基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 畢業(yè)論文

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1、基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 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,美國著名控制論學者L.A.Zadeh發(fā)表了開創(chuàng)性論文,《FUZZY SETS》首次提出了一種完全不同于傳統(tǒng)數(shù)學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

2、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。 現(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，而又不是很復雜，不需

3、要大量復雜運算的系統(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，塑料的定型過程中也要保持一定的溫度［2］。隨著科學技術(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

4、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)學上發(fā)展起來的一門新的控制科學[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 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)指標如下。 1. 被控對象可以是電爐或燃燒爐，溫度控制在0~

5、100℃，誤差為0.5℃； 2. 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 本文的工作 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

6、段不完善等，使難以按數(shù)學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著名教授L.A.Zadeh于1965年在其Fuzzy,Fuzzy Algorithm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)學形式直接表達出來，從而使對復雜系統(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

7、形成奠定了基礎(chǔ)［３］。 為了加快模糊控制理論的研究，1972年在日本東京大學建立了“模糊系統(tǒng)研究會”，以后，各大學相繼招開模糊控制的國際學術(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

8、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，特別是針對復雜系統(tǒng)的自學習與參數(shù)自調(diào)整模糊系統(tǒng)方面的研究受到各國學者的重視。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

9、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?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

10、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 (2.1) 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?shù)乇硎境鰜怼? 這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

11、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，A為U到閉區(qū)間的任一映射， (2.2) 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 (2.

12、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 (2.4) 式中積分號不是高等數(shù)學中的積分意義，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。 當然，給出隸屬函數(shù)的一個解析式子也能表示出一個模

13、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 (2.5) (4) 并集 模糊集合A和B的并集C，其隸屬函數(shù)可表示為

14、 (2.6) (5) 交集 模糊集合A和B的交集C，其隸屬函數(shù)可表示為 (2.7) (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 (2.8) 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 (2.9) 隸屬函數(shù)

15、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)： (2.10) 當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

16、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

17、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 (2.11) 顯然，R集是X和Y直積集中的一個子集，即 (2.12) (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

18、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 當是有限集合時，則的模糊關(guān)系可用下列階矩陣來表示 (2.13) 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 (2.14) 模糊矩陣并 (2

19、.15) 模糊矩陣交 (2.16) 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 (2.17) (4) 模糊變換 設(shè)

20、是一個m維模糊向量，而 　　　　　　　　　　　 (2.18) 是一個維模糊向矩陣表示的模糊關(guān)系，則稱 (2.19)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

21、量?？梢姡阅：仃嚭铣蛇\算所執(zhí)行的模糊變換在意義重大。 2.2.1 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，相當于隸屬函數(shù)值。 模糊命題的一般形式是 A：e is F(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：

22、 (2.20) 邏輯交： (2.21) 邏輯非： (2.22) 限界差： (2.23) 限界和： (2.24) 限界積： (2.25) 蘊涵： (2.26) 等價：

23、 (2.27) 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： i. N是變量名稱，即單詞。 ii. T(N)是N的語言真值集合。 iii. U是N的論域。 iv. M是詞義規(guī)則。 v. 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

24、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

25、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“if A then B else c”、“if A and B then c”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

26、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)(Neural Network)和遺傳基因(Genetic

27、 Mechanism)形成交叉學科神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊技術(shù)(Neuron Fuzzy Technique)和遺傳基因模糊技術(shù)(Genetic Fuzzy Technique)，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)都在各自的學科里取得了引人注目的進展，而且在這兩個學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)和信息科學的新革命。 神經(jīng)模糊控制(Neuron-Fuzzy Control)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

28、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)的學習能力來訓練模糊規(guī)則。提高整個系統(tǒng)的學習能力和表達能力，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，對被控對象進行尋優(yōu)學習，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(Expert Fuzzy Controller)由R

29、.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 模糊系統(tǒng)建模及參數(shù)辨識 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

30、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

31、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)則的學習方式和算法等。 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。 2.3.4 模糊控制系統(tǒng)的基本原理 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，以滿足復雜的、不確定的過程控制的需要。它屬于智能控制范圍[2]。 A/D 模糊控制器 D/A 執(zhí)行機構(gòu) 被控對象

32、檢測變送器 給定量+ u 被控量 e - 圖2.1 模糊控制系統(tǒng)的組成 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： (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)學模糊的過程。 (

33、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。 控制對象可以是電

34、爐也可以是油爐，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

35、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3.1 方案1的原理框圖 + LED顯示

36、 + 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 (3) 系統(tǒng)原理框圖 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)熱器電源的導通與斷開，從而達到控制溫度的目的。 TL2551 89C2051 固態(tài)繼電器 LED顯示 DDZ—Ⅲ熱電偶溫度變送器 鍵 盤 電爐 溫

37、度 圖3.2 方案2的原理框圖 (3) 系統(tǒng)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

38、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 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3.3 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。 (

39、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

40、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)學的

41、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

42、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

43、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3.2。 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

44、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。從整個系統(tǒng)的設(shè)計來看，其中有幾塊集成芯片和多個電阻、電容等器件，其功率總和應(yīng)在2W左右，所以考慮整個系統(tǒng)的功率裕量，采用78M05作為整個系統(tǒng)的供電芯片。 其主要電路如圖4.1所示： 圖4.1 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

45、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0.1F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］。 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

46、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。 2. 盡可能選擇快速響應(yīng)的測量元件與變送設(shè)備。

47、 3. 對測量信號作必要的處理。 a. 測量信號校正。 b. 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。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；

48、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℃左右，且介質(zhì)為水，不易與測量體發(fā)生化學反應(yīng)。所以理所當然選擇接觸式的溫度測量方式更為理想。 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4.1： 表4.1 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 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

