1、恒溫電熱水爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要電熱水鍋爐是一種新型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是目前較為理想的環(huán)保、節(jié)能型供暖設(shè)備。由于電熱水鍋爐的溫度、水位控制都具有非線性、大慣性、大滯后以及難以建立精確的數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，因此給控制過程帶來很大麻煩。在本設(shè)計(jì)中，尋求一種最佳的控制方案，以達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)時間短且超調(diào)量小的性能指標(biāo)。本文先闡述了恒溫電熱水爐控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對可用的控制方案進(jìn)行了說明。先對常規(guī)pid控制、模糊控制的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了說明，然后分別設(shè)計(jì)控制器，根據(jù)被控對象的數(shù)學(xué)模型，利用matlab的simulink開發(fā)環(huán)境和模糊邏輯工具箱分別對溫度、水位的pid控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。結(jié)

2、果表明模糊控制的效果更好，性能指標(biāo)更為理想，因此模糊控制是一種較為理想的控制方案。在電熱水鍋爐控制系統(tǒng)對系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以at89c51單片機(jī)為核心部件的硬件電路，實(shí)現(xiàn)了溫度的采集與控制、水位的采集與控制、無水報(bào)警與保護(hù)等各種功能。在硬件電路設(shè)計(jì)的同時，也進(jìn)行了相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化結(jié)構(gòu)，分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：溫度，水位，模糊控制，仿真，單片機(jī) control system design of thermostat electric water heaterabstractelectric hot water boiler is a kind of electr

3、omechanical product model, which is environmental friendly, energy-saving heating equipment of the ideal. because the control of electric water boilers temperature, water level has the nonlinear, large inertia, large delay and it is difficult to establish accurate mathematical model, so to control t

4、he process have a lot of trouble. in this design, in order to achieve the performance index of system stability, control performance in short time and small overshoot , to seek an optimal control scheme is important.this paper first describes the present situation of the constant temperature control

5、 system of electric water heaters both at home and abroad ,then introduce some available control schemes. at first , the theoretical basis of conventional pid control and fuzzy control, then based on the mathematical model of the object, design the controller, using matlab simulink development envir

6、onment and the fuzzy logic toolbox respectively on the temperature and water level in the pid control system and fuzzy control system simulation analysis. the results show that the performance of fuzzy control is better, so the fuzzy control is a kind of ideal control scheme. based on the system fun

7、ction requirement of electric hot water boiler control system, designing the hardware circuit with at89c51 single chip as the core components of the design, realizing the function of temperature acquisition and control, water collection and control, alarm and protection function of anhydrous. in the

8、 hardware circuit design at the same time, has also carried on the corresponding software design, system software design uses the modular structure design module.key words：temperature, water level, fuzzy control, simulation, single-chip microcomputer目錄 前言1第1章 緒論21.1 選題的背景及意義21.2 國內(nèi)外電熱水鍋爐控制方案發(fā)展現(xiàn)狀21.3

9、 模糊控制方法發(fā)展現(xiàn)狀41.4 本文的主要研究內(nèi)容5第2章 控制算法的基本理論72.1 pid控制的理論基礎(chǔ)72.1.1 pid控制的基本理論72.1.2 pid控制算法92.2 模糊控制的基本理論102.2.1 模糊控制的基本原理102.2.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)102.2.3 模糊控制器的優(yōu)點(diǎn)132.3 本章小結(jié)14第3章 恒溫電熱水爐模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真153.1 控制系統(tǒng)的仿真工具153.1.1 matlab概況153.1.2 simnlink仿真實(shí)現(xiàn)153.2 電熱水鍋爐pid控制系統(tǒng)仿真163.2.1 溫度pid控制系統(tǒng)仿真163.2.2 水位pid控制系統(tǒng)仿真183.3 溫度模糊

10、控制器設(shè)計(jì)193.4 水位模糊控制器設(shè)計(jì)213.5 本章小結(jié)24第4章 恒溫電熱水爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)254.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)254.2 各單元模塊硬件電路設(shè)計(jì)264.2.1 單片機(jī)的選型264.2.2 溫度檢測電路設(shè)計(jì)294.2.3 水位檢測電路設(shè)計(jì)324.2.4 鍵盤和顯示電路設(shè)計(jì)334.2.5 缺水保護(hù)電路設(shè)計(jì)354.2.6 溫度控制電路設(shè)計(jì)354.2.7 水位控制電路設(shè)計(jì)364.3 本章小結(jié)37第5章 恒溫電熱水爐控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)385.1 主程序設(shè)計(jì)385.2 溫度檢測子程序設(shè)計(jì)395.3 水位檢測子程序設(shè)計(jì)415.4 鍵盤輸入子程序設(shè)計(jì)415.5 顯示子程序設(shè)計(jì)425.6 本章小

