單片機原理及系統(tǒng)課程設計專業(yè)自動控制班級姓名學號指導教師評語考勤10分守紀10分過程30分設計報告30分答辯20分總成績100分基于單片機的模糊控制算法溫度控制系統(tǒng)設計摘要隨著電子產品向智能化和微型化的不斷發(fā)展,單片機已成為電子產品研制和開發(fā)中首選的控制器。為了更好地推廣單片機在實際生活和生產中的應用,本文介紹一種應用AT89C51單片機設計的模糊控制的溫度控制系統(tǒng)，該溫度系統(tǒng)采用溫度傳感器DS18B20獲得當前溫度，利用AT89C51單片機實現(xiàn)對溫度的控制，系統(tǒng)能夠實時顯示當前的溫度值，并可以通過按鍵設定將要控制的溫度值。當檢測到當前溫度時，單片機計算出誤差和誤差變化率，通過查詢根據(jù)模糊控制規(guī)則得出的控制表，找出正確有效的控制量代碼，再按照對應的控制方法發(fā)出控制信號，根據(jù)實際溫度與控制溫度的的差值及差值變化率，找到最佳的控制量，控制電熱絲和電風扇執(zhí)行相應的動作。在本文中采用模塊化結構，主要模塊有鍵盤設定模塊、LED顯示模塊、雙向晶閘管加溫控制模塊、風扇降溫模塊。本模糊控制的溫度控制系統(tǒng)具有體積小、操作靈活、可靠性高、實用、成本低等特點,適合住宅和各類溫室溫度的控制具有一定的實用意義。關鍵詞AT89C51DS18B20模糊控制雙向晶體管1設計目的這套模糊溫度控制系統(tǒng)可以方便地實現(xiàn)溫度測量、溫度顯示及控制等功能，并通過與單片機連接的鍵盤可以實時設定要測控溫度，還可以連接相應的外圍電路，在收到單片機發(fā)出的指令后對環(huán)境進行檢測，再通過控溫裝置控制溫度的升降。2設計方案及原理該溫度控制系統(tǒng)的總體設計框圖如圖所示，主要由單片機、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、七段數(shù)碼顯示管、鍵盤等組成。當傳感器監(jiān)測到溫度信息后傳輸給單片機，單片機對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)實時顯示到共陰極的七段數(shù)碼管顯示器上，系統(tǒng)設置了所要控制的溫度值，當現(xiàn)場溫度超過或低于這個設定值時，系統(tǒng)就會控制電阻絲升溫或風扇降溫。系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)組成框圖3硬件設計31鍵盤設定模塊本設計的鍵盤設定模塊采用獨立式鍵盤，設三個按鈕，分別為設定/顯示器/顯示器，十位增加鍵和個位增加鍵，在設定控制溫度的值時，可以通過按下設定/顯示按鍵，再按下十位增加與個位增加按鍵進行設置，設置完成后即可松開設定/顯示按鍵，LED顯示實時的溫度值，如要查看設定溫度值，則可以直接按下設定/顯示按鍵，LED顯示設定值，這樣的設計不僅可以減少LED的成本，還可以電路變得簡單，更適合操作。溫度值顯示設定值輸入單片機控制量輸出DS18B20雙向晶閘管加熱絲加熱繼電器風扇降溫32LED顯示模塊考慮到本系統(tǒng)的顯示內容比較簡單，而且亮度要求比較高，對顯示器件的耐用性要求也比價高，所以本設計選用七段數(shù)碼管來完成顯示功能。系統(tǒng)通過軟件的設計使得設定值與實際值可在同一數(shù)碼管上顯示，所以只用六位即可，大大節(jié)約了成本，也縮小了硬件體積。實時顯示可以顯示55C128C的溫度范圍，最后一位數(shù)碼管顯示符號C。設定顯示時顯示“SET/控制溫度值”，其中控制溫度值為兩位，可知該系統(tǒng)的溫度控制范圍是0C99C。本設計選用共陰數(shù)碼管，單片機P2口實現(xiàn)動態(tài)顯示的位選功能，P0口實現(xiàn)段選功能，由于單片機I/O口的輸出電流難以點亮數(shù)碼管，所以在P0輸出口需要串聯(lián)74LS245來增加驅動能力。