基于模糊控制的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

PAGE19PAGEIV河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院COLLEGEOFLIGHTINDUSTRY,HEBEIUNITEDUNIVERSITY畢業(yè)設(shè)計說明書基于模糊控制的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名：____張明飛________________ 學(xué)號：___200715280106__________專業(yè)班級：____07自動化拓展1班_____學(xué)部：____基礎(chǔ)教學(xué)部________指導(dǎo)教師：____梁秀滿________________2011年6月1摘要溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)中運用的非常廣泛，其控制過程中存在著很大的時滯性和很強的干擾。采用一般的控制方法如PID控制，都不能很好地滿足要求。而基于模糊算法的溫度控制策略可以很容易的解決這些問題。以AT89C2051單片機為模糊控制器，結(jié)合溫度傳感變送器、A/D轉(zhuǎn)換器、LED顯示器、固態(tài)繼電器等，組成一個基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，溫度傳感變送器獲得溫度的感應(yīng)電壓，轉(zhuǎn)變成1~5V的標(biāo)準電壓信號，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進入單片機內(nèi)部。單片機將給定的溫度與測量溫度的相比較，得出偏差量。然后根據(jù)模糊控制算法得出控制量。執(zhí)行器由開關(guān)頻率較高的固態(tài)繼電器開關(guān)擔(dān)任，采用模擬的PWM控制方法，改變同一個周期中電子開關(guān)的閉合時間，達到控制的目的。關(guān)鍵詞：單片機，模糊控制，測量變送

AbstractTemperaturecontrolisusedwidelyinindustryproduction,withlargelagandbigdisturb.TraditioncontrolmethodforexamplePIDcontrolmethodcan’tmeettherequest.ButtheuseoftheFuzzycontrolintemperaturecontrolcanmeettheneedeasily.UsingtheAT89C2051singlechipcomputerastheFuzzycontroller,withtemperaturemeasureandadjust-convectioninstrument,A/Dtransformer,LEDdisplayer,solidswitchandsoon,formatemperaturecontrolwhichbasedonFuzzycontrolarithmetic.Insuchsystem,temperaturemeasureandadjust-convectioninstrumentmeasuresthetemperatureandchangedintonormative1~5voltagesignals,theA/Dtransformertransformtheanalogsignalsintodigitalsignals,andintroduceintothesinglechipcomputer.Andthesinglechipcomputereducesthecontrolvaluewhichbasedonthedifferencebetweentheinitializationandthemeasurevalue.SolidswitchwithhighfrequenceusedasaexecutoranduseaanalogPWMconverter,tochangetheclosetimeinadecidedperiods,whichaimedatcontrolthetemperature.Keywords:Singlechipmicrocomputer,Fuzzycontrol,measureandadjust-convection目錄TOC\h\z\t"11111,1,2222,2,3333,3"摘要 IAbstract II目錄 III1緒論 11.1課題背景 11.2設(shè)計指標(biāo) 21.3設(shè)計的工作 22模糊控制算法及其應(yīng)用 32.1用模糊控制的發(fā)展 32.2模糊控制的基本原理 42.2.1模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 42.2.2模糊控制的理論基礎(chǔ) 102.3模糊控制理論的改進 122.3.1模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合 132.3.2模糊控制與遺傳算法的融合 132.3.3專家模糊控制 132.3.4模糊系統(tǒng)建模及參數(shù)辨識 142.3.5模糊控制系統(tǒng)的基本原理 143設(shè)計思想與方案論證 173.1設(shè)計思想 173.2論證分析 194系統(tǒng)設(shè)計 214.1硬件設(shè)計 214.1.1電源電路 214.1.2溫度檢測與變送環(huán)節(jié) 224.1.3模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路 254.1.4單片機最小系統(tǒng) 264.1.5片外數(shù)據(jù)輔助存儲器 274.1.6人機交互接口 294.1.7執(zhí)行機構(gòu) 314.2軟件設(shè)計 324.2.1主程序 324.2.2串行A/D轉(zhuǎn)換芯片的驅(qū)動和其輸出值的量化 324.2.3片外I2CE2PROM驅(qū)動子程序和空間分布 334.2.4溫度及設(shè)定值的顯示子程序 344.2.5鍵盤管理子程序 344.2.6定時中斷應(yīng)答子程序 354.2.7模糊運算子程序 364.3抗干擾設(shè)計與軟件調(diào)試 394.3.1硬件抗干擾設(shè)計 394.3.2軟件抗干擾措施 404.3.3軟件調(diào)試 40結(jié)論 43參考文獻 44致謝 46附錄A(系統(tǒng)電路圖)附錄B(部分程序清單)河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書第47頁共46頁第1章緒論溫度控制，在工業(yè)自動化控制中占有非常重要的地位。將模糊控制方法運用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴重滯后現(xiàn)象，同時在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。1.1課題背景1965年,美國著名控制論學(xué)者L.A.Zadeh發(fā)表了開創(chuàng)性論文,《FUZZYSETS》首次提出了一種完全不同于傳統(tǒng)數(shù)學(xué)與控制理論的模糊集合理論。在短短的30年里,以模糊集理論為基礎(chǔ)發(fā)展而來的模糊控制策略已經(jīng)成功為將人的控制經(jīng)驗納入自動控制策略之中。在現(xiàn)今的模糊控制領(lǐng)域中，經(jīng)典模糊控制理論已經(jīng)在很多方面取得了一大批有實際意義的成果（如90年代日本家電模糊控制產(chǎn)品和工業(yè)模糊控制系統(tǒng)）。此外經(jīng)典模糊控制也得到了相應(yīng)的改善，如模糊集成系統(tǒng)、模糊自適應(yīng)系統(tǒng)、神經(jīng)模糊控制等?，F(xiàn)代自動控制越來越朝著智能化發(fā)展，在很多自動控制系統(tǒng)中都用到了工控機，小型機、甚至是巨型機處理機等，當(dāng)然這些處理機有一個很大的特點，那就是很高的運行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲器。但隨之而來的是巨額的成本。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機的成本占系統(tǒng)成本的比例高達20%，而對于這些小型的系統(tǒng)來說，配置一個如此高速的處理機沒有任何必要，因為這些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟效益，而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用成本低廉的單片機控制小型的，而又不是很復(fù)雜，不需要大量復(fù)雜運算的系統(tǒng)中是非常適合的。