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

1、 PAGE56 / NUMPAGES56摘 要居室溫濕度控制系統(tǒng)是以居室的溫濕度為輸入量，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、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

2、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、鍵盤控制、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 humidit

3、y-control device (such as 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

4、room. According to the temperature and humidity nonlinearvariation 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 coll

5、ecting , with the core of 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

6、the function of signal collecting 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 me

7、asures of MCU system are 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-hum

8、idity control fuzzy control Atmega16 GAL SHT11目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc265231640摘 要 PAGEREF _Toc265231640 h 1HYPERLINK l _Toc265231641Abstract PAGEREF _Toc265231641 h 2HYPERLINK l _Toc265231642目錄 PAGEREF _Toc265231642 h 3HYPERLINK l _Toc265231643第一章 緒論 PAGEREF _Toc265231643 h 5HYPERLINK l

9、_Toc2652316441.1課題背景介紹 PAGEREF _Toc265231644 h 5HYPERLINK l _Toc2652316451.2 論文研究的目的與意義 PAGEREF _Toc265231645 h 5HYPERLINK l _Toc2652316461.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡介 PAGEREF _Toc265231646 h 5HYPERLINK l _Toc2652316471.3.1 設(shè)計(jì)要求 PAGEREF _Toc265231647 h 5HYPERLINK l _Toc2652316481.3.2 功能簡介 PAGEREF _Toc265231648 h 6HYPE

10、RLINK l _Toc265231649第二章 系統(tǒng)分析 PAGEREF _Toc265231649 h 7HYPERLINK l _Toc2652316502.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 PAGEREF _Toc265231650 h 7HYPERLINK l _Toc2652316512.2 可行性分析 PAGEREF _Toc265231651 h 7HYPERLINK l _Toc2652316522.3 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)以與說明 PAGEREF _Toc265231652 h 8HYPERLINK l _Toc265231653第三章 模糊控制理論 PAGEREF _Toc265231653

11、 h 9HYPERLINK l _Toc2652316543.1 空氣溫濕度解耦理論依據(jù) PAGEREF _Toc265231654 h 9HYPERLINK l _Toc2652316553.2模糊控制特點(diǎn) PAGEREF _Toc265231655 h 10HYPERLINK l _Toc2652316563.3模糊控制的基本原理 PAGEREF _Toc265231656 h 10HYPERLINK l _Toc2652316573.4模糊控制系統(tǒng)的組成 PAGEREF _Toc265231657 h 11HYPERLINK l _Toc2652316583.5本溫室溫濕度模糊解耦控制算

12、法的實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc265231658 h 12HYPERLINK l _Toc2652316593.5.1溫濕度模糊解耦器設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc265231659 h 12HYPERLINK l _Toc2652316603.5.2清晰化處理 PAGEREF _Toc265231660 h 17HYPERLINK l _Toc2652316613.5.3溫濕度模糊控制 PAGEREF _Toc265231661 h 20HYPERLINK l _Toc265231662第四章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc265231662 h 23HYPERLINK l

13、_Toc2652316634.1系統(tǒng)硬件方案 PAGEREF _Toc265231663 h 23HYPERLINK l _Toc2652316644.2單片機(jī)芯片的選用 PAGEREF _Toc265231664 h 24HYPERLINK l _Toc2652316654.3電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc265231665 h 25HYPERLINK l _Toc2652316664.4鍵盤控制電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc265231666 h 25HYPERLINK l _Toc2652316674.5顯示電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc265231667 h 26

14、HYPERLINK l _Toc2652316684.6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc265231668 h 27HYPERLINK l _Toc2652316694.6.1步進(jìn)電機(jī)控制原理 PAGEREF _Toc265231669 h 28HYPERLINK l _Toc2652316704.6.2 GAL脈沖分配器 PAGEREF _Toc265231670 h 30HYPERLINK l _Toc2652316714.6.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路 PAGEREF _Toc265231671 h 31HYPERLINK l _Toc2652316724.7傳感器模塊的

15、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc265231672 h 32HYPERLINK l _Toc2652316734.7.1 溫濕度傳感器的選擇 PAGEREF _Toc265231673 h 32HYPERLINK l _Toc2652316744.7.2 SHT11(溫濕度傳感器)傳感器描述 PAGEREF _Toc265231674 h 33HYPERLINK l _Toc2652316754.7.3 SHT11工作時(shí)序 PAGEREF _Toc265231675 h 34HYPERLINK l _Toc2652316764.7.4 SHT11與單片機(jī)的連接 PAGEREF _Toc26