33雙向晶閘管加溫控制模塊本設計的加溫功能是采用交流調功電路實現(xiàn)，交流調功電路時將負載與交流電源接通幾個整周波，再斷開幾個整周波，通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調節(jié)負載所消耗的平均功率。這種電路常用于電爐的溫度控制，因為像溫度這樣的控制對象，其時間常數(shù)往往很大，所以只要以周波數(shù)為單位進行控制就足夠了。通?？刂凭чl管導通的時候都是在電源電壓過零的時候，這樣，在交流電源接通期間，負載電壓電流都是正弦波，不對電網(wǎng)電壓電流造成通常意義的諧波污染。本設計采用過零觸發(fā)芯片MOC3041實現(xiàn)對雙向晶閘管的過零觸發(fā)，從而控制晶閘管環(huán)路中負載電熱絲RL的功率，電路見附圖6所示，33風扇降溫模塊當加溫電路產生超調，或者外界溫度太高的時候，系統(tǒng)必須采取降溫措施，以達到設定溫度值?？紤]到本系統(tǒng)的實際意義，僅采取風扇降溫和自然降溫相結合的方法即可，該電路采用光電耦合器，PNP晶體管以及繼電器相互配合實現(xiàn)風扇的控制，當光電耦合器輸入端輸入低電平信號時，4，6腳導通，此時晶體管Q1也導通，致使繼電器線圈有足夠大的電流流過，使其吸合，從而導通直流電動機環(huán)路，使其工作。其中R1起到限流作用，保護光電耦合器，光電耦合器又將單片機的工作電壓5V電源與繼電器以及直流電動機的驅動電源進行了有效的隔離，這樣既可以防止強電流流入弱電流電器件將器件損壞，又可以避免一定的干擾。電阻R2,R3同樣起到限流保護的作用，電路見附圖5所示。4模糊控制算法41模糊控制的基本原理模糊控制結構圖如圖2所示圖2模糊控制結構圖42模糊控制程序的設計思想本系統(tǒng)所用的模糊控制器由單片機AT89C51的程序實現(xiàn)，用單片機實現(xiàn)具體過程如下1求系統(tǒng)給定值與反饋值得誤差E，單片機通過采樣獲得系統(tǒng)被控量的精確值，然后將其與給定值比較，得到系統(tǒng)誤差。2計算誤差變化率EC。這里對誤差求微分，指的是在一個采樣周期內求誤差的變化率E,3輸入量的模糊化，將E和EC模糊化變成模糊量E,EC。同時，把語言變量E,EC的語言值化為某適當論域上的模糊子集。4控制規(guī)則。他是模糊控制器的核心，控制規(guī)則可能有很多條，那么需要求出總的控制規(guī)則R，作為模糊推理的依據(jù)。5模糊推理。輸入量模糊化后的語言變量E,EC作為模糊推理部分的輸入，再由E,EC和總的控制規(guī)則R，根據(jù)推理合成規(guī)則進行模糊推理得到模糊控制量U6逆模糊化。為了對被控對象施加精確地控制，必須將模糊控制量轉化為精確U，即逆模糊化。EECRU給定值計算誤差變化模糊化處理控制規(guī)則模糊處理逆模糊化執(zhí)行機構被控對象傳感器A/D轉換被控量EECY7建立模糊控制查詢表，以便單片機快速控制。43模糊控制規(guī)則本系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則，采用MAMDANI推理法中的一種最常見的形式“IFAANDBTHENC”語句來建立。由于誤差語句變量E，誤差變化率語言EC均用了7個語言值，所以本系統(tǒng)的模糊規(guī)則共用了49條。可得到模糊控制查詢表如下表1表1模糊控制查詢表ECUU54321012345105555554321195555554221185555554221175555554211165555554211155555554211145555443211135555443211125544432211015544321111005433211100014322211000023222111000032221100000042221100000051111100000061111100000071111100000081111100000091111100000010111110000005軟件設計根據(jù)系統(tǒng)硬件結構，按如下程序流程進行軟件設計。