11、結(jié)43結(jié)論44參考文獻(xiàn)45致謝47前言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，控制技術(shù)，檢測技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)的生產(chǎn)和管理進(jìn)入自動化、信息化和智能化時代，智能化已經(jīng)成為時代發(fā)展的需要，實(shí)現(xiàn)電熱水鍋爐的智能化控制成為了電熱水鍋爐研究的主要趨勢。在國外，由于對電熱水鍋爐的研究較早，所以電熱水鍋爐的控制水平較高。由于起步較晚，國內(nèi)電熱水鍋爐的控制水平相對不高，主要表現(xiàn)在算法簡單、粗糙，造成溫度、水位控制效果不佳，易產(chǎn)生輸出控制量的震蕩，而且自動化程度不高。 鍋爐控制作為過程控制的一個典型，不管是國外還是國內(nèi)的鍋爐溫度、水位控制主要采用pid控制。pid控制是最早發(fā)展起來的應(yīng)用經(jīng)典控制理論的控制策略之一，由于其算法簡單、魯

12、棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。但實(shí)際上電熱水鍋爐溫度、水位控制是一個滯后、時變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，因此應(yīng)用常規(guī)pid控制往往不能達(dá)到較為理想的控制效果。因此，我們有必要采用一種新型的控制方式，既能使控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度降低，又能達(dá)到設(shè)備的控制要求。而模糊控制技術(shù)為該領(lǐng)域提供了一種有效的解決方法。模糊控制正適合數(shù)學(xué)模型未知, 動態(tài)過程變化大的系統(tǒng)。模糊控制不需要建立控制對象的精確數(shù)學(xué)模型, 只要求把人工操作的經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)歸納成較完善的語言控制規(guī)則, 因此它能繞過對象的不確定性、干擾及非線性、時變性、時滯性等影響。將模糊控制方法運(yùn)用到電熱水

13、爐溫度、水位的控制中，可以很大程度的提高控制效果。本設(shè)計(jì)中基于模糊控制算法設(shè)計(jì)模糊控制器，以at89c51單片機(jī)為核心進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)電熱水鍋爐的溫度控制和水位控制，具備無水報(bào)警與保護(hù)、水位和溫度的數(shù)字化顯示等功能。本文前兩章是基礎(chǔ)部分，主要介紹了電熱水鍋爐的國內(nèi)外控制方案發(fā)展現(xiàn)狀和一些控制算法的理論基礎(chǔ)。第三章主要是模糊控制器的設(shè)計(jì)與仿真，并與pid控制方法進(jìn)行對比，說明模糊控制的優(yōu)點(diǎn)。第四、五章分別是硬件和軟件部分設(shè)計(jì)。第1章 緒論1.1 選題的背景及意義在工業(yè)生產(chǎn)過程中，控制對象各種各樣，溫度和水位是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中普遍而且重要的物理參數(shù)之一。在生產(chǎn)過程中，為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，

14、必須對它的主要參數(shù)，如溫度、水位、壓力、流量等進(jìn)行有效的控制。溫度、水位的控制在生產(chǎn)過程中占有相當(dāng)大的比例，其關(guān)鍵在于檢測和控制兩方面。溫度、水位檢測是控制的基礎(chǔ)，技術(shù)已經(jīng)比較成熟。由于控制對象越來越復(fù)雜，在溫度、水位控制方面，還存在著許多問題。如何更好地提高控制性能，滿足不同系統(tǒng)的控制要求，是目前科學(xué)研究領(lǐng)域的一個重要課題。溫度、水位控制一般指對某一特定空間的溫度、水位進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到工藝過程的要求。本文主要研究電熱水鍋爐水溫水位控制的方法。電熱水鍋爐是將電能轉(zhuǎn)換為熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置1。具有結(jié)構(gòu)簡單、污染小、自動化程度高等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的以煤和石化產(chǎn)品為燃料的鍋爐相比還具有基本投資少、占