溫度控制，在工業(yè)自動化控制中占有非常重要的地位，如在鋼鐵冶煉過程中要對出爐的鋼鐵進行熱處理，才能達到性能指標(biāo)，塑料的定型過程中也要保持一定的溫度［2］。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各個領(lǐng)域?qū)ψ詣涌刂葡到y(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與自適應(yīng)能力的要求越來越高，被控對象或過程的非線性、時變性、多參數(shù)點的強烈耦合、較大的隨機擾動、各種不確定性以及現(xiàn)場測試手段不完善等，使難以按數(shù)學(xué)方法建立被控對象的精確模型的情況[3]。對于這些系統(tǒng)來說采用傳統(tǒng)的方法包括基于現(xiàn)代控制理論的方法往往不如一個有實踐經(jīng)驗的操作人員的手動控制效果好，而模糊控制理論正是以人的經(jīng)驗為重要組成部分。這就使模糊控制在一般情況下比傳統(tǒng)控制方法更有效、更安全。將模糊控制方法運用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴重的滯后現(xiàn)象，同時在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。模糊控制是基于模糊數(shù)學(xué)上發(fā)展起來的一門新的控制科學(xué)[3]。其運算過程中有很多都要用到矩陣運算，但控制其級別很少的時候可以進行離線計算，很方便的完成矩陣運算。這樣一來模糊控制就已經(jīng)簡化了，甚至比一般的PID運算還更簡單。運用一般的處理機，如單片機就能完成。1.2設(shè)計指標(biāo)設(shè)計一個基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)具體化技術(shù)指標(biāo)如下。1.被控對象可以是電爐或燃燒爐，溫度控制在0~100℃，誤差為±0.52.恒溫控制；3.LED實時顯示系統(tǒng)溫度，用鍵盤輸入溫度;4.采用模糊算法，要求誤差小，平穩(wěn)性好。1.3設(shè)計的工作詳細分析課題任務(wù)，對模糊控制和溫度控制的歷史和現(xiàn)狀進行分析，并對模糊控制和溫度控制的原理進行了深入的研究，并將其綜合。然后根據(jù)課題任務(wù)的要求設(shè)計出實現(xiàn)控制任務(wù)的硬件原理圖和軟件，并進行訪真調(diào)試。

第2章模糊控制算法及其應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各個領(lǐng)域?qū)ψ詣涌刂葡到y(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與自適應(yīng)能力的要求越來越高，被控對象或過程的非線性、時變性、多參數(shù)點的強烈耦合、較大的隨機撓動、各種不確定性以及現(xiàn)場測試手段不完善等，使難以按數(shù)學(xué)方法建立被控對象的精確模型的情況。對于這些系統(tǒng)來說采用傳統(tǒng)的方法包括基于現(xiàn)代控制理論的方法往往不如一個有實踐經(jīng)驗的操作人員的手動制作效果好，而模糊控制理論正是以人的經(jīng)驗為重要組成部分。這就使模糊控制在一般情況下比傳統(tǒng)控制方法更有效、更安全。２.1用模糊控制的發(fā)展模糊集合和模糊控制的概念是由美國加利福尼亞大學(xué)著名教授L.A.Zadeh于1965年在其Fuzzy,FuzzyAlgorithm等著名論著中首先提出的。模糊集合的引入可將人的判斷、思維過程用比較簡單的數(shù)學(xué)形式直接表達出來，從而使對復(fù)雜系統(tǒng)做出符合實際的、符合人類思維方式的處理成為可能，為經(jīng)典模糊控制器的形成奠定了基礎(chǔ)［３］。為了加快模糊控制理論的研究，1972年在日本東京大學(xué)建立了“模糊系統(tǒng)研究會”，以后，各大學(xué)相繼招開模糊控制的國際學(xué)術(shù)交流會，大大促進了模糊控制的發(fā)展。盡管模糊集理論的提出至今只有30年，但發(fā)展迅速。至今世界上研究“模糊”的學(xué)者已超過萬人，發(fā)表的重要論文達5000多篇。80年代以來，自動控制系統(tǒng)的被控對象更加復(fù)雜化，它不僅表現(xiàn)在多輸入，多輸出的強耦合性、參數(shù)時變性和嚴懲的非線性，更突出的是從系統(tǒng)對象所能獲得的數(shù)據(jù)量相對的減少，以及對控制性能要求的日益增高。因此要想精確地描述復(fù)雜對象與系統(tǒng)的任何物理現(xiàn)象和運動狀態(tài)，實際已不可能。關(guān)鍵是如何在精確和簡明之間取得平衡，而使問題的描述具有實際意義。這樣模糊控制理論的優(yōu)點在現(xiàn)代控制理論中起著越來越重要的地位和意義。從已實現(xiàn)的控制系統(tǒng)來說，它具有易于掌握、輸出量連續(xù)、可靠性高、能發(fā)揮熟練專家操作的良好自動化效果等優(yōu)點。最近幾年，對于經(jīng)典模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的改善、模糊集成控制、模糊自適應(yīng)控制、專家模糊控制與多變量模糊控制的研究，特別是針對復(fù)雜系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)與參數(shù)自調(diào)整模糊系統(tǒng)方面的研究受到各國學(xué)者的重視。目前，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)相互結(jié)合，取長補短，形成一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用人腦的智能信息處理系統(tǒng)，其發(fā)展前景十分誘人。我國對模糊控制的理論與應(yīng)用研究起步較晚，但發(fā)展較快，諸如在模糊控制、模糊辨識、模糊聚類分析、模糊圖像處理、模糊信息論、模糊模式識別等領(lǐng)域取得了不少有實際影響的結(jié)果。2.2模糊控制的基本原理2.2.1模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)1.模糊集合人們常用一些模糊概念思考問題，比如說“這棟樓房高”、“氣候炎熱”等，這里“高”和“炎熱”沒有明確的內(nèi)涵和外延，但具有量的含義。將這類具有不確定量值的概念范圍，或者在不同程度上具有某種特有屬性的所有元素的總和稱為模糊集合。在普通集合中，可用特征函數(shù)來描述集合，而對于模糊性的事物，用特征函數(shù)來表示其屬性是不恰當(dāng)?shù)?。因為模糊事物根本無法斷然確定其屬性，可以把特征函數(shù)取值0、1的情況改為取值。這樣，特征函數(shù)就可以取0~1無窮多個值，即特征函數(shù)可以演變成可以無窮取值的邊疆邏輯函數(shù)。從而得到了描述模糊集合的特征函數(shù)-隸屬函數(shù)，它是模糊數(shù)學(xué)中最重要和最基本的概念，其定義為：用于描述模糊集合，并在閉區(qū)間連續(xù)取值的特征函數(shù)叫隸屬函數(shù)，隸屬函數(shù)用，其中A表示模糊集合，而x是A的元素，隸屬函數(shù)滿足：0(1)有了隸屬函數(shù)以后人們就可以把元素對模糊集合的歸屬程度恰當(dāng)?shù)乇硎境鰜怼＿@樣一個模糊的概念只要指定論域U中各個元素對它的符合程度，這樣模糊概念也就得到一種集合表示了。把元素對概念的符合程度看作元素對集合的隸屬程度，那么指定各個元素的隸屬度也就指定了一個集合。因此模糊集合完全由其隸屬函數(shù)所刻畫。2.模糊集合的表示方法模糊集合沒有明確的邊界，一般用隸屬函數(shù)描述。設(shè)給定論域U，μA為U到閉區(qū)間的任一映射，(2)都可以確定U的一個模糊集合A，稱為模糊集合A的隸屬函數(shù)。（x）稱為元素x對A的隸屬度，即x隸屬于A的程度。模糊集合可用下面方法表示：(1)限論域若論域U，且論域U={x1,x2,…,xn}，則U上的模糊集合A可表示為(3)注意，與普通集合一樣，上式不是分式求和，分式是一種表示法的符合，其分母表示論域U中的元素，分子表示相應(yīng)的隸屬度，隸屬度為0的那一項可以省略。(2)無限論域在論域是無限的情況下，上面的記法是不完全的，為此需將表示方法從有限論域推廣到一般情況。取一連續(xù)的實數(shù)區(qū)間，這時U的模糊集合A可以用實函數(shù)來表示。不論論域是否有限都可能表示為(4)式中積分號不是高等數(shù)學(xué)中的積分意義，也不是求和號，而是表示各個元素與隸屬度對的一個總括形勢。當(dāng)然，給出隸屬函數(shù)的一個解析式子也能表示出一個模糊集。3.模糊集合的運算模糊集合與它的隸屬函數(shù)一一對應(yīng)，因此模糊集的運算也通過隸屬函數(shù)的運算來刻畫。(1)空集模糊集合的空集是指對所有元素X，它的隸屬函數(shù)為0，記作Φ。