為5s和12s,選擇采樣時間問題是計算機控制中的共性問題，模糊控制也屬于計算機控制的一種類型，固此對模糊控制而言，也有合理地選擇采樣時間的問題。在此范圍內(nèi)，采樣周期越小，就越接近連續(xù)控制，但采樣周期小，控制器占用計算機的時間就長，增加了系統(tǒng)的本錢。因此采樣時間的選擇還要綜合考慮各方面因素,采取擇中的方法.這些因素主要有:1.保證計算機在一個采樣周期內(nèi)完成所需操作在一個采樣周期內(nèi)，計算機要采集A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，數(shù)字濾波，進(jìn)行各種運算，輸出控制量，顯示，啟動A/D轉(zhuǎn)換器，處理其它中斷等。2保證有用信號不失真1)香農(nóng)(Shannon)采樣定理給出了選擇采樣周期的上限，即 式中Wm。為采樣信號的上

39、限角頻率。簡單的說，采樣頻率應(yīng)不低于有用信號頻率的兩倍。實際上，工程上采樣頻率取有用信號頻率的4-10倍。2)采樣頻率的選取還與所用設(shè)計方法有關(guān)。采用直接數(shù)字設(shè)計方法，可以選用較大的采樣周期。但是采用模擬一離散設(shè)計方法，要求采樣周期小即使在模擬一離散設(shè)計方法中，不同的離散化方法，對采樣頻率的要求也不同,塔斯廷法允許采樣周期大一些，而其它幾種離散化方法必須采樣較小的采樣周期。3.要保證執(zhí)行機構(gòu)完成必要的動作從執(zhí)行機構(gòu)來看，有時要求輸出信號保持一定的時間，因為執(zhí)行機構(gòu)本身有個響應(yīng)過程，從這一點來看，采樣時間必須大于執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)時問;4.應(yīng)保證控制器對擾動作出及時的反響如果控制器的采樣周期長，而擾

40、動頻率較高，那么控制器就不能及時檢測到擾動信號，從而發(fā)出控制信號，所以從控制系統(tǒng)隨動以及抗干擾的性能要求方面來看，希望采樣時間短些為好.5. 對象的動態(tài)特性當(dāng)系統(tǒng)中純滯后時間7占有一定分量時，應(yīng)該選擇T-T11仇當(dāng)系統(tǒng)中純滯后時間i占主導(dǎo)作用時，可選擇T-下。綜上所述，將本系統(tǒng)的采樣時間定為0.5s243.3.2模糊合成推理算法及調(diào)整決策矩陣由模糊控制器的結(jié)構(gòu)可知，它屬于二維輸入單輸出的模糊控制系統(tǒng)，輸入分別為E和EC，而輸出為控制量U，在獲得了調(diào)整規(guī)那么模型后，接下來的工作即是根據(jù)模糊理論進(jìn)行算法合成，求得相應(yīng)的控制表。3合成推理算法對于二維輸入(E, EC)單輸出(U)的模糊控制系統(tǒng)，其控

41、制規(guī)那么一般可寫成如下語言推理形式:if E=E; and EC=ECj then Up=Upy (4-4)i=1,2. mj=1,2. n其中E;、Ecj. Upi,分別是定義在E. EC. Up上的模糊集，式(4-4)一般可用一個E; X EC1到Upy的模糊關(guān)系R來描述，即根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論，"X運算的含義由下式定義如果偏差和偏差變化率分別取E和EC，那么模糊控制器給出的控制量的變化由模糊推理合成規(guī)那么算出: 因此，根據(jù)所得Up的模糊規(guī)那么就可按式(4-5)、式(4一6)把相應(yīng)的模糊關(guān)系R求出來，反之假設(shè)系統(tǒng)的模糊關(guān)系R為時，就可根據(jù)輸入E和EC利用式(4-7)和式(4-8)求出