49、溫度計 -200~600 電阻變化 利用尸體或半導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 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) 普通金屬熱電阻 -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)和科學研究領(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用。

50、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體或半導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)采集過程中擔任了把傳感器檢測到的信號變成統(tǒng)一標準信號（DC 4~20mA或DC 1~5V），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

51、決策。 DDZШ熱電偶溫度變送器可以把溫度轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準信號（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

52、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，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℃，完全滿足要求，但考慮要留有一定的裕量，即100℃不能為255，雖然這個問題可以用調(diào)整變送器的方法來解決。但這其中又隱含了另外一個問題即將溫度的檢測值到十進制溫度轉(zhuǎn)換的計算，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果每增加一個單位值，十進制溫度增加0.39度，這需

53、要用二進字浮點數(shù)運算。意味著在有限的存儲空間里面要存儲浮點數(shù)的加、減、乘、除和二進制數(shù)與十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換程序等；并且因為溫度是通過鍵盤輸入到存儲器中的所以輸入的溫度值也要經(jīng)過轉(zhuǎn)換，這就大大的加長了程序運行的時間同時也就減短了A/D轉(zhuǎn)換所占用的時間和溫度的采樣點數(shù)，直接影響了其控制精度。同時很大程度上加大了編程的難度，其在邏輯思維上、程序轉(zhuǎn)換上都有較大的難度。要滿足精度要求，而且還要在運算上、數(shù)值轉(zhuǎn)換上不困難，可以通過調(diào)整變送器的量程和A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率來解決。 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1

54、000，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℃時輸出2.44V，A/D輸出為2000。通過以上設(shè)定，在保證了很大的裕量的同時又減小了其計算的復雜性。其輸出值=溫度10，運算的時候根本不用采用浮點數(shù)運算，只要一個雙字節(jié)無符號數(shù)減法、除法即可以完成，且在顯示的時候也可以精確顯示到小數(shù)點后面一位。 圖4.2　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F

55、lock=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4.2。 4.1.4單片機最小系統(tǒng) 1 單片機選型 圖4.3　89c2051及其引腳與網(wǎng)標 整個系統(tǒng)采用最小化設(shè)計，其外部所接組件大多采用了串行通信，所以在單片機選型時不需要很多的并行口，有一定的程序存儲器和定時器、外部中斷即可。 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2KFLASH ROM

56、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，當然在一般情況下頻率越快越好?？梢员ＷC程序運行速度即保證了控制

57、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4.4　復位電路和時鐘電路 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

58、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E2PROM，完成對設(shè)定溫度的存儲。 I2C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總線標準的單片機或IC器件，其內(nèi)部不僅有I2C接口電路，而且將內(nèi)部各單元電路按功能劃分為若干相對獨立的模塊，通過軟件尋址實現(xiàn)片選，減少了器件片選線的連接 。 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/W ACK

59、 SUBADD ACK DATA ACK …… 停止 AT24C01是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行E2PROM，它是內(nèi)含1288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4.5，電阻R7、R8為I2C協(xié)議的上拉電阻。 圖4.5 AT24C01接口

60、 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、下限溫度和當前溫度值等。當然，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

61、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4.6所示： 圖4.6 顯示電路 2 信號輸入電路 圖4.7 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

62、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4.7。其鍵名和功能如表4.2。 表4.2　鍵盤設(shè)置與功能設(shè)定 鍵 名 個數(shù)(標號) 功 能 數(shù)字鍵 10（0~9） 輸入0~100℃的溫度數(shù)值，不設(shè)小數(shù)，但可顯示。 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

63、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4.8 報警電路 當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(LED1)點亮，提示操作出現(xiàn)了越限報警，提醒工作人員注意是否有意外情況發(fā)生。值得一提的是，

64、當系統(tǒng)從低溫開始加熱，到下限溫度以前系統(tǒng)都會出現(xiàn)越限報警。當出現(xiàn)越限報警時，工作人員應(yīng)該注意是不是此種情況，此情況可以忽略。 誤輸入報警(LED2)主要用于鍵盤管理中，當用鍵盤進行恒溫設(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)繼電器的導通與關(guān)斷達到

65、控制電爐的通電和斷電的目的［5］。 圖4.9 執(zhí)行器圖 4.2 軟件設(shè)計 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4.10 主程序流程 系統(tǒng)的軟件部分以主程序為入口，在初始化之后調(diào)用鍵盤管理程序，完成對鍵盤的掃描，讀入鍵值，并根據(jù)相應(yīng)的鍵值進行各類操作。溫度采樣頻率由定時器控制，在每一次采樣完成之后進行模糊控制時間的計算和顯示刷新。 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?？梢哉f主程序起到了重啟動后讀入E2PROM中的設(shè)計溫度和上、

66、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4.10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 1 TLC2551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4.11所示。 圖4.11 TLC2551的時序圖 圖4.12　A/D轉(zhuǎn)換和量化流程圖 入口 啟動A/D，讀入數(shù)值 A/D值－1000 計算出溫度值 返回 從圖上可以看出A/D轉(zhuǎn)換的最高位數(shù)據(jù)在CS變低以后的第二個脈沖開始出現(xiàn)，而TLC2551為12位，即其轉(zhuǎn)換結(jié)果在第14脈沖時完全從TLC2551出來進入到單片機內(nèi)部。其使用過程為先置CS為低，將其選通，然后一直發(fā)14個脈沖，從第2個到第5個脈沖后將A/D轉(zhuǎn)換值存儲于轉(zhuǎn)換結(jié)果的高字節(jié)，從第6個到13個時將其值存入到轉(zhuǎn)換結(jié)果的低字節(jié)。其程序見附錄B。 2 A/D轉(zhuǎn)換值到溫度的量化子程序 由前面硬件