15、地面積小、操作方便、熱效率高、能量轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)。近年來，電熱水鍋爐已成為供熱采暖的主要設(shè)備。鍋爐控制作為過程控制的一個典型，動態(tài)特性具有大慣性大延遲的特點(diǎn)，而且伴有非線性。目前國內(nèi)電熱鍋爐控制很多采用的是開關(guān)式控制，甚至是人工控制方法。采用這些控制方法的系統(tǒng)穩(wěn)定性不好，超調(diào)量大，同時對外界環(huán)境變化響應(yīng)慢，實(shí)時性差。另外，頻繁的開關(guān)切換對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊，降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，減少了鍋爐的使用年限。因此，研究一種最佳的電鍋爐控制方法，對提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、便捷性、穩(wěn)定性具有重要的意義。1.2 國內(nèi)外電熱水鍋爐控制方案發(fā)展現(xiàn)狀隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，控制技術(shù)，檢測技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)的生產(chǎn)和管理進(jìn)入自動

16、化、信息化和智能化時代，智能化已經(jīng)成為時代發(fā)展的需要，實(shí)現(xiàn)鍋爐的智能化控制成為了鍋爐研究的主要趨勢。鍋爐微機(jī)控制，是近些年來實(shí)現(xiàn)鍋爐智能化控制的重要方法，它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。單片機(jī)自問世以來，性能不斷提高和完善，體積小、速度快、功耗低的特點(diǎn)使它的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，把單片機(jī)運(yùn)用于鍋爐控制中是實(shí)現(xiàn)鍋爐智能化控制的很好的選擇。目前，不管是國外還是國內(nèi)的鍋爐溫度、水位控制主要采用pid控制。pid控制是最早發(fā)展起來的應(yīng)用經(jīng)典控制理論的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系

17、統(tǒng)。但實(shí)際上電熱水鍋爐溫度、水位控制是一個滯后、時變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，再加上設(shè)備運(yùn)行時間的增加及環(huán)境因素變化，使得pid算法中的參數(shù)可能需要不定期的重新整定，因此應(yīng)用常規(guī)pid控制往往不能達(dá)到較為理想的控制效果?；谏鲜鲈?，我們有必要采用一種新型的控制方式，既能使控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度降低，又能達(dá)到設(shè)備的控制要求。近些年來，隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展和成熟，在鍋爐溫度、水位控制系統(tǒng)中日益廣泛。智能控制是一類無需人的干預(yù)就能夠針對控制對象的狀態(tài)自動地調(diào)節(jié)控制規(guī)律以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的控制策略。它避開了建立精確的數(shù)學(xué)模型和用常規(guī)控制理論進(jìn)行定量計(jì)算與分析的困難性。就目前而言，智能控制是解決傳統(tǒng)過程控制局限性

18、問題和提高控制質(zhì)量的一個重要途徑2。目前應(yīng)用于電熱水鍋爐控制系統(tǒng)的幾種常用智能控制方法有：1. 模糊控制模糊控制是基于模糊邏輯的描述一個過程的控制算法，它不需要被控對象的精確模型，僅依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和直覺判斷，容易應(yīng)用。模糊控制的實(shí)現(xiàn)過程為：將控制對象的偏差和偏差變化率以及輸出量劃分為不同的模糊值，建立規(guī)則，將這些模糊規(guī)則寫成模糊條件語句，形成模糊模型。根據(jù)模糊查詢表，形成模糊控制算法。對輸入量的精確值模糊化，經(jīng)數(shù)學(xué)處理輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)由模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應(yīng)的控制量，變成精確值去驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整輸入，達(dá)到調(diào)節(jié)控制量的目的3。2. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與pid的結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種利用數(shù)

19、理模型的方法模擬生物神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)及對信息的記憶和處理而構(gòu)成的信息處理方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其高度的非線性映射、自組織、自學(xué)習(xí)和聯(lián)想記憶等功能，可對復(fù)雜的非線性系統(tǒng)建模。該方法響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)、算法簡單，且易丁用硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。在鍋爐溫度、水位控制系統(tǒng)中，將溫度、水位的影響因素作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，將其輸出作為pid控制器的參數(shù)，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為樣本，在微機(jī)上反復(fù)迭代，自我完善與修止，直至系統(tǒng)收斂，得到網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，達(dá)到白整定pid控制器參數(shù)的目的，也就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定pid參數(shù)的方法4, 5。3. 模糊控制與pid的結(jié)合模糊控制與pid的具體結(jié)合形式有多種，主要是fuzzy-pid復(fù)合控制和模糊自整定