16、5231676 h 35HYPERLINK l _Toc2652316774.7.5濕度線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償 PAGEREF _Toc265231677 h 36HYPERLINK l _Toc2652316784.7.6 溫度值輸出 PAGEREF _Toc265231678 h 37HYPERLINK l _Toc2652316794.7.7露點(diǎn)計(jì)算 PAGEREF _Toc265231679 h 37HYPERLINK l _Toc2652316804.8 參數(shù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc265231680 h 38HYPERLINK l _Toc2652316814.8.1 總

17、線 PAGEREF _Toc265231681 h 38HYPERLINK l _Toc2652316824.8.2參數(shù)存儲(chǔ)芯片AT24C02 PAGEREF _Toc265231682 h 40HYPERLINK l _Toc2652316834.9通信接口與聲光報(bào)警電路 PAGEREF _Toc265231683 h 41HYPERLINK l _Toc265231684第五章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc265231684 h 43HYPERLINK l _Toc2652316855.1初始化程序 PAGEREF _Toc265231685 h 43HYPERLINK

18、l _Toc2652316865.2 按鍵處理模塊 PAGEREF _Toc265231686 h 44HYPERLINK l _Toc2652316875.3 顯示模塊 PAGEREF _Toc265231687 h 45HYPERLINK l _Toc2652316885.4 模糊控制模塊 PAGEREF _Toc265231688 h 46HYPERLINK l _Toc2652316895.5 溫濕度測量模塊 PAGEREF _Toc265231689 h 47HYPERLINK l _Toc265231690第六章 系統(tǒng)抗干擾技術(shù) PAGEREF _Toc265231690 h 49

19、HYPERLINK l _Toc2652316916.1 硬件抗干擾技術(shù) PAGEREF _Toc265231691 h 49HYPERLINK l _Toc2652316926.2 軟件抗干擾技術(shù) PAGEREF _Toc265231692 h 50HYPERLINK l _Toc265231693第七章 系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc265231693 h 51HYPERLINK l _Toc265231694總結(jié) PAGEREF _Toc265231694 h 54HYPERLINK l _Toc265231695參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc265231695 h 55HYPE

20、RLINK l _Toc265231696致 PAGEREF _Toc265231696 h 58第一章 緒論1.1課題背景介紹溫濕度的測控在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活與科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用，諸如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中蔬菜大棚溫濕度測控，糧倉中的溫濕度測控以與發(fā)電廠，電力部門等都需要溫濕度測控。由于常用的溫濕度傳感器的非線性輸出，使溫濕度的測量方法和手段相對(duì)比較復(fù)雜，也給電路的調(diào)試增加了難度；為此，采用一體化集成溫濕度傳感器有利于提高測控系統(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h(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量；實(shí)現(xiàn)基于At

21、mega16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、濕度比較敏感的場合提供準(zhǔn)確的溫度、濕度信息，還可以用于糧庫、機(jī)房等場所。能夠創(chuàng)造一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。2、通過對(duì)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來學(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)以與數(shù)碼管的顯示原理，達(dá)到進(jìn)一步鞏固平時(shí)所學(xué)的專業(yè)知識(shí)。3、將所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)踐相結(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。 2、能判斷檢測的信號(hào)是否越界，在設(shè)計(jì)程序過程中，考慮到檢

22、測的信號(hào)在低于或高于設(shè)定溫濕度的圍時(shí)應(yīng)做些什么。 3、通過監(jiān)控主機(jī)或 PC來實(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、溫度測量圍：-40123.8， 精度： +0.4； 濕度測量圍：0%RH100%RH， 精度： +3%RH； 響應(yīng)時(shí)間：t 95 %RH) 環(huán)境中，加熱傳感器可預(yù)防傳感器結(jié)露，同時(shí)縮短響應(yīng)時(shí)間，提高精度。加熱后SHT11溫度升高、相對(duì)濕度降低，較加熱前，測量值會(huì)略有差異。圖4-10 SHT11部結(jié)構(gòu)框圖微處理器是通過二線串行數(shù)字接口與 SHT11 進(jìn)行通信的。通信協(xié)議與通用的總線協(xié)議是不兼容的，因此需要用通用微處理器I/

23、O口模擬該通信序。微處理器對(duì)SHT11的控制是通過5個(gè) 5位命令代碼來實(shí)現(xiàn)的，命令代碼的含義如下表所列。表4-2 SHT11命令代碼命令代碼含義00011測量溫度00101測量濕度00111讀部狀態(tài)寄存器00110寫部狀態(tài)寄存器11110復(fù)位命令，使部寄存器恢復(fù)默認(rèn)值，下次命令前至少等待11ms其他保留SHT11溫濕度傳感器采用SMD(LCC)表面貼片封裝形式， 接口非常簡單，引腳名稱與排列順序如下圖所示。各引腳的功能如下：腳1 和4 ：信號(hào)地和電源，其工作電壓圍是2.45.5 V；腳2和腳3：二線串行數(shù)字接口，其中DATA為數(shù)據(jù)線， SCK為時(shí)鐘線； 腳5腳8：未連接。 圖4-11 SHT1