(2)等級模糊集合A，B若對所有元素X，它們的隸屬函數(shù)相等，即A，B也相等。(3)子集在模糊集A，B中，所謂A是B的A包含于B中，是指對所有元素x，有(5)(4)并集模糊集合A和B的并集C，其隸屬函數(shù)可表示為(6)(5)交集模糊集合A和B的交集C，其隸屬函數(shù)可表示為(7)(6)補集模糊集A的補集B、A互為補集，其隸屬函數(shù)可表示為(8)與普通集合一樣，模糊集滿足冪等律、交換律、吸收律、分配律、結(jié)合律、摩根定理等。但其不同于普通集合，互補律不成立，即(9)隸屬函數(shù)的確定，應(yīng)該是反映出客觀模糊現(xiàn)象的具體特點，要符合客觀規(guī)律，而不是主觀臆想。對于同一個模糊要領(lǐng)總存在不同的人會使用不同的確定方法，建立完全不同的隸屬函數(shù)，不過所得的處理模糊信息問題的本質(zhì)結(jié)果應(yīng)該是相同的。模糊統(tǒng)計與隨機統(tǒng)計完全不同，模糊統(tǒng)計是對模糊性事物的可能性程度進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果稱為隸屬度。對于模糊統(tǒng)計實驗，在論域中給出一個x，再考慮n個有模糊集合A的普通集合，以及元素x對A的歸屬次數(shù)。x對A的歸屬次數(shù)和n的比值就是統(tǒng)計出的元素x對A的隸屬函數(shù)：(10)當(dāng)n足夠大時，隸屬函數(shù),是一個穩(wěn)定值，但對于現(xiàn)實的實驗中,由于各類條件限制，n不能過于太大，所以，采用一些有經(jīng)驗的專家和工人的技術(shù)數(shù)據(jù)來代替之，所以此法又可稱為專家法。采用模糊統(tǒng)計進行大量實驗，就能得出模糊集中各元素的隸屬度，以隸屬度和元素組成一個單點，就可以把模糊集合A表示出來。4.模糊關(guān)系(1)關(guān)系客觀世界的各事物之間普遍存在著聯(lián)系，描寫事物之間聯(lián)系的數(shù)學(xué)模型之一就是關(guān)系，常用符號R表示。a.關(guān)系的概念若R為由集合X到集合Y的普遍關(guān)系，則對于任意x∈X,y∈Y都有以下兩種情況：x與y有某種關(guān)系，即xRy;x與y無某種關(guān)系，即xy;b.直積集由X到Y(jié)中各取一元素排成序?qū)?，所有這樣序?qū)Φ娜w組成的集合叫做X和Y的直積集（笛卡爾集）記為(11)顯然，R集是X和Y直積集中的一個子集，即(12)(2)模糊關(guān)系兩組事物之間的關(guān)系不宜用“有”或“無”作肯定或否定的回答時，可以用模糊關(guān)系來描述。設(shè)為集合X到Y(jié)的直積集,R是的一個模糊子集,它的隸屬函數(shù)為,這樣就確定了X與Y的模糊關(guān)系R,由隸屬函數(shù)刻畫,函數(shù)代表序偶具有關(guān)系R的程度。一般來說，只要給出直積空間中的模糊集合R的隸屬函數(shù)，集合X到集合Y的模糊關(guān)系R也就確定了。(3)模糊矩陣當(dāng)是有限集合時，則的模糊關(guān)系可用下列階矩陣來表示(13)式中元素，該矩陣稱為模糊矩陣，簡記為：。為討論模糊矩陣運算方便，設(shè)矩陣階矩陣，即，，此時模糊矩陣的交、并、補運算為模糊矩陣交 (14)模糊矩陣并(15)模糊矩陣補(16)模糊矩陣的合成運算，其中合成運算符號為“·”，它用來代表模糊矩陣的相乘，與線性代數(shù)中的矩陣乘極為相似，只是將普通矩陣運算中對應(yīng)元素間相乘用小運算“”來代替，而元素間相加用取大“”來代替，具體定義如下：設(shè)兩個模糊矩陣，合成運算結(jié)果也是一個模糊矩陣，則。模糊矩陣R的第i行，第k列元素等于P矩陣的第i行元素與Q矩陣的第k列對應(yīng)元素兩兩取小，而后再所得到的j個元素中取大，即(17)(4)模糊變換設(shè)是一個m維模糊向量，而(18)是一個維模糊向矩陣表示的模糊關(guān)系，則稱(19)為一個模糊變換，它可以確定一個唯一的n維模糊向量。A是輸入量論域V上的模糊向量；B是輸出控制量論域W上的模糊向量；R是輸入和輸出論域V和W之間的關(guān)系。那么，上述就是從輸入到輸出的模糊變換過程，也就是從輸入量A通過輸入輸出關(guān)系r，求取輸出量b的過程，所得的結(jié)果b就是輸出控制模糊量?？梢?，以模糊矩陣合成運算所執(zhí)行的模糊變換在意義重大。2.2.2模糊控制的理論基礎(chǔ)1.模糊命題模糊命題是清晰命題的推廣，清晰命題的真假相當(dāng)于普通集合中元素的特征函數(shù)，而模糊命題的真值在閉區(qū)間取值，相當(dāng)于隸屬函數(shù)值。模糊命題的一般形式是A：eisF(或e是F)式中e是模糊變量，F(xiàn)是模糊概念所對應(yīng)的模糊集合。2.模糊邏輯模糊命題的真值在閉區(qū)間上連續(xù)取值，因此稱研究模糊命題的邏輯為連續(xù)性邏輯，由于主要用它來研究模糊集的隸屬函數(shù)，也稱為模糊邏輯。設(shè)x為模糊命題A的真值，y為模糊命題B的真值，在連續(xù)邏輯中，邏輯運算規(guī)則如下：邏輯并：(20)邏輯交：(21)邏輯非：(22)限界差：(23)限界和：(24)限界積：(25)蘊涵：(26)等價：(27)3.模糊語言(1)語言變量由一個五元體（N,T(N),U,M,G）來表征的變量，五元體中各個元定義如下：N是變量名稱，即單詞。T(N)是N的語言真值集合。U是N的論域。M是詞義規(guī)則。G是記法規(guī)則，它規(guī)定了原子詞，即原始項構(gòu)成全部項之后的詞義變化。(2)語言算子語言算子是指如”比較”,”大致”、”有點”、”偏向”等前綴詞，根據(jù)這些語言算子的功能不同，經(jīng)常使用的有如下幾類。(3)語氣算子表示語氣程度的模糊量詞，它有集中化算子和松散化算子兩類。a.模糊化算子：把一個明確的單詞轉(zhuǎn)化為模糊量詞的算子稱為模糊化算子。在模糊控制中，采樣的輸入總是精確量。要實現(xiàn)模糊控制，首先必須把采樣的精確值進行模糊化，而模糊化實際上就是用模糊化算子來實現(xiàn)的，所以引入模糊化算子具有十分重要的實用價值。b.判定化算子：把一個模糊詞轉(zhuǎn)化為明確題詞的算子稱為判定化算子。(4)模糊語句將含有模糊概念、按給定的語法規(guī)則所構(gòu)成的語句稱為模糊語句。根據(jù)其語義各構(gòu)成語法規(guī)則不同，可以分為下述幾種類型。a.模糊陳述句模糊是陳述句是相對于具有清晰概念的一般陳述句而言，指的是該類陳述句中含有模糊概念。b.模糊判斷句模糊判斷句是模糊語言中最基本的語句，又稱為陳述判斷句。c.模糊推理句模糊推理句如同模糊判斷句一樣，不存在絕對的真或假，只能說它以多大程度為真。(5)模糊推理在模糊控制中，模糊控制規(guī)則通常是由模糊條件語句來描述的，它符合人們的思維和推理規(guī)律，是一種較為直接的模糊推理。常見的模糊條件推理語句有“ifAthenBelsec”、“ifAandBthenc”等。一般而言實現(xiàn)模糊運算的實現(xiàn)分以下幾步：a.通過語氣算子和補運算，求得模糊集合。b.確定模糊條件語句所決定的模糊關(guān)系R.c.計算語氣算子所對應(yīng)的模糊集合。d.根據(jù)輸入量和模糊關(guān)系R求出所對應(yīng)的輸出量。2.3模糊控制理論的改進目前，模糊控制技術(shù)日趨成熟和完善。各種模糊產(chǎn)品充滿了日本、西歐和美國市場，如模糊洗衣機、模糊吸塵器和模糊攝相機等，模糊技術(shù)幾乎變得無所不能，各國都爭先開發(fā)模糊新技術(shù)和新產(chǎn)品。多年來一直未能解決的穩(wěn)定性分析問題正在逐步解決。模糊芯片也已研制成功且功能不斷加強，成本不斷下降。直接采用模糊芯片開發(fā)產(chǎn)品已成為趨勢。模糊開發(fā)軟件包也充滿市場。模糊控制技術(shù)除了在硬件、軟件上繼續(xù)發(fā)展外，將在自適應(yīng)模糊控制、混合模糊控制以及神經(jīng)模糊控制上取得較大的發(fā)展。隨著其它學(xué)科理論、新技術(shù)的建立和發(fā)展，使模糊理論的應(yīng)用將越來越廣泛。模糊理論結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NeuralNetwork)和遺傳基因(GeneticMechanism)形成交叉學(xué)科神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊技術(shù)(NeuronFuzzyTechnique)和遺傳基因模糊技術(shù)(GeneticFuzzyTechnique)，用于解決單一技術(shù)不能解決的問題。2.3.1模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合近年來，模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都在各自的學(xué)科里取得了引人注目的進展，而且在這兩個學(xué)科的邊緣開辟了眾多研究新領(lǐng)域。兩者的相互滲透和有機結(jié)合必將引起電子產(chǎn)業(yè)和信息科學(xué)的新革命。