20、pid參數(shù)的方法。fuzzy-pid復(fù)合控制是指當(dāng)系統(tǒng)偏差較大時采用模糊控制，這樣響應(yīng)速度快，動態(tài)性能好；當(dāng)系統(tǒng)偏差較小時采用pid控制，使其具有好的靜態(tài)性能，保證控制精度，是一種模糊控制和pid控制分階段切換控制的方法。參數(shù)自調(diào)整模糊pid控制的方法是根據(jù)系統(tǒng)偏差和偏差變化率，由模糊推理來調(diào)整pid參數(shù)，也就是一種以模糊規(guī)則來調(diào)節(jié)pid參數(shù)的自適應(yīng)控制方法6。4. 模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合模糊控制所依賴的專家經(jīng)驗(yàn)一般不容易獲得，一成不變的控制規(guī)則也很難適應(yīng)不同被控對象的要求，所以應(yīng)該使模糊控制向著自適應(yīng)的方向發(fā)展。基于這樣的要求，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力來修正系統(tǒng)偏差和偏差變化率的比例系數(shù)

21、、修正模糊控制的隸屬函數(shù)，從而達(dá)到優(yōu)化模糊控制器的作用，進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)時控制的效果7。1.3 模糊控制方法發(fā)展現(xiàn)狀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, 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(xué)形式直接表達(dá)出來，從而使對復(fù)雜系統(tǒng)做出符合實(shí)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)。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)相繼召開模糊控制的國際學(xué)術(shù)交流會，大大促進(jìn)了模糊控制的發(fā)展。1

22、974 年，英國工程師 e.h.mamdani 首次把模糊數(shù)學(xué)應(yīng)用于對鍋爐和蒸汽機(jī)的控制,取得了圓滿的成功, e.h.mamdani 成為了應(yīng)用模糊技術(shù)的先驅(qū)。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(dá) 5000 多篇。二十世紀(jì) 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(qiáng)耦合性、參數(shù)時變性和嚴(yán)重的非線性，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(yùn)動狀態(tài)，實(shí)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

23、問題的描述具有實(shí)際意義。這樣模糊控制理論的優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代控制理論中起著越來越重要的地位和意義。同時世界各國也涌現(xiàn)了越來越多模糊控制的成功應(yīng)用范例，特別是在工業(yè)過程、機(jī)器人和家用電器控制方面，并且生產(chǎn)出了專用的模糊芯片與模糊計(jì)算機(jī)。近些年，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(bǔ)短，形成一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模擬人腦的智能信息處理系統(tǒng)，其發(fā)展前景十分誘人。將模糊控制方法運(yùn)用到電熱水鍋爐溫度、水位控制系統(tǒng)中，可以克服溫度

24、、水位控制系統(tǒng)中存在的嚴(yán)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8, 9。1.4 本文的主要研究內(nèi)容基于以上所述目前各種控制方法的特點(diǎn)，以及鍋爐溫度、水位這兩個物理參數(shù)變化緩慢，大慣性和大滯后的特點(diǎn)，本文考慮采用模糊控制方法。模糊控制系統(tǒng)組成原理框圖如圖1-1所示：圖1-1 模糊控制系統(tǒng)組成原理框圖本文的具體研究內(nèi)容如下： 1. 本文先對所采用控制算法的理論基礎(chǔ)進(jìn)行介紹，分別介紹pid控制算法、模糊控制算法的理論基礎(chǔ)，并說明模糊控制方法的優(yōu)點(diǎn)。 2. 針對溫度、水位的控制特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)控制溫度和水位的模糊控制器。運(yùn)用matlab軟件的simulink開發(fā)環(huán)境

25、和模糊邏輯工具對pid控制和模糊進(jìn)行建模仿真，并對控制性能指標(biāo)進(jìn)行分析，比較pid控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差。 3. 結(jié)合電熱水鍋爐控制系統(tǒng)對控制器的硬件要求，設(shè)計(jì)一個基于單片機(jī)的控制器，包括總體方案設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)和部分軟件設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)熱水爐的溫度控制盒水位控制，具備無水報(bào)警與保護(hù)、水位、溫度的數(shù)字化顯示功能。第2章 控制算法的基本理論對電熱水鍋爐溫度、水位的控制，首先可采用的控制方案是pid控制，它是經(jīng)典控制理論中最典型的控制方法，對工業(yè)生產(chǎn)過程的線性定常系統(tǒng)，大多采用經(jīng)典控制方法，它結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)，并且可以消除穩(wěn)定誤差，在大多數(shù)情況下能夠滿足性能要求