24、1 HYPERLINK l _Toc170315657 4.7.3 SHT11工作時(shí)序首先對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行初始化來啟動(dòng)SHT11測量時(shí)序，即在第一個(gè)SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，并在第二個(gè)SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA翻轉(zhuǎn)為高電平。SHT11測量命令包含3個(gè)地址位和5個(gè)命令位 (其中溫度測量代碼為00011，濕度測量代碼為00101)。單片機(jī)發(fā)布一組 8 bit測量命令 (如00000101，即濕度測量 )后，DATA在第 8個(gè) SCK時(shí)鐘的下降沿被置為低電平。再發(fā)送第9個(gè) SCK時(shí)鐘作為命令確認(rèn)，DA2T A在其下降沿之后，恢復(fù)為高電平。同時(shí)，單片機(jī)可以暫時(shí)停止發(fā)送時(shí)鐘序列以進(jìn)入空閑

25、模式，準(zhǔn)備讀取測量數(shù)據(jù)。SHT11在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將DATA置為低電平，單片機(jī)繼續(xù)發(fā)出時(shí)鐘序列，來讀取 2個(gè) 8 Byte的測量數(shù)據(jù)和 1個(gè) 8 Byte的 CRC奇偶校驗(yàn)。所有的數(shù)據(jù)從 MS B 開始，右值有效(例如：對(duì)于 12 bit數(shù)據(jù) ，從第 5個(gè) SCK時(shí)鐘起算作 MS B；對(duì)于 8 bit數(shù)據(jù) ，首字節(jié)無意義 )。其中，在每個(gè)字節(jié)傳輸結(jié)束之后，都要發(fā)出一個(gè)時(shí)鐘高電平 ACK，并將 DATA置為低電平，以確認(rèn)讀取成功。當(dāng)然，如果不使用 CRC2 8校驗(yàn)，控制器可以在讀取測量值LS B后，通過保持確認(rèn)位ACK高電平，來中止數(shù)據(jù)傳輸。在測量和傳輸結(jié)束后，SHT11自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式。SHT1

26、1的工作時(shí)序如下圖所示。圖4-12 SHT11的工作時(shí)序 HYPERLINK l _Toc170315658 4.7.4 SHT11與單片機(jī)的連接SHT11通過兩線串行接口電路與單片機(jī)連接 ，具體電路如圖4-12所示。其中，串行時(shí)鐘輸入線SCK用于單片機(jī)控制器與 SHT11之間的通信同步。串行數(shù)據(jù)線 DAT A用于部數(shù)據(jù)的輸出和外部數(shù)據(jù)的輸入。DAT A在 SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài) ，并僅在 SCK時(shí)鐘上升沿后有效。因此單片機(jī)可以在 SCK高電平時(shí)讀取數(shù)據(jù) ，而當(dāng)其向SHT11發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) ，在 SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài) ，同時(shí)保證 DAT A線上的電平狀態(tài)在 SCK高電平段穩(wěn)定。其程序

27、流程圖見第五章。圖4-13 SHT11與單片機(jī)的連接 HYPERLINK l _Toc170315660 4.7.5濕度線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償SHT11 可通過 DATA 數(shù)據(jù)總線直接輸出數(shù)字量濕度值。該濕度值稱為 “相對(duì)濕度”，需要進(jìn)行線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償后才能得到較為準(zhǔn)確的濕度值。由于相對(duì)濕度數(shù)字輸出特性呈一定的非線性，因此為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性，可按下式修正濕度值： （4-1）式中：為經(jīng)過線性補(bǔ)償后的濕度值，為相對(duì)濕度測量值，、 、 為線性補(bǔ)償系數(shù)，取值如表4-5 所列。由于溫度對(duì)濕度的影響十分明顯，而實(shí)際溫度和測試參考溫度25 有所不同，所以對(duì)線性補(bǔ)償后的濕度值進(jìn)行溫度補(bǔ)償很有必要。補(bǔ)償