神經(jīng)模糊控制(Neuron-FuzzyControl)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與模糊邏輯控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制方法。模糊系統(tǒng)是建立在“IF-THEN”表達式之上，這種方式容易讓人理解，但是自動生成、高速隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則上卻很困難。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境的變化具有較強的自適應(yīng)能力，所以可結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力來訓(xùn)練模糊規(guī)則。提高整個系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力和表達能力，這是日前最受注目的一個課題。2.3.2模糊控制與遺傳算法的融合由于模糊邏輯控制所要確定的參數(shù)很多，專家的經(jīng)驗只能起一個指導(dǎo)作用，很難根據(jù)它準確地求出各項參數(shù)，因而實際上還要反復(fù)試湊，尋找一個最優(yōu)過程。通過改進遺傳算法，按所給優(yōu)化性能指標(biāo)，對被控對象進行尋優(yōu)學(xué)習(xí)，從而有效地確定模糊邏輯控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。2.3.3專家模糊控制專家模糊控制器EFC(ExpertFuzzyController)由R.M.Tong提出，1984年他發(fā)表了關(guān)于模糊控制系統(tǒng)展望的論文，提出這一新概念。專家模糊控制系統(tǒng)是由專家系統(tǒng)技術(shù)和模糊控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。把專家系統(tǒng)技術(shù)引入模糊控制之中，目的是進一步提高模糊控制器的智能水平。專家模糊控制保持了基于規(guī)則的方法和價值和用模糊集處理帶來的靈活性，同時也把專家系統(tǒng)技術(shù)的表達，利用知識的長處結(jié)合進來［3］。專家系統(tǒng)技術(shù)考慮了更多方面的問題，例如，是什么組成知識以及如何組織、如何表達、如何應(yīng)用知識等。專家系統(tǒng)方法重視知識的多層次和分類的需要，以及利用這些知識進行推理的計算機組織。2.3.4建模與參數(shù)辨識是實現(xiàn)控制的重要基礎(chǔ)，因此這一研究工作從199年至今一直是模糊控制領(lǐng)域的熱門話題。系統(tǒng)模糊模型就是指采用與系統(tǒng)輸入輸出樣本數(shù)據(jù)相關(guān)的、能表示系統(tǒng)狀態(tài)的一組模糊規(guī)則來描述系統(tǒng)。具有模糊性的表示形式。模糊控制理論還有一些重要的理論課題還沒有解決。其中兩個重要的問題是：如何獲得模糊規(guī)則即隸屬函數(shù)問題以及如何保證模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。大本說來，在模糊控制理論和應(yīng)用方面應(yīng)加強的主要課題有：1.適合于解決工程上普遍問題的穩(wěn)定性分析方法，穩(wěn)定性評價理論體系，控制器的魯棒性分析，系統(tǒng)的可控性分析和可觀測性判定方法等。2.模糊控制規(guī)則設(shè)計方法的研究，包括模糊集合隸屬函數(shù)設(shè)定方法，量化水平，采樣周期的最優(yōu)選擇，規(guī)則的系數(shù)，最小實現(xiàn)規(guī)則和隸屬函數(shù)自動生成等問題，以及進一步給出模糊控制器的系統(tǒng)化設(shè)計方法。3.模糊控制器參數(shù)最優(yōu)調(diào)整理論的確定以及修正推理規(guī)則的學(xué)習(xí)方式和算法等。4.模糊控制算法的改進和研究。由于模糊邏輯的范疇很廣，包括大量的概念和原則，然而這些概念和原則能真正的在模糊邏輯系統(tǒng)中得到應(yīng)用的卻為數(shù)不多。這方面的嘗試有待深入。2.3.5模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的微機數(shù)字控制，是模擬人的思維，構(gòu)造一種非線形控制，以滿足復(fù)雜的、不確定的過程控制的需要。它屬于智能控制范圍[2]。模糊控制系統(tǒng)類似于常規(guī)的微機控制系統(tǒng)，如下圖所示其由四部分構(gòu)成：A/DA/D模糊控制器D/A執(zhí)行機構(gòu)被控對象檢測變送器給定量+u被控量e-圖1模糊控制系統(tǒng)的組成(1)測量元件傳感器它將被控對象輸出信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，測量元件的精度往往直接影響控制系統(tǒng)的精度，要注意選擇符合工程精度要求又穩(wěn)定可靠的測量元件。(2)輸入輸出接口裝置它完成模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換，信號采樣與濾波等工作。(3)廣義對象它包括被控對象與執(zhí)行機構(gòu)，被控對象為復(fù)雜的工業(yè)過程，可是線性的或非線性的，也可能存在各種干擾，是模糊的、不確定的、沒有精確數(shù)學(xué)模糊的過程。(4)模糊控制器它是一臺處理器，用于完成模糊推理的過程與根據(jù)輸入量和模糊運算做出模糊控制工作。在溫度控制系統(tǒng)中，傳感器用于感受控制對象的溫度，然后由與溫度變化的線性關(guān)系產(chǎn)生與其大小相適應(yīng)的變化量交給變送器處理。變送器傳感器輸入轉(zhuǎn)換成標(biāo)準的電壓或者電流信號，再通過輸入輸出接口裝置進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后輸入到模糊處理器中進行模糊控制。輸入輸出接口裝置包含了各種人機接口，如用于輸入控制溫度的鍵盤、用于顯示實時溫度的數(shù)碼管、用于報警的LED，還有將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換器等。很顯然，人機接口裝置越完備，其能實現(xiàn)的功能也越強，這樣也越能增加產(chǎn)品的功能和親合力?？刂茖ο罂梢允请姞t也可以是油爐，如果是電爐執(zhí)行器將會是晶閘管，也可以是靜態(tài)或固態(tài)繼電器；如果對象是油爐，執(zhí)行器可以選擇為調(diào)節(jié)閥，控制輸入到油爐的油量大小。基于模糊算法的溫度控制系統(tǒng)，可用各類處理器，如微機、單片機、DSP等作為模糊控制器，其內(nèi)部運行模糊算法程序，用于根據(jù)輸入的溫度信號進行處理從而達到做出模糊控制的目的。

第3章設(shè)計思想與方案論證實現(xiàn)模糊溫度控制的方法有多種，可以用工控機作為模糊控制器，用熱電阻測量溫度；也可以用單片機作為模糊控制器，用熱電偶進行溫度測量。當(dāng)然每一種方案都有其各自的優(yōu)點。本章詳細列舉、說明了三種不同實現(xiàn)模糊溫度控制的方案、并分別畫出了其原理方框圖，對三種方案的優(yōu)缺點進行了對比，選出了最佳控制方案。3.1設(shè)計思想1.方案1(1)硬件組成：PLC、A/D轉(zhuǎn)換器、熱電阻、調(diào)節(jié)閥、燃油供應(yīng)子系統(tǒng)。(2)工作原理：在系統(tǒng)中，由分立的熱電阻做成測量工具，對溫度變量進行檢測，并輸出到A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換后輸出到PLC。PLC執(zhí)行模糊控制器的作用，根據(jù)給定量與測量量的偏差進行模糊運算，得出模糊輸出量［3］，控制調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥根據(jù)PLC的輸出量自動的調(diào)節(jié)進入燃燒爐內(nèi)的燃氣，從而起到了調(diào)節(jié)溫度的目的。燃油供應(yīng)子系統(tǒng)起到了供應(yīng)燃油的作用。LED顯示器用于實時顯示測量的溫度。圖2方案1的原理框圖+LED顯示圖2方案1的原理框圖+LED顯示+給定電壓A/D轉(zhuǎn)換PLC開關(guān)熱電阻-燃料供應(yīng)子系統(tǒng)D/A油爐溫度2.方案2(1)硬件組成：單片機、A/D轉(zhuǎn)換器、LED顯示器、集成的熱電偶溫度變送器、固態(tài)繼電器［5］、大功率發(fā)熱器、LED顯示器。(2)工作原理：由集成的熱電偶變送器對系統(tǒng)溫度進行檢測，并完成信號標(biāo)準化、變送功能。單片機執(zhí)行模糊控制功能、由固態(tài)繼電器控制大功率發(fā)熱器電源的導(dǎo)通與斷開，從而達到控制溫度的目的。