26、。第二個可采用方案是模糊控制，由于它是以先驗(yàn)知識和專家經(jīng)驗(yàn)為控制規(guī)則的智能控制技術(shù)，可以模擬人的推理和決策過程，因此無須知道被控對象的數(shù)學(xué)模型就可以實(shí)現(xiàn)較好的控制，且響應(yīng)時間短，可以保持較小的超調(diào)量10。2.1 pid控制的理論基礎(chǔ)2.1.1 pid控制的基本理論pid控制在生產(chǎn)過程中是一種被普遍采用的控制方法，它是基于對變量“過去”、“現(xiàn)在”和“未來”信息估計(jì)的交叉控制算法。常規(guī) pid 控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-1 所示，系統(tǒng)主要有被控對象和pid控制器兩部分組成。常規(guī)的pid一般為線性控制器，實(shí)際輸出值和給定值會存在一個偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合來構(gòu)成控制量，最后對被控對象

27、進(jìn)行控制，故稱pid控制器。工業(yè)上所用的控制規(guī)律是這些基本規(guī)律之間的不同組合。理想的pid 控制器根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成的控制偏差e(t) (2.1)將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。 (2.2)式中 控制器的輸出； 控制器的輸入，給定值與被控對象輸出值的差，即偏差信號； 比例控制項(xiàng)，為比例系數(shù)； 積分控制項(xiàng)，為積分時間常數(shù)； 微分控制項(xiàng)，為微分時間常數(shù)。圖2-1 基本pid控制系統(tǒng)原理框圖在圖2-1的基礎(chǔ)上分析一下pid控制器各校正環(huán)節(jié)的作用11： (1) 比例環(huán)節(jié) 比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，以最快的速度產(chǎn)

28、生控制作用，使偏差向最小的方向變化。隨著比例系數(shù)k的增大，穩(wěn)定誤差逐漸減小，但同時動態(tài)性能變差，振蕩比較嚴(yán)重，超調(diào)量增大。(2) 積分環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié)的引入主要用于消除靜差，即當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，則此時控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個常值上。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)t，時間常數(shù)越大積分作用越弱，反之越強(qiáng)。隨著積分時間常數(shù)t的減小，靜差在減??；但過小的積分常數(shù)會加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。(3) 微分環(huán)節(jié) 微分環(huán)節(jié)的引入是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)速度，它可以預(yù)測將來，能反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變太大之前，在系統(tǒng)引入一個有效的早期修正信號，從而加速系統(tǒng)

29、的動態(tài)速度，減小調(diào)節(jié)時間。2.1.2 pid控制算法在計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，pid控制器是通過計(jì)算機(jī)pid控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。進(jìn)入計(jì)算機(jī)的連續(xù)時間信號，必須經(jīng)過采樣和量化后，變成數(shù)字量，才能進(jìn)入計(jì)算機(jī)的存儲器和寄存器，而在數(shù)字計(jì)算機(jī)中的計(jì)算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。pid控制規(guī)律在計(jì)算機(jī)中的實(shí)現(xiàn)，也是用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期 t足夠短時，用求和代替積分，用差商代替微商，使 pid 算法離散化，即可作如下近似變換：(k=0,1,2,) (2.3)式中 t采樣周期。將描述連續(xù) pid 算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散時間 pid 算法的差分方程，為書寫方便，將簡化表示成

30、,即為數(shù)字pid位置型控制算法， 如式 (2.4)所示。 (2.4)式中 k采樣序號，k= 0,1,2,；第k次采樣時刻的計(jì)算機(jī)輸出值；第 k 次采樣時刻輸入的偏差值；第(k-1)次采樣時刻輸入的偏差值；積分系數(shù)， ；微分系數(shù)，; 由 (2.4) 式可得：= = (2.5)式中，即為增量式pid控制算法，由第次采樣計(jì)算得到的控制量輸出增量。可以看出，由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期，一旦確定了 、，只要使用前3次的測量值偏差，即可求出控制量的增量。2.2 模糊控制的基本理論2.2.1 模糊控制的基本原理模糊控制是模糊集合理論中的一個重要方面，是以模糊集合化、模糊語言變量和模糊邏輯推理為