圖3程序設計流程6系統(tǒng)仿真及實際調試首先要在KEIL軟件編寫源程序，經(jīng)過編譯、調試生成HEX文件；然后雙擊PROTEUSISIS原理圖中的單片機AT89C51，選擇好要加載的789HEX文件；最后進行仿真運行。其中，紅色方塊代表高電平，藍色代表低電平，灰色代表懸空。開始定時計數(shù)器初始化掃描顯示讀取溫度計算，查表獲得顯示碼按鍵設定處理模糊規(guī)則查表7總結本文介紹了基于AT89C51單片機的溫度控制系統(tǒng)的設計，對整個硬件電路和軟件程序設計做了分析，介紹了溫度控制系統(tǒng)的設計方案選擇及原理介紹，并通過仿真軟件PROTEUS實現(xiàn)了在一定范圍的溫度顯示控制。在課程設計過程中，通過對仿真軟件PROTEUS，KEILC，數(shù)字溫度傳感器DS18B20的學習使用，掌握了單片機應用系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)的設計、調試方法，初步掌握并具備應用單片機進行設備技術改造和產品開發(fā)的能力，培養(yǎng)了創(chuàng)新意識，提高了動手能力和分析問題、解決問題的能力。參考文獻1王思明等單片機原理及應用系統(tǒng)設計M北京科學出版社,20122周潤景,徐宏偉單片機電路設計、分析與制作M北京機械工業(yè)出版社,201053譚浩強C程序設計第四版北京清華大學出版社,20104諸靜模糊控制理論與設計原理北京機械工業(yè)出版社,2010附錄一1完全電路圖圖4完全電路圖2風扇降溫模塊電路圖R142065412U4OPTOCOUPLERNPNR1205VR2010K12VR08212VD101N401V1VSINEQ12N3703RL112VBR12W10G圖5風扇降溫模塊電路圖A6A655A4A433A2A211A0A077B12B34B50A76A54A32A10S01S23S45S67S01S23S45S67B54B32B10XTAL218XTAL119ALE301PSN29RST9P0/AD0391/18P02/AD2373/36P04/AD4355/54P06/AD637/72P1012P12334P14556P16778P30/RXD101/TP32/IN012/IT13P34/014P37/RD176/W65/T15P27/A1528P20/A8211/9P2/A0233/14P24/A2255/1366/47UAT89C51C130PFC230PFX1C3234567891RP110KA02B0181317A24B2163535A46B4145753A68B612797CE19AB/AU274LS245230DQ2VC3GN1U3DS18B20R320ZEROCRSING1264U5MOC3041MR142065412U4OPTCOUPLERNPR1205VR201KR15360R163012VR08212VD10N41V1SINEU10Q425RR1739C401URL10KV2SINEABCD8ACMPSU1P30/RXDU1P31/TXDC41RL2Q12N370RL112VBR12W10G3雙向晶閘管加溫控制模塊圖6雙向晶閘管加溫控制模塊附錄二源程序/包含頭文件，端口定義，程序開始INCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTSBITDQP14SBITSETP10SBITINT_AP11SBITINT_BP12SBITTEMP_INCP30SBITTEMP_DECP30UNSIGNEDCHARFLAG,FLAGA,SET_A2,SET_B5,E10UNSIGNEDCHARTCNT,U,SETTEMPA,SET_TEMPB,REALTEMP,SETTEMPUCHARCODESCAN80XFE,0XFD,0XFB,0XF7,0XEF,0XDF,0XBF,0X7FUCHARCODETABLE0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X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