TL255189CTL255189C2051固態(tài)繼電器LED顯示DDZ—Ⅲ熱電偶溫度變送器鍵盤電爐溫度圖3方案2的原理框圖3.方案3(1)硬件組成：工控機、集成的熱電偶溫度變送器、A/D轉(zhuǎn)換器、LCD顯示器、調(diào)節(jié)閥、燃料供應(yīng)子系統(tǒng)。(2)工作原理：在系統(tǒng)中，先由工控機發(fā)出波形（此波形為理想控制過程），經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到工控機，作為給定量（給定量是變化的）[3]。熱電偶溫度變送器作為測量工具，對溫度變量進行檢測，并輸出到A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換后輸出到工控機。工控機利用模糊算法，根據(jù)給定量與測量量的偏差進行模糊運算，得出模糊輸出量，控制調(diào)節(jié)閥的開啟程度，自動的調(diào)節(jié)進入燃燒爐內(nèi)的燃氣，從而起到了調(diào)節(jié)溫度的目的。燃油供應(yīng)子系統(tǒng)用于供應(yīng)燃油。LED顯示器用于實時的顯示測量的溫度。(3)系統(tǒng)原理框圖波形生成波形生成LCD顯示+A/D工控機開關(guān)熱電偶溫度變送+-燃料供應(yīng)系統(tǒng)D/A圖4方案3的原理框圖油爐溫度3.2論證分析(1)每個方案都采用了不同的處理器，方案1用PLC為模糊控制器，在進行A/D、D/A轉(zhuǎn)換和LED顯示時出現(xiàn)許多難題，如引腳不夠用，數(shù)據(jù)并行輸入輸出困難（可以通過外部加入模擬輸入模塊來解決，但價格昂貴）、及內(nèi)部編程復(fù)雜等諸多不便。而方案2和方案3采用了單片機及工控機，能夠很好的解決上述問題。(2)方案1采用的是分立的熱電阻，還要經(jīng)過處理制作成測量工具，在測量精度及抗干擾性等方面都不能滿足要求。而方案2、3采用的是集成的熱電偶溫度變送器，具有冷端溫度補償、零點調(diào)整、零點遷移、量程調(diào)整以及線性化等功能。只要稍許的調(diào)整變送器即可很好的完成任務(wù)。(3)方案1和方案2采用了價格便宜的LED顯示器，而方案3采用了相對昂貴的LCD顯示器。雖然LCD顯示器在顯示方面有其優(yōu)越性，可以多行顯示、文本顯示。但本系統(tǒng)中只要求實時顯示溫度即可，所以LED顯示器是一個不錯的選擇。(4)方案2采用了模擬的PWM變換的方法，較其它兩種方案可以減少一個D/A轉(zhuǎn)換器，節(jié)約了成本。(5)方案1和3采用燃料作為能量供應(yīng)，而方案2采用電能。方案1與方案3要考慮多方面的影響。如燃油的燃燒效率問題（通過采樣油爐排氣口的氧氣濃度完成），即要檢測的變量有兩個，爐內(nèi)溫度和排氣口的氧氣含量。而方案2可以減少裝配燃油子系統(tǒng)所用的成本，只有一個檢測量，減小了運算難度，還可以省去因為燃料的燃燒所造成的大氣污染，保護環(huán)境。綜上所述：方案2是無論是從經(jīng)濟方面、科學(xué)性還是從實現(xiàn)的容易程度、環(huán)境保護上都優(yōu)于其它兩個方案，不失為最佳的選擇。最終方案論述：很顯然，方案2較其它兩種方案相比無論在經(jīng)濟上和實現(xiàn)容易程度上都要好。同時三種方案都存在著同一個問題，那就是在其內(nèi)部怎么進行模糊運算。由于模糊運算是基于模糊數(shù)學(xué)的一種新型控制方法，其運算包括模糊化、模糊推理、解模糊等過程，而且還有很多的矩陣運算，而這些運算對于單片機、或者PLC以及工控機來說都要用很復(fù)雜的編程（高級語言）才能實現(xiàn)。模糊控制算法發(fā)展到今天，已經(jīng)成功的解決了這個問題。在離線時將其矩陣運算部分做好，留給處理機要完成的就只需查一個模糊表了。這種方法能夠很好的完成模糊控制過程中大量的運算的問題，減少了編程的難度和處理機做這些運算所花費的時間。方案2在實行控制的時候不像其它方案采用D/A轉(zhuǎn)換后再控制調(diào)節(jié)閥的方法，而是直接外接一個固態(tài)繼電器，通過內(nèi)部改變定時器的中斷時間來調(diào)節(jié)一個周期內(nèi)電子開關(guān)的導(dǎo)通和斷開時間。這樣既節(jié)省了材料也可以很大程度上減少硬件電路的結(jié)構(gòu)。綜上所述方案2有如下的特點：(1)在完成所要求的任務(wù)的基礎(chǔ)之上還有著結(jié)構(gòu)簡單、明了的特點，很容易實現(xiàn)，而且在一定的程度上節(jié)約成本。(2)由于采用了離線的方法進行模糊運算，很大程度上的減少了編程的麻煩，實現(xiàn)起來較容易。(3)采用了無污染能源，保護環(huán)境。同時也省去了為建造燃料供應(yīng)子系統(tǒng)的費用，節(jié)約了成本。采用了模擬的PWM變換，和固態(tài)繼電器?？梢詫⒉蓸宇l率提高到很多的水平，使控制結(jié)果更準確，實時性、控制效果更好。

第4章系統(tǒng)設(shè)計整個系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。本章詳細介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，并對硬件和軟件的每一個部分進行了分析，在后半部分還對系統(tǒng)模型進行了訪真與程序調(diào)試。硬件和軟件的每一個壞節(jié)都是深思熟慮而成，各自完成相應(yīng)的功能并組成一個統(tǒng)一的整體。4.1硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件由電源電路，溫度檢測變送電路、模數(shù)接口轉(zhuǎn)換電路、單片機系統(tǒng)和人機接口等部分組成。系統(tǒng)電源為整個系統(tǒng)提供電能；溫度檢測變送電路將檢測到的溫度信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準的電壓信號輸入到模數(shù)接口轉(zhuǎn)換電路；模數(shù)接口轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號進入單片機系統(tǒng)；單片機系統(tǒng)根據(jù)輸入的數(shù)字信號以模糊控制算法為基礎(chǔ)求出控制值，控制執(zhí)行器的運行及溫度的顯示。原理框圖見圖3。4.1.1電源電路由于整個系統(tǒng)都是用單片機和各類芯片及電阻、電容組成的，其工作電壓為＋5V，不需要負電壓，可采用三端固定正電壓集成穩(wěn)壓器7805系列的芯片［6］。其輸出電壓5V，按輸出電流不同可分為78M05、78L05，輸出電流分別為0.5A和1.0A，轉(zhuǎn)換成功率分別為2.5W和5W其主要電路如圖5所示：圖5電源電路其中輸入電壓為交流220V，經(jīng)過變壓器其輸出為9.5V，再進行整流。整流可通過四個二極管進行全波整流，也可以利用集成整流堆來進行（同原理）。后面接電容C1、C2為濾波電容進行濾波，注意電解電容應(yīng)該要有一定裕量，否則不能起到很好的濾波效果。本電路中使用的電容大小為470uf,耐壓為25伏。78L05的輸出級接入兩個濾波電容，用于減小因為電源波動對系統(tǒng)造成的影響和濾波。其不需要采用大容量的電解電容器，容量大小為100uf耐壓為25伏，再接入0.1μF的電容器，便可減少因為電源波動的影響和濾去紋波，很好地改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)。然而，隨之產(chǎn)生一個弊端，即一旦78M05的輸入出現(xiàn)短路時，輸出端大電容上存儲的電荷，將通過集成穩(wěn)壓器內(nèi)部放電，可能會造成內(nèi)部電路的損壞，故在其間跨接一個二極管，為放電提供放泄通路，對集成穩(wěn)壓器起到了分流保護作用［6］。圖5電源電路4.1.2溫度檢測與變送環(huán)節(jié)信號的檢測變送包含兩個方面，一是檢測環(huán)節(jié)，另一個是變送環(huán)節(jié)。檢測環(huán)節(jié)至關(guān)重要，檢測元件的選型關(guān)系到檢測的精度和變送環(huán)節(jié)中信號變送的容易程度。在溫度的檢測過程中一般用熱電阻和熱電偶完成，熱電阻一般用在檢測精度要求不是很高的地方，而熱電偶則在靈敏度上比熱電偶更好，檢測精度能比熱電阻有一個數(shù)位的差異［7］。檢測與變送設(shè)備主要根據(jù)被檢測參數(shù)的性質(zhì)與系統(tǒng)設(shè)計的總體考慮來決定。被檢測參數(shù)性質(zhì)的不同，準確度要求、響應(yīng)速度要求的不同以及對控制性能要求的不同都影響檢測、變送器的選擇，要從工藝的合理性、經(jīng)濟性加以綜合考慮。應(yīng)遵循以下原則：1.可能選擇測量誤差小的測量元件。盡可能選擇快速響應(yīng)的測量元件與變送設(shè)備。對測量信號作必要的處理。測量信號校正。