28、公式如下： （4-2）式中：RHture為經(jīng)過線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償后的濕度值，T為測試濕度值時(shí)的溫度( ) ， 和 為溫度補(bǔ)償系數(shù)，取值如表4-6所列。表4-3濕度線性補(bǔ)償系數(shù)SOrhC1C2C312位-40.04052. 8 10 - 68位-40.648- 7. 2 10 - 4表4-4溫度線性補(bǔ)償系數(shù)SOrht1t212位0.010.000088位0.010.001284.7.6 溫度值輸出由于SHT11是采用 PTAT 能隙材料制成的溫度敏感元件，因而具有很好的線性輸出。實(shí)際溫度值可由下式算得： （4-3） 式中： 和 為特定系數(shù)， 的取值與 SHT11 工作電壓有關(guān)， 的取值則與 SH

29、T11 部 A/ D 轉(zhuǎn)換器采用的分辨率有關(guān)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系分別如表3-6 和表3-7所列。表4-5 d1對(duì)應(yīng)關(guān)系表4-6 d2對(duì)應(yīng)關(guān)系V DD/ Vd1 / d1 / F5- 40. 00- 40. 004- 39. 75- 39. 503.5- 39. 66- 39. 353- 39. 60- 39. 282.5- 39. 55- 39. 23SOTd2 / d2 /F14位0.010.01812位0.040.072 HYPERLINK l _Toc170315661 4.7.7露點(diǎn)計(jì)算露點(diǎn)是一個(gè)特殊的溫度值，是空氣保持某一定濕度必須達(dá)到的最低溫度。當(dāng)空氣的溫度低于露點(diǎn)時(shí)，空氣容納不了過多的水

30、分，這些水分會(huì)變成霧、 露水或霜。露點(diǎn)可以根據(jù)當(dāng)前相對(duì)濕度值和溫度值計(jì)算得出， 具體的計(jì)算公式如下： （4-4） （4-5）式中： 為當(dāng)前溫度值，為相對(duì)濕度值，為露點(diǎn)值。4.8 參數(shù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)4.8.1總線總線是一種用于IC器件之間連接的二線制總線，它通過SDA(串行數(shù)據(jù)線)與SCL(串行時(shí)鐘線)兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識(shí)別每個(gè)器件：不管是單片機(jī)、存儲(chǔ)器、LCD驅(qū)動(dòng)器還是鍵盤接口。1、總線的基本結(jié)構(gòu)采用總線標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)或IC器件，其部不僅有接口電路，而且將部各單元電路按功能劃分為若干相對(duì)獨(dú)立的模塊，通過軟件尋址實(shí)現(xiàn)片選，減少了器件片選線的連接。CPU不僅能通過指令將某

31、個(gè)功能單元電路掛靠或摘離總線，還可對(duì)該單元的工作狀況進(jìn)行檢測，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件系統(tǒng)的既簡單又靈活的擴(kuò)展與控制?？偩€接口電路結(jié)構(gòu)如圖4-14所示。圖4-14 總線接口電路結(jié)構(gòu)2、雙向傳輸?shù)慕涌谔匦詡鹘y(tǒng)的單片機(jī)串行接口的發(fā)送和接收一般都各用一條線，如AVR系列的TXD和RXD，而總線則根據(jù)器件的功能通過軟件程序使其可工作于發(fā)送或接收方式。當(dāng)某個(gè)器件向總線上發(fā)送信息時(shí)，它就是發(fā)送器(也叫主器件)，而當(dāng)其從總線上接收信息時(shí)，又成為接收器(也叫從器件)。主器件用于啟動(dòng)總線上傳送數(shù)據(jù)并產(chǎn)生時(shí)鐘以開放傳送的器件，此時(shí)任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件?？偩€的控制完全由掛接在總線上的主器件送出的地址和數(shù)據(jù)決定。在

32、總線上，既沒有中心機(jī)，也沒有優(yōu)先機(jī)?？偩€上主和從(即發(fā)送和接收)的關(guān)系不是一成不變的，而是取決于此時(shí)數(shù)據(jù)傳送的方向。SDA和SCL均為雙向I/O線，通過上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線都是高電平。連接總線的器件的輸出級(jí)必須是集電極或漏極開路?？偩€的數(shù)據(jù)傳送速率在標(biāo)準(zhǔn)工作方式下為100kbit/s此，在快速方式下，最高傳送速率可達(dá)400kbit/s。3、總線上的時(shí)鐘信號(hào)在總線上傳送信息時(shí)的時(shí)鐘同步信號(hào)是由掛接在SCL時(shí)鐘線上的所有器件的邏輯“與”完成的。SCL線上由高電平到低電平的跳變將影響到這些器件，一旦某個(gè)器件的時(shí)鐘信號(hào)下跳為低電平，將使SCL線一直保持低電平，使SCL線上的所有器件開