42、Up的調(diào)整表。3控制規(guī)那么和模糊控制查詢表的形成根據(jù)幾個月調(diào)試即熱式電熱水器的經(jīng)驗，可以得出如下控制規(guī)那么:(1)如果“偏差是“正大，不管“偏差變化如何變化，那么控制輸出量為“正大;(IF E=PB or E-PM then U=PB )(2)如果“偏差是“正小或“零，且“偏差變化是“正大或“正中那么控制輸出量為“負(fù)小，;.(IF E=PS or E=O EC=PB or EC=PM then U=NS )(3)如果“偏差是“零，且“偏差變化是“負(fù)中或“負(fù)大那么控制輸出量為“正中:(IF E=O EC=NM or EC N B then U=PM)浙江工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文(4)如果“偏差是

43、“零，且“偏差變化是“負(fù)小那么控制輸出量為“正小氣(IF E=O and EC=NS then U=PS)(5)如果“偏差是“正小，且“偏差變化是“正中或“正大那么控制輸出量為“負(fù)小、(IF E=PS and EC=PM or EC=PB then U=NS )(6)如果“偏差是“零或“正小，且“偏差變化是“負(fù)中或“負(fù)大那么控制輸出量為“正中;(1F E=O or E=PS and EC=NM or EC=NB then U=PM)(7)如果“偏差是“零，且“偏差變化是“零那么控制輸出量不變;(IF E=O and EC=O then U=O )(8)如果“偏差是“負(fù)小，且“偏差變化是“負(fù)小那

44、么控制輸出量不變;(IF E=NS and EC=NS then U=0)(9)如果“偏差是“正小，且“偏差變化是“正小那么控制輸出量不變;(IF E=NS and EC-NS then U=O )(10)如果“偏差是“負(fù)小，且“偏差變化是“零或“正小那么控制輸出量為“正小:(IF E=NS and EC=NS or EC=O then U=PS)(11) 如果“偏差是“零，且“偏差變化是“負(fù)大或“負(fù)中那么控制輸出量為“正中:(IF E=O and EC=NM or EC=NB then U=PM)(12)如果“偏差是“負(fù)中，且“偏差變化是“正小那么控制輸出量為“負(fù)大，;(IF E= NM a

45、nd EC=PS then U=NB )(13)如果“偏差是“負(fù)大，且“偏差變化是“正值那么控制輸出量為“負(fù)大:(IF E=NB and EC=PS or EC=PM or EC=PB then U=NB )(14)如果“偏差是“負(fù)中，且“偏差變化是“負(fù)大或“負(fù)中，那么控制輸出量為“負(fù)中氣(IF E=O and EC=NM or EC=NB then U=NM )浙江工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文(15)如果“偏差是“負(fù)小，且“偏差變化是“正大或“正中，那么控制輸出量為“負(fù)中，;(IF E二二NS and EC=PB or EC=PM then U=NM)(16)如果“偏差是“零，且“偏差變化是“正

46、值，那么控制輸出量為“負(fù)小;(IF E=O and EC=PS or EC=PM or EC=PB then U=NS )(17)如果“偏差是“正小，且“偏差變化是“零或“正小，那么控制輸出量為“正小(IF E=PS and EC=PS or EC=O then U=PS )(18)如果“偏差是“負(fù)中或“負(fù)大，且“偏差變化是“負(fù)中或“負(fù)大，那么控制輸出量為“正小;(IF E=NM or E=NB and EC=NM or EC=NB then U=PS )根據(jù)上列模糊控制規(guī)那么，可以歸納為表4-5所示的控制規(guī)那么表(19)如果“偏差是“負(fù)中，且“偏差變化是“零或“負(fù)小，那么控制輸出量為“負(fù)小;(IF E=NM and EC=O or EC=NS then U=NS)(20)如果“偏差是“負(fù)大，且“偏差變化是“零或“負(fù)小，那么控制輸出量為“負(fù)中(IF E=NB and EC=O or EC=NS thenU=N M)3模糊關(guān)系R的求取由式(3-9)可以得到模糊集玩，將玩改成耳形式，即將D、的第一行元素按列的次序?qū)懴潞?，再將第二行的元素接著往下寫，其他行類推?控制參數(shù)的解模糊判決通過以上模糊推理得到的結(jié)