測量信號噪聲（擾動）的抑制。4.對測量信號進行曲線線性化處理。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見、最基本的參數(shù)之一。所以，溫度的檢測與控制是自動控制工程的重要任務(wù)之一。測量溫度的方法有兩種，一種是接觸式、另一種是非接觸式。接觸式測量的主要特點是：方法簡單、可靠，測量精度高。但是由于測溫元件要與被測介質(zhì)接觸進行熱交換，才能達到平衡，因而產(chǎn)生了滯后現(xiàn)象。同時測量體可能與被測介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)。此外測量體還受到耐溫材料的限制，不能應(yīng)用于很高溫度的測量。非接觸式測溫是通過接收被測介質(zhì)發(fā)出的輻射熱來判斷的。其主要特點是：測溫原則上不愛限制；速度較快，可以對運動休進行測量。但是它受到物體的輻射率、距離、煙塵和水汽等因素影響，測溫誤差較大。由于本系統(tǒng)中測量的對象為電爐，測量溫度在0~100℃目前工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的接觸式溫度測溫原理、與使用場合如表1：表1各類傳感元件的特點和使用場合表1各類傳感元件的特點和使用場合［7］測溫原理溫度計名稱測溫范圍℃主要特點體積變化體積變化固體熱膨脹雙金屬溫度計--200~700結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，適用于就上測量，傳送距離不很遠氣體熱膨脹玻璃液體溫度計液體熱膨脹壓力式溫度計-200~600電阻變化電阻變化利用尸體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)鉑、銅、鎳、銠、鐵熱敏電阻-270~900-270~900準確度高，能遠傳，適用于低、中溫測量鍺、碳、金屬氧化物熱敏電阻利用金屬的熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)利用金屬的熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)普通金屬熱電阻-200~1800-200~1800測量范圍廣，精度高，能遠傳，適用于中、高溫測量貴重金屬熱電阻難熔金屬熱電阻非金屬熱電阻從表中所列的各種溫度測量儀表中，機械式大多用于就地指示；輻射式的精度較差，只有電的測溫儀表精度較高，信號又便于傳送。所以熱電偶和熱敏電阻溫度計在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用。熱電偶溫度計在工業(yè)生產(chǎn)過程中極為廣泛。它具有測溫精度高，在小范圍內(nèi)熱電動勢與溫度基本呈單值、線性關(guān)系，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性較好，測溫范圍寬，響應(yīng)時間較快等特點。其使用時一定要注意冷端溫度補償，在一般情況下采用補償電橋的方法較多。其具體實現(xiàn)過程見下面的分析過程。熱電阻溫度計是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度而變化的性質(zhì)來測量溫度的。常用的有鉑電阻、銅電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻等，但與熱電偶相比較，在精度上，熱電偶精度比熱電阻高。變送器在數(shù)據(jù)采集過程中擔(dān)任了把傳感器檢測到的信號變成統(tǒng)一標(biāo)準信號（DC4~20mA或DC1~5V），從而使處理器能夠識別數(shù)據(jù)的級別，便于在自運控制過程中進行運算和做出相應(yīng)的處理決策。DDZ-Ш熱電偶溫度變送器可以把溫度轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準信號（DC4~20mA或DC1~5V），其輸出送顯示儀表或調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對溫度的顯示或自動控制。DDZ-Ш熱電偶溫度變送器具有熱電偶冷端溫度補償、零點調(diào)整、零點遷移、量程調(diào)整以及線性化等重功能。其具有以下幾個特點：(1)采用了線性集成電路，提高了儀表的可靠性、穩(wěn)定性及各項技術(shù)性能。(2)熱電偶溫度變送器中采用了線性化電路，使變送器的輸出電流?；螂妷盒盘柡捅粶y溫度（輸入信號）成線性關(guān)系。(3)線路中采用了安全火花防爆措施，幫可用于危險場所中的溫度測量變送。由以上分析，我們可以得出結(jié)論，DDZ-Ш熱電偶溫度變送器是一種集成的自動化溫度傳感變送器，在量程和精度上都完全滿足設(shè)計中溫度測量、變送的要求。4.1.3模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路因為單片機不能直接處理模擬信號，所以必須將熱電偶檢測到的溫度模擬信號變化成數(shù)字信號,單片機才能做出相應(yīng)的處理。按照設(shè)計指標(biāo)，精度要求在±0.5℃。采用8位A/D轉(zhuǎn)換器如果設(shè)定其成比例關(guān)系，即0~255，0℃~100℃。則其精確度為0.39用12位A/D器，其輸入電壓為0~5V時對應(yīng)的輸出為0~4096，設(shè)計要求溫度控制在0~100℃。我們可以將100℃時A/D輸出為1000，這樣其精度可以達到0.1℃，完全滿足設(shè)計的要求。前面已經(jīng)說明變送器的輸出為1~5V，所以可以調(diào)節(jié)送器的量程，0℃時變送器輸出為1.22V,而A/D轉(zhuǎn)換的輸出為1000;100圖6模數(shù)轉(zhuǎn)換電路TLC2551/2541是TI公司生產(chǎn)的串行12位A/D轉(zhuǎn)換器［8］，其采用DIP-8封裝，簡單的微處理器接口，單通道差分輸入，轉(zhuǎn)換時間在Flock=400KHz時為3.2us，5V供電時輸入范圍：0～5V，輸入輸出完全兼容TTL和CMOS電路，全部非校準誤差：±1LSB。單5V供電，工作溫度范圍：0℃~70℃；其接口電路如圖圖6模數(shù)轉(zhuǎn)換電路4.1.4單片機最小系統(tǒng)1單片機選型圖789c圖789c2051及其引腳與網(wǎng)標(biāo)由ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C2051［8］，除了在外部引腳上少了兩個并行口外，其它內(nèi)部資源與AT89C51完全相同，且其內(nèi)部的2KFLASHROM能夠很方便的進行擦寫，匯編指令與80C51完全兼容的特點，成為了首選。其基本特征如下：(1)具有適于控制的8位CPU和指令系統(tǒng)；(2)128字節(jié)的片內(nèi)RAM；2KB片內(nèi)ROM；(3)15線并行I/O口；(4)兩個16位定時/計數(shù)器；(5)一個全雙工串行口；(6)6個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級的中斷結(jié)構(gòu)；2晶振電路的設(shè)計單片機內(nèi)部帶有時鐘電路，因此，只需要在片外通過X1、X2引腳接入定時控制單元（晶體振蕩和電容），即可構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。振蕩器的工作頻率一般在1.2~12MHz之間，當(dāng)然在一般情況下頻率越快越好。可以保證程序運行速度即保證了控制的實時性。一般采用石英晶振作定時控制元件；在不需要高精度參考時鐘時，也可以用電感代替晶振，有時也可以引入外部時鐘脈沖信號。C9、C10雖然沒有嚴格要求，但電容的大小影響振蕩器的振蕩的穩(wěn)定性和起振的快速性，通常選擇在10~30PF左右。在設(shè)計電路板時，晶振，電容等均應(yīng)盡可能靠近芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性。圖8復(fù)位電路和時鐘電路4.1.5片外數(shù)據(jù)輔助存儲器在系統(tǒng)的設(shè)計過程中，考慮到加熱器在加熱過程中出現(xiàn)斷電的情況。當(dāng)這種情況發(fā)生時，系統(tǒng)應(yīng)該繼續(xù)加熱到斷電前設(shè)定的溫度。而設(shè)定的溫度存儲在單片機的數(shù)據(jù)在存儲器中，單片機斷電重啟動后存儲的設(shè)定溫度已經(jīng)消失。為了達到此功能，在單片機外部加入了一個基于I2C總線的E2I2C總線簡介：I2C總線由PHILIPS提出，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）及SCL（串行時鐘線）兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識別每個器件：不管是單片機、存儲器、LCD驅(qū)動器還是鍵盤接口。