33、始低電平周期。此時(shí)，低電平周期短的器件的時(shí)鐘由低至高的跳變并不能影響SCL線的狀態(tài)，于是這些器件將進(jìn)入高電平等待的狀態(tài)。4、數(shù)據(jù)的傳送在數(shù)據(jù)傳送過程中，必須確認(rèn)數(shù)據(jù)傳送的開始和結(jié)束。在總線技術(shù)規(guī)中，開始和結(jié)束信號(hào)(也稱啟動(dòng)和停止信號(hào))的定義如圖4-15所示。當(dāng)時(shí)鐘線SCL為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線SDA由高電平跳變?yōu)榈碗娖蕉x為“開始”信號(hào);當(dāng)SCL線為高電平時(shí)，SDA線發(fā)生低電平到高電平的跳變?yōu)椤敖Y(jié)束”信號(hào)。開始和結(jié)束信號(hào)都是由主器件產(chǎn)生。在開始信號(hào)以后，總線即被認(rèn)為處于忙狀態(tài);在結(jié)束信號(hào)以后的一段時(shí)間，總線被認(rèn)為是空閑的。圖4-15 總線開始和結(jié)束信號(hào)總線的數(shù)據(jù)傳送格式是：在總線開始信號(hào)后，送出的

34、第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)是用來選擇從器件地址的，其中前7位為地址碼，第8位為方向位(R/W)。方向位為“0”表示發(fā)送，即主器件把信息寫到所選擇的從器件；方向位為“1”表示主器件將從從器件讀信息。開始信號(hào)后，系統(tǒng)中的各個(gè)器件將自己的地址和主器件送到總線上的地址進(jìn)行比較，如果與主器件發(fā)送到總線上的地址一致，則該器件即為被主器件尋址的器件，其接收信息還是發(fā)送信息則由第8位(R/W)確定。在總線上每次傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)不限，但每一個(gè)字節(jié)必須為8位，而且每個(gè)傳送的字節(jié)后面必須跟一個(gè)認(rèn)可位(第9位)，也叫應(yīng)答位(ACK)。每次都是先傳最高位，通常從器件在接收到每個(gè)字節(jié)后都會(huì)作出響應(yīng)，即釋放SCL線返回高電平，準(zhǔn)備接收

35、下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，主器件可繼續(xù)傳送。如果從器件正在處理一個(gè)實(shí)時(shí)事件而不能接收數(shù)據(jù)時(shí)，(例如正在處理一個(gè)部中斷，在這個(gè)中斷處理完之前就不能接收總線上的數(shù)據(jù)字節(jié))可以使時(shí)鐘SCL線保持低電平，從器件必須使SDA保持高電平，此時(shí)主器件產(chǎn)生1個(gè)結(jié)束信號(hào)，使傳送異常結(jié)束，迫使主器件處于等待狀態(tài)。當(dāng)從器件處理完畢時(shí)將釋放SCL線，主器件繼續(xù)傳送。當(dāng)主器件發(fā)送完一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后，接著發(fā)出對(duì)應(yīng)于SCL線上的一個(gè)時(shí)鐘(ACK)認(rèn)可位，在此時(shí)鐘主器件釋放SDA線，一個(gè)字節(jié)傳送結(jié)束，而從器件的響應(yīng)信號(hào)將SDA線拉成低電平，使SDA在該時(shí)鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。從器件的響應(yīng)信號(hào)結(jié)束后，SDA線返回高電平，進(jìn)入下一

36、個(gè)傳送周期?？偩€還具有廣播呼叫地址用于尋址總線上所有器件的功能。若一個(gè)器件不需要廣播呼叫尋址中所提供的任何數(shù)據(jù)，則可以忽略該地址不作響應(yīng)。如果該器件需要廣播呼叫尋址中提供的數(shù)據(jù)，則應(yīng)對(duì)地址作出響應(yīng)，其表現(xiàn)為一個(gè)接收器。5、總線接口器件目前在視頻處理、移動(dòng)通信等領(lǐng)域采用總線接口器件己經(jīng)比較普遍。另外，通用的總線接口器件，如帶總線的單片機(jī)、RAM、ROM、A/D、D/A、LCD驅(qū)動(dòng)器等器件，也越來越多地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)與自動(dòng)控制系統(tǒng)中。4.8.2參數(shù)存儲(chǔ)芯片AT24C02AT24C02是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是含2568位存儲(chǔ)空間，具有工作電壓寬(2.55.5V)、擦寫

37、次數(shù)多(大于10000次)、寫入速度快(小于10ms)等特點(diǎn)。圖4-16中AT24C02的1、2、3腳是三條地址線，用于確定芯片的硬件地址。在系統(tǒng)主板上它們都接地，第8腳和第4腳分別為正、負(fù)電源。第5腳SDA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出，數(shù)據(jù)通過這條雙向總線串行傳送，在系統(tǒng)主板上上和單片機(jī)的SDA連接。第6腳SCL為串行時(shí)鐘輸入線，在系統(tǒng)主板上和單片機(jī)的SCL連接。SDA和SCL都需要和正電源間各接一個(gè)10K的電阻上拉。第7腳需要接地。AT24C02中帶有片地址寄存器。每寫入或讀出一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，該地址寄存器自動(dòng)加1，以實(shí)現(xiàn)對(duì)下一個(gè)存儲(chǔ)單元的讀寫。所有字節(jié)均以單一操作方式讀取。為降低總的寫入時(shí)間，一次

38、操作可寫入多達(dá)8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。圖4-16 AT24C02接口電路4.9通信接口與聲光報(bào)警電路1、通信接口電路通信接口采用單片機(jī)的全雙工異步串行接口，用于軟件的升級(jí)和聯(lián)機(jī)通訊。接口電路如圖4-17所示。接口芯片采用MAXIM公司的MAX232C芯片。圖4-17 RS-232接口電路2、聲光報(bào)警電路系統(tǒng)提供了溫濕度上下限報(bào)苦、時(shí)間超限報(bào)警、系統(tǒng)異常報(bào)警。報(bào)警電路如圖4-18所示，蜂鳴器采用長聲型，由PNP型三極管驅(qū)動(dòng)。圖4-18 聲光報(bào)警電路圖第五章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5.1初始化程序程序的初始化在任何硬件模塊程序設(shè)計(jì)中，必不可少的一部分。程序初始化是對(duì)系統(tǒng)中所使用到的模塊進(jìn)行初始設(shè)置，其目的就

39、是為了讓硬件模塊符合在控制軟件中的使用要求。對(duì)硬件所使用到的部資源和外部資源，必須一一進(jìn)行初始化設(shè)置，同時(shí)還需要對(duì)單片機(jī)的一些外圍電路進(jìn)行初始化設(shè)置。這些初始化設(shè)置包括：全局變量初始化、I/O口配置、外部中斷0初始化設(shè)置、定時(shí)器0和1初始化、鍵盤鎖定、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)初始化、MAX7219顯示驅(qū)動(dòng)芯片初始化、溫度傳感器DS18B20初始化、外部輸出設(shè)置、工作模式等，其流程圖如圖5-1所示。圖5-1初始化程序流程圖5.2 按鍵處理模塊系統(tǒng)提供了5個(gè)按鍵，采用中斷0的擴(kuò)展方式，每個(gè)按鍵被按下都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)外部0中斷，每個(gè)按鍵都有相應(yīng)的處理函數(shù)。首先有鍵按下就會(huì)產(chǎn)生INT0中斷，進(jìn)入中斷入口，然后判斷是哪個(gè)

40、按鍵按下，再進(jìn)入對(duì)應(yīng)的按鍵處理程序進(jìn)行相應(yīng)的處理(比如按下KS，KS是參數(shù)設(shè)置鍵，程序就會(huì)進(jìn)入KS的處理函數(shù)部分，將原來顯示的實(shí)測值切換到設(shè)定值顯示模式，并且在這種模式下可以改變參數(shù))。程序流程圖如圖5-2所示。圖5-2 按鍵處理模塊流程圖5.3 顯示模塊1、MAX7219的初始化對(duì)MAX7219的初始化，實(shí)際上就是對(duì)MAX7219的掃描限制寄存器(掃描數(shù)碼管的個(gè)數(shù))、亮度寄存器、譯碼模式寄存器與工作寄存器進(jìn)行正確的設(shè)置。在進(jìn)行程序前，必須清楚一點(diǎn)，就是MAX7219采用16位數(shù)據(jù)包的形式，也就是說對(duì)MAX7219寫入時(shí)是以16位數(shù)作為一個(gè)整體來進(jìn)行的，也即兩個(gè)字節(jié)，高字節(jié)為寄存器地址或顯示R

41、AM地址，低字節(jié)為命令或數(shù)據(jù)。2、字寫MAX7219程序字寫MAX7219也就是將16位數(shù)據(jù)包寫入MAX7219，其程序設(shè)計(jì)只要遵循MAX7219的時(shí)序要求即可，簡要描述為：在時(shí)鐘上升沿?cái)?shù)據(jù)被鎖入片16位移位寄存器；16位數(shù)據(jù)的輸出順序必須是從高位到低位。對(duì)于處理器來說，一般均自然滿足MAX7219對(duì)串行時(shí)鐘不能高于10MHz的要求。16位寫入以后，必須通過12管腳(LOAD)的正跳變(即上升沿)將數(shù)據(jù)鎖入，從而使更新數(shù)據(jù)(命令)有效。3、顯示子程序顯示子程序的作用是將非壓縮的BCD碼形式的顯示代碼寫入對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管顯示RAM寄存器，常用的09和AF的顯示代碼對(duì)應(yīng)為00H09H和0AH0FH。如