采用I2C其協(xié)議定義的數(shù)據(jù)格式如下［9］：開始7/10器件地址R/WACKSUBADDACKDATAACK……停止AT24C01是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行E2PROM，它是內(nèi)含128×8位存儲空間，具有工作電壓寬（2.5～5.5V）、擦寫次數(shù)多（大于10000次）、寫入速度快（小于10ms）等特點。在系統(tǒng)中，用AT24C01存儲用戶設(shè)定的保持溫度，上限溫度和下限溫度。當(dāng)系統(tǒng)斷電再得電以后，系統(tǒng)將自動的讀出AT24C01中的保存值，并根據(jù)其內(nèi)容進行加熱，直到設(shè)定的溫度。從而達到了斷電后再加熱的目的。其實際電路連接圖如圖9，電阻R7、R8為I2C圖9圖9AT24C01接口4.1.6人機交互接口1顯示電路顯示部分用于顯示用戶設(shè)定的溫度、上限溫度、下限溫度和當(dāng)前溫度值等。當(dāng)然，從理論上而言，如果要很明了的顯示各種數(shù)值的話，應(yīng)該加上漢字顯示模塊，這樣就可以一目了然的識別出各種設(shè)定值。從這一方面來說LCD顯示器就占有很大的優(yōu)勢。但LCD顯示器也存在著很大的不足，如LCD顯示器一般都有8根數(shù)據(jù)線和5根控制線，即使是用串行的情況下也要占用單片機的8個I/O口［10］，或者6根線和幾個邏輯門。使用LED顯示器可以很容易解決I/O口的問題，采用51單片機的串行方式0，只要兩根線（數(shù)據(jù)與時鐘）就能完成顯示功能，而且串行口還可以跟其它芯片共用，只要加上一個邏輯門電路形成線選就可以了。但其有一個明顯的弱點就是顯示的時候只能看到一個值，讓人有一種不直觀的感覺，并且在鍵盤上設(shè)定好一個顯示管理鍵，要顯示什么值只有按這個鍵就可以達到循環(huán)顯示的目的。本顯示電路共設(shè)了四位，分別用于顯示溫度的百、十、個、小數(shù)位。所以顯示的溫度可以精確到小數(shù)點后一位，即0.1℃。但溫度的設(shè)定值只能輸入兩位，即十位百位。Disselec用于選通顯示［11］。其具體電路圖10圖10圖10顯示電路2信號輸入電路圖11鍵盤電路鍵盤作為人機接口之一，在系統(tǒng)的功能實現(xiàn)過程中起著不可或缺的作用。在硬件的實現(xiàn)上，采用串行接口，由一個74HC164，其8個輸出口作為矩陣鍵盤的列線，再由89C2051的P1.1、P1.2作為行線組成，每根線上都加一個上拉電阻，用于減小干擾。整個鍵盤共設(shè)16個鍵，見圖圖11鍵盤電路表2鍵盤設(shè)置與功能設(shè)定表2鍵盤設(shè)置與功能設(shè)定鍵名個數(shù)(標(biāo)號)功能數(shù)字鍵10（0~9）輸入0~100℃下限溫度1（15）設(shè)定上限溫度，正常顯示時輸入有限，數(shù)據(jù)輸入時無效，且報錯上限溫度1（14）設(shè)定下限溫度，正常顯示時輸入有限，數(shù)據(jù)輸入時無效，且報錯設(shè)定恒溫1（13）設(shè)定恒溫溫度，正常顯示時輸入有限，數(shù)據(jù)輸入時無效，且報錯停機鍵1（11）使其停止加熱，正常顯示時有限，停機時停止顯示，停止測量。確認鍵1（10）確定輸入的數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)時有效，其它情況下報警。下翻1（12）循環(huán)顯示設(shè)定、上限、下限溫度，按下顯示2秒，不按則顯示溫度3報警電路為使系統(tǒng)的人機交互界面更好，設(shè)置了兩路報警信號，分別為兩路紅色的發(fā)光二極管，用于顯示越限報警和誤輸入報警。圖12報警電路當(dāng)電爐中水溫高于工作人員所設(shè)定的上限溫度或者低于設(shè)定的下限溫度時，則認為發(fā)生了越限，越限報警燈圖12報警電路誤輸入報警(LED2)主要用于鍵盤管理中，當(dāng)用鍵盤進行恒溫設(shè)定、上、下限溫度設(shè)定時工作人員如果沒有按說明中所要求的步驟進行操作的話就是所謂的誤操作。當(dāng)出現(xiàn)誤操作時誤輸入報警燈點亮，此時工作人員應(yīng)進行輸入檢查，查看說明并更正。越限報警和誤輸入報警分別由P1.0和P1.5口引出，其上接的電阻為限流電阻，用于防止電流過大而引起的發(fā)光二極管燒毀[12]。4.1.7執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)為一個固態(tài)繼電器，程序中采用了模擬的PWM變換方法。通過控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通與關(guān)斷達到控制電爐的通電和斷電的目的［5］。圖13圖13執(zhí)行器圖4.2軟件設(shè)計開始初始化，開中斷開始初始化，開中斷移入設(shè)定值并顯示調(diào)用鍵盤管理子程序結(jié)束圖14主程序流程4.2.1主程序主程序作為程序的入口，控制各類程序的調(diào)用。在系統(tǒng)中其主要的任務(wù)是調(diào)用鍵盤管理程序。然后其它的功能都由鍵盤管理程序和中斷程序完成。可以說主程序起到了重啟動后讀入E2PROM中的設(shè)計溫度和上、下限溫度；設(shè)計各類定時器和開中斷的，并調(diào)用鍵盤管理程序的功能。但這樣處理主程序起到了分散功能的作用，即主程序會變得很容易編寫，而具體的功能都由功能子程序完成。主程序流程如圖14所示。具體程序見附錄B。4.2.2串行A/D轉(zhuǎn)換芯片的驅(qū)動和其輸出值的量化1TLC2551的驅(qū)動前面已經(jīng)說明系統(tǒng)中采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片是串行的，所以我們在使用其時必須按照其時序一步步的完成，其時序圖如圖15所示。圖15TLC2551的時序圖圖15TLC2551的時序圖圖16A/D轉(zhuǎn)換和量化流程圖入口啟動A/D，讀入數(shù)值A(chǔ)/D值－1000圖16A/D轉(zhuǎn)換和量化流程圖入口啟動A/D，讀入數(shù)值A(chǔ)/D值－1000計算出溫度值返回2A由前面硬件部分的說明可以得出，設(shè)計要求的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果跟溫度值的關(guān)系是：A/D值=溫度×10。正如前面說所,由于變送器的限制,我們只能將0℃時所對應(yīng)的變送器輸出為1.22V,而100℃時對應(yīng)的變送器輸出是其量化順序為：讀入A/D轉(zhuǎn)換值、用二進制無符號除法將轉(zhuǎn)換值減去1000，再將其結(jié)果用二進制無符號數(shù)除法除[13]以10，取商和余數(shù)。分別作為溫度的整數(shù)部分和小數(shù)部分，用于四位溫度顯示。流程圖如圖16所示。其程序見附錄B。4.2.3片外I2CE2PROM驅(qū)動子程序和空間分布E2PROM的作用已在前面說明，其內(nèi)部用連續(xù)的7個字節(jié)分別用于存儲首次開機標(biāo)志、設(shè)定溫度、上限溫度和下限溫度。其中標(biāo)志占一個字節(jié)，其余各占2個字節(jié)。其時序圖如圖4.13圖17I2圖17I2C總線的時序圖從上圖我們很容易看出I2C總線的時序。使用時最開始發(fā)起始位，然后是器件地址，接著是從地址、數(shù)據(jù)最后是結(jié)束位，中間還夾著應(yīng)答位。AT2401在電路中的器件地址為1010000（前4位為I2C協(xié)議規(guī)定的E2PROM的地址，后3位為其類地址，由圖17可知其類地址為000）。因為只用到了其中的10H~16H單元，其余單元空閑，所以SUBADD（圖中的第二個ADDESS）為00000010。其讀寫程序見附錄4.2.4溫度及設(shè)定值的顯示子程序要顯示的數(shù)據(jù)存儲于連續(xù)的四個數(shù)據(jù)存儲器之中。由圖4.6可知其采用了串行口方式0，所以要用時只要將串行口設(shè)置為方式0，然后在脈沖的配合下從高位到低位一個個的移入SUBF寄存器中即可。其要顯示的數(shù)據(jù)共四位位于從TEMPDATA開始的四個連續(xù)存儲空間中。流程如圖18，具體程序見附錄B。4.2.5鍵盤管理子程序鍵盤管理程序包括鍵盤掃描程序（用于將輸入的鍵值讀入到數(shù)據(jù)存儲器中）、鍵值判斷轉(zhuǎn)移程序（判斷輸入的數(shù)值并根據(jù)數(shù)值的異同做出相應(yīng)的處理）。1鍵盤掃描子程序由圖17可知同顯示接口一樣，鍵盤接口同樣使用了串行口的方式0。當(dāng)檢測到有鍵按下時，程序?qū)z測是在第0行或者是在第1行，然后通過串行輸出不同的列值來掃描按下的鍵在哪一列。最后將鍵值讀入到keyboard存儲器中。鍵值=行值×8+列值。2鍵值判斷轉(zhuǎn)移子程序由硬件部分可知鍵盤中除了幾個數(shù)字鍵外，還有幾個功能鍵。