42、要在對(duì)應(yīng)的位上顯示小數(shù)點(diǎn)，只要將對(duì)應(yīng)的顯示代碼的最高位置1即可。例如要顯示“0”，其顯示代碼為80H。圖5-3顯示模塊流程圖5.4 模糊控制模塊系統(tǒng)模糊控制模塊軟件流程圖如圖5-4所示，系統(tǒng)進(jìn)入模糊控制模塊，首先讀取設(shè)定工藝曲線溫濕度的值，根據(jù)采集到的溫濕度計(jì)算出Et，Eh，ECt，ECh的值，然后查詢模糊控制表得到對(duì)應(yīng)的模糊控制輸出量Ct和Ch，進(jìn)一步進(jìn)行解耦運(yùn)算，得到最終的控制輸出量Ut和Uh，輸出控制信號(hào)，完成模糊處理。由于模糊控制表的建立是離線進(jìn)行的，因此它絲毫沒有影響模糊控制器實(shí)時(shí)運(yùn)行的速度。一旦模糊控制表建立起來，模糊邏輯推理控制的算法就是簡單的查表法，其運(yùn)算速度是相當(dāng)快的，完全能

43、夠滿足實(shí)時(shí)控制的要求。圖5-4模糊控制模塊軟件流程圖5.5 溫濕度測量模塊溫濕度測量子程序。該設(shè)計(jì)中，溫濕度測量程序放在定時(shí)器 T0的中斷服務(wù)程序中，定時(shí)器 T0為工作方式1，每次定時(shí)周期為50ms，軟件計(jì)數(shù)600次，溫濕度采樣周期為30s。中斷服務(wù)程序包含啟動(dòng)轉(zhuǎn)換子程序、讀測量數(shù)據(jù)子程序、數(shù)值處理子程序等基本程序。軟件溫濕度測量流程圖如圖5-5所示。圖5-5 溫濕度測量流程圖第六章 系統(tǒng)抗干擾技術(shù)6.1 硬件抗干擾技術(shù)系統(tǒng)通過溫度傳感器直接與測試現(xiàn)場相接觸，檢測環(huán)境的電磁干擾(來自加熱和排濕設(shè)備)直接干擾傳感器的輸入和輸出；電源電壓的波動(dòng)也會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)；信號(hào)源和控制系統(tǒng)之間有

44、幾米到幾十米的距離，信號(hào)在傳送過程中很容易受到周圍強(qiáng)電設(shè)備的干擾；執(zhí)行器(鼓風(fēng)機(jī)、排氣扇、步進(jìn)電機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)等)的驅(qū)動(dòng)需要高電壓、大功率電源，該電源會(huì)在后向通道直接干擾住控制系統(tǒng)；執(zhí)行器距離現(xiàn)場較遠(yuǎn)，控制現(xiàn)場也會(huì)干擾主控系統(tǒng)。在硬件系統(tǒng)上主要采取以下措施：1、從傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過RC阻容濾波后再進(jìn)入主控系統(tǒng)。為了抑制開關(guān)量執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)主控系統(tǒng)的干擾，在通道上采用具有隔離作用的固態(tài)繼電器來抑制干擾。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制量輸出，采用TLP521來隔離兩路不同電壓。2、對(duì)于各類電源采用環(huán)形地線的布線方式，地線盡量加粗，接地電路布成團(tuán)環(huán)路以提高抗噪聲能力。3、對(duì)于傳感器通信外接線，采用屏蔽雙絞線，以減少環(huán)

45、境對(duì)信號(hào)的干擾。4、采用看門狗監(jiān)控，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)死機(jī)和程序跑飛的情況下，強(qiáng)制處理器復(fù)位；另外采用阻容加手動(dòng)復(fù)位電路，在上電和電源波動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)可靠復(fù)位。5、每個(gè)芯片在工作中都會(huì)產(chǎn)生一些諧波震蕩，或多或少，這些震蕩會(huì)對(duì)后面電路中的芯片造成一定的干擾，尤其在一些本身就存在強(qiáng)烈干擾源的環(huán)境中更是如此。因此，將主控芯片和存儲(chǔ)芯片的電源和地之間跨接多個(gè)退藕電容，以消除干擾。6.2 軟件抗干擾技術(shù)利用軟件措施來提高系統(tǒng)的抗干擾能力，不僅可以得到滿意的效果，還可以降低系統(tǒng)的體積和成本。對(duì)于實(shí)時(shí)控制程序，為了防止程序指針PC的容出錯(cuò)，使程序“跑飛”，在進(jìn)行跳轉(zhuǎn)、多字節(jié)、中斷、堆棧操作中加入空操作指