此程序用于判斷輸入的鍵是功能鍵還是數(shù)字鍵，如果是功能鍵則選擇相應(yīng)的功能或者在誤輸入的情況下報警，提醒操作者。其流程圖見圖19鍵盤管理程序見附錄B。圖19圖19鍵盤管理程序流程調(diào)用功能鍵處理程序Y入口將二進制數(shù)化為小數(shù)、個、十、百四位數(shù)，存儲于四個單元中設(shè)置串行口到個位？輸出顯示置小數(shù)點N到四位？報錯入口有輸入？清緩沖區(qū)功能鍵?NNYY圖18顯示程序流程返回返回4.2.6定時中斷應(yīng)答子程序1定時中斷0中斷服務(wù)子程序定時中斷0用于等周期的進行A/D轉(zhuǎn)換（即溫度的采樣點數(shù)固定），并將采樣后的值作為模糊輸入量，再由模糊控制程序?qū)崿F(xiàn)由輸入量到輸出量的計算，再將計算出的控制量存儲在fuzztime寄存器中。并調(diào)用顯示程序刷新當(dāng)前系統(tǒng)的溫度。整個程序為順序執(zhí)行。流程圖如圖20，具體程序見附錄B。2定時器1中斷服務(wù)子程序同定時器0類似，定時器實現(xiàn)了模擬的PWM變換。即定時器1中存在一個周期時間（為20MS）。在這個時間內(nèi)定時器1在fuzztime個周期的時間內(nèi)將執(zhí)行器通電，使加熱器加熱，其余的周期時間（20-fuzztime）執(zhí)行器不通電。圖20定時中斷0服務(wù)程序流程圖中斷入口存儲斷點A/D轉(zhuǎn)換圖20定時中斷0服務(wù)程序流程圖中斷入口存儲斷點A/D轉(zhuǎn)換模糊運算顯示刷新返回輸出20-fuzztime個負周期中斷入口輸出fuzztime個正周期圖21定時中斷1服務(wù)程序的流程圖返回重置計數(shù)器4.2.7模糊運算子程序模糊運算程序?qū)崿F(xiàn)了由A/D轉(zhuǎn)換值到模糊控制值的運算。其中包含了求差量化和查模糊表等子程序。偏差=現(xiàn)行溫度值─設(shè)定溫度值，其模糊集合可以表示為{負大（NB）、負小（NS）、零（Z0）、正小（PS）、正大（PB）}并將其大小量化為九個等級：-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4。其論域E為E={-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4}。為簡化運算，可將控制量U的大小也量化成上述九個等級若根據(jù)專家經(jīng)驗，這些模糊集的隸屬度量化為如表3：表3模糊集的隸屬度量表3模糊集的隸屬度量量化等級語言變量量化等級語言變量-4-3-2-10+1+2+3+4PB000000.40.711PS0000.40.710.70.40ZO000.40.710.70.400NS00.40.710.70000NB110.70.400000根據(jù)熟練操作人員手工控制經(jīng)驗，模糊控制規(guī)則如下：1）IFE=NBTHENU=PB2）IFE=NSTHENU=PS3）IFE=ZOTHENU=ZO4）IFE=PSTHENU=NS5）IFE=PBTHENU=NB上述模糊控制規(guī)則為一多重模糊條件語句，可用誤差論域E到控制量論域U的模糊關(guān)系R表示為：接下來再由講法法則和上述計算關(guān)系進行矩陣運算，結(jié)果如表4表表4差值與控制量的等級對應(yīng)表-4-3-2-10+1+2+3+4U+4+3+2+10-1-2-3-4差值與實際溫度的量化關(guān)系如表5表表5量化等級與實際溫度的對應(yīng)表量化等級-4-3-2-10+1+2+3+4實際溫差℃-5-3-2-10+1+2+3+5控制U與實際輸出的量化關(guān)系如表6表表6控制量的量化等級與實際輸出之間的關(guān)系量化等級-4-3-2-10+1+2+3+4實際輸出20105321000注：數(shù)值為每20個周期內(nèi)的導(dǎo)通周期數(shù)實際運用過程中，可以將-4~4量化為0~8，減少符號數(shù)的運算。另外為了減少程表7簡化后的實際溫差與實際輸出的關(guān)系表序，可由差值表7簡化后的實際溫差與實際輸出的關(guān)系表實際溫差-50+0.+0.+0.5+5012345678實際輸出20105321000注：數(shù)值為每20個周期內(nèi)的導(dǎo)通周期數(shù)分析可知，可以通過查表程序來求得其模糊控制值。程序流程圖如圖22。入口差值為正？入口差值為正？直接量化負數(shù)求原碼去符號返回A/D值－１０００圖23.求差量化子程序入口求差值并量化由差值量化值求fuzztime返回保存圖22模糊運算子程序的流程圖4.3抗干擾設(shè)計與軟件調(diào)試在系統(tǒng)的運行過程中可能出現(xiàn)各種干擾，如信號不穩(wěn)定、電路板搞干擾能力差、程序跑飛等，也可能在搬運或者使用過程中對電路板或者原器件的磨損等。所以在設(shè)計過程中應(yīng)做好搞干擾設(shè)計，以求將干擾對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響降到最低。4.3.1硬件抗干擾設(shè)計在硬件設(shè)計過程中為了減少外部信號對系統(tǒng)的影響采用了以下幾種抗干擾措施。I/O口外接濾波電容和上拉電阻，減小信號干擾。制作PCB板時對重點信號線實行地線包絡(luò)，并于導(dǎo)線集中的地方和過孔處補上淚滴，加強連接。3.PCB板的雙面分別填充電源層與地線層[14]，并對沒有并線的地方進行覆銅PCB板布局實行模塊化分離，模塊之間進行信號隔離，對電源變壓器進行隔離。4.3.2軟件抗干擾措施軟件抗干擾就有投資低的優(yōu)點，本文采用的軟件抗干擾措施如下：（1）指令冗余當(dāng)CUP受到干擾后，往往將一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行，引起程序的混亂，我們首先要盡快將程序納入正軌，也就是讓程序彈飛到某一個單字節(jié)指令NOP，這就是指令冗余，自此，常在一些對程序的流向起決定作用的指令之前插入兩條NOP指令，以保證彈飛的程序迅速納入正確的控制軌道。在某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)至關(guān)重要的指令前也可插入兩條NOP指令，以保證被正確執(zhí)行。（2）軟件陷阱當(dāng)彈飛的程序落到非程序區(qū)（如ROM中未使用的空閑和程序中的數(shù)據(jù)表格區(qū)）時，就形成了死循環(huán)，解決的辦法就是用一條引導(dǎo)指令強行將捕獲的程序印象到一個指定的地址，為了加強捕獲的效果，一般還在其前面加兩條NOP指令[15]。因此，軟件陷阱由三條指令組成：NOPNOPLJIMPSTARTa.未使用的中斷向量區(qū)當(dāng)干擾未使用的中斷開放，并激活這些中斷時，就會進一步引起混亂，如果我們在這些地方布上陷阱，就能及時捕獲到中斷?？稍谥袛嗳肟谔幖尤隦ETI指令。b.未使用的大片ROM空間對于剩下的ROM空間，一般在每隔一段設(shè)置一個陷阱（02H00H00H）從頭開始，此時前兩個00H即是設(shè)置陷阱的地址，又是NOP指令，起到雙重的作用。4.3.3軟件調(diào)試軟件的調(diào)試包括模糊運算中的模糊表的求取和程序的調(diào)試。1.模糊表的求取在軟件設(shè)計部分中已經(jīng)說明，模糊運算中由于單片機的運算能力有限，所以將模糊矩陣的運算部分采用了離線的方式，進行求取。其體的求取過程如下：(1)將熟練操作人員得出的模糊關(guān)系得出關(guān)系R。如圖24。圖24圖24系統(tǒng)的模糊關(guān)系R(2)運行編好的程序，求出控制量。依次輸入各種情況下的模糊隸屬度，并進行解模糊求出控制表。圖25E=NS時的控制值如E=NS時有，U=[0.40.40.70.70.710.70.70圖25E=NS時的控制值(3)解模糊并求出控制將上述結(jié)果進行解模糊即按照隸屬度最大原則，應(yīng)先取控制量為“+1”級。同理均可從R中確定一個相應(yīng)的值，列成控制表如表4.5。2.軟件的調(diào)試軟件的調(diào)試部分包括各類程序的調(diào)試，如主程序、鍵盤管理子程序、定時中斷程序。當(dāng)然最重要的是模糊運算程序，它可以檢測模糊運算的正確性，和在此運算方式下的控制效果及精度等。接好調(diào)試電路，輸入程序并進行查錯、編譯，運得程序觀察結(jié)果，并繪制曲線如下。（1）當(dāng)輸入溫度為95℃時，理想曲線、最終調(diào)試曲線及最初測試曲線對照如26圖26圖26輸入溫度為95℃(２)選中最終參數(shù)后，輸入溫度為50℃時，理想曲線測試曲線對照如圖27圖27圖27輸入溫度為50℃分析：（1）我們可以看出當(dāng)?shù)谝淮螠y試時，由于參數(shù)不準，所以出現(xiàn)了誤差較大，達不到系統(tǒng)指標(biāo)。而經(jīng)過不斷調(diào)整參數(shù)，系統(tǒng)達到了預(yù)期的控制效果。（2）當(dāng)參數(shù)調(diào)好后，重新設(shè)置輸入溫度?？梢钥闯鲈趖1以前系統(tǒng)全速加