46、令NOP，它對(duì)CPU的工作狀態(tài)無任何影響，但可以使得失去控制的程序調(diào)整PC的容，轉(zhuǎn)到正確的指令處執(zhí)行程序。為了防止程序進(jìn)入死循環(huán)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)監(jiān)視程序WATCHDOG，當(dāng)進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，產(chǎn)生最高優(yōu)先級(jí)中斷，強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位。第七章 系統(tǒng)仿真為了驗(yàn)證P I D參數(shù)自調(diào)整模糊控制器的效果，我們在MATLAB中利用SIMULINK工具箱對(duì)2個(gè)不同階次的被控制對(duì)象進(jìn)行仿真研究。設(shè)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為：在M A T L A B中創(chuàng)建圖7-1所示的模糊控制系統(tǒng)仿真模型，該方框圖中的P I D控制器和模糊控制器分別是封裝好的子系統(tǒng)，其部模型如圖7-2、圖7-3所示，其中圖7-3中的模糊邏輯控制器中隱含了輸入輸出關(guān)系

47、的FIS需要利用行命令或者G U I編輯函數(shù)事先建立。圖7-1模糊PID控制系統(tǒng)仿真模型圖7-2 封裝好的PID子系統(tǒng)圖7-3 封裝好的參數(shù)自調(diào)整子系統(tǒng)仿真運(yùn)行后得到圖7-4、圖7-5所示的結(jié)果（階躍響應(yīng)）。顯然參數(shù)自組織模糊控制系統(tǒng)比參數(shù)固定的系統(tǒng)的控制效果好得多。圖7-4 G1(s)仿真結(jié)果圖圖7-5G2(s)仿真結(jié)果圖本系統(tǒng)采用離線處理和在線計(jì)算相結(jié)合的方法，在不增加系統(tǒng)開銷的情況下，保證了處理過程中的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過仿真試驗(yàn)表明，本設(shè)計(jì)溫度精度優(yōu)于0.2，濕度精度可保證0.5 %RH，完全滿足常見的設(shè)計(jì)要求。由于在溫濕度控制方面運(yùn)用了模糊PID控制技術(shù)，使得溫濕度調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)性

48、能得到了很大的提高，響應(yīng)速度加快，有效地抑制了溫濕度控制系統(tǒng)大滯后帶來的不利影響；同時(shí)，也兼?zhèn)淞顺Ｒ?guī)PID控制技術(shù)高穩(wěn)態(tài)精度的特點(diǎn)?？偨Y(jié)本系統(tǒng)通用性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，成本低，具有一定的智能化，適用于各種溫濕度檢測控制環(huán)境，具有以下特點(diǎn)：1、采用性價(jià)比較高的單片機(jī)ATmega16設(shè)計(jì)了該控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有鍵盤控制和顯示功能，同時(shí)擴(kuò)展了LCD顯示功能和RS-232通信功能，以便后續(xù)的功能擴(kuò)展。2、利用模糊控制算法離線計(jì)算了輸入量和輸出量的量化值，形成了模糊控制表，基本實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性。3、設(shè)計(jì)了基于可編程邏輯器件GAL的步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器，節(jié)省了步進(jìn)電機(jī)控制電路的成本，實(shí)驗(yàn)證明由GAL設(shè)計(jì)

49、的步進(jìn)電機(jī)控制電路具有較好的穩(wěn)定性和控制性能。4、設(shè)計(jì)了基于單總線資源，降低了電路成本。5、為了提高系統(tǒng)的安的數(shù)字式溫度傳感器檢測電路，大大降低了電路的復(fù)雜度，節(jié)省了單片機(jī)的I/O全性和可靠性，經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)干擾因素的分析，系統(tǒng)采用硬件抗干擾措施(電源退禍、看門狗電路等)和軟件抗干擾措施(指令冗余技術(shù)等)，減少了實(shí)際運(yùn)行環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的干擾，保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。本系統(tǒng)在今后的工作中還有待于進(jìn)一步改進(jìn)與完善：1、按照北方和南方的氣候差異選擇不同的控制機(jī)構(gòu)和制定不同的控制規(guī)則；2、按照冬季和夏季的不同制定不同的控制規(guī)則。參考文獻(xiàn)1 曉妮.單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J .學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，(02)：20

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