31、基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，從線性控制到非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇12。模糊控制是建立在人類思維模糊性基礎(chǔ)上的一種控制方式，模糊邏輯控制技術(shù)模仿人的思考方式接受不精確不完全信息來進(jìn)行邏輯推理,用直覺經(jīng)驗(yàn)和啟發(fā)式思維進(jìn)行工作,是能涵蓋基于模型系統(tǒng)的技術(shù)。它不需用精確的公式來表示傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程，而是利用具有模糊性的語言控制規(guī)則來描述控制過程。控制規(guī)則通常是根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)得出的，所以模糊控制的基本思想就是利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)13。2.2.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)模糊控制器 (fcfuzzy controller) 又稱為模糊邏輯

32、控制器 (flcfuzzy logic controller),它的模糊控制規(guī)則用模糊條件語句來描述，是一種語言型控制器，因此有時又被稱為模糊語言控制器。通常將模糊控制器輸入變量的個數(shù)稱為模糊控制器的維數(shù)，以單輸入單輸出模糊控制器為例，可分為一維控制器、二維控制器和三維控制器14。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制精度越高，但維數(shù)過高會導(dǎo)致控制規(guī)則復(fù)雜，控制算法實(shí)現(xiàn)困難等問題，目前人們廣泛設(shè)計(jì)和應(yīng)用的是二維模糊控制器，本設(shè)計(jì)中應(yīng)用的也是二維控制器，其圖如圖 2-2 所示。圖2-2 二維模糊控制器模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示模糊控制器主要由模糊化接口、知識庫，模糊推理機(jī)、解模糊口四部分

33、組成15，各部分作用如下：圖2-3 模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖 (1) 模糊化 模糊化接口接受的輸入只有誤差信號e，由e再生成誤差變化率e或誤差的積分，模糊化接口完成兩項(xiàng)功能：a. 論域變換：和都是非模糊的普通變量，它們的論域 (即變化范圍) 是實(shí)際域上的一個真實(shí)論域，分別用x和y來代表。在模糊控制器中，真實(shí)論域要變換到內(nèi)部論域x和y，無論是對于d-fc(離散論域的模糊控制器)，還是c-fc(連續(xù)論域的模糊控制器) ，論域變換后e和變成e和ec，相當(dāng)于乘了一個比例因子(還可能有偏移)。b. 模糊化：論域變換后e和ec仍是非模糊的普通變量，這里把它們分成若干個模糊集合，如：“負(fù)大”(nb)、“負(fù)中”(n

34、m)、“負(fù)小”(ns)、“零”(z)、“正小”(ps)、“正中” (pm)、“正大” (pb)，并在其內(nèi)部論域上規(guī)定各個模糊集合的隸屬度函數(shù)。在時刻輸入信號的值和經(jīng)論域變換后得到e和ec，再根據(jù)隸屬函數(shù)的定義可以分別求出e和 ec對各模糊集合的隸屬度，如(e)、(ec)、，這樣就把普通變量的值變成了模糊變量 (即語言變量)的值，完成了模糊化的工作。這里e，ec既代表普通變量又代表了模糊變量，作為普通變量時其值在論域 x和y中，是普通數(shù)值；作為模糊變量是其值在論域0，1中，是隸屬度。(2) 知識庫 顧名思義，知識庫中存儲著有關(guān)模糊控制器的一切知識，它們決定著模糊控制器的性能。是模糊控制器的核心。

35、知識庫又分為兩部分，分別介紹如下：a. 數(shù)據(jù)庫：它與計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)庫不同，它存儲著有關(guān)模糊化、模糊推理、解模糊的一切知識，如模糊化中的論域變換方法、輸入變量各模糊集合的隸屬函數(shù)定義、模糊推理算法、解模糊算法、輸出變量各模糊集合的隸屬函數(shù)定義等。b. 規(guī)則庫：其中包含一組模糊控制規(guī)則，即以“if ，then ”形式表示的模糊條件語句如：r1：if e is a1 and ec is b1, then u is c1；r1：if e is a2 and ec is b2, then u is c2； rn：if e is an and ec is bn, then u is cn。其中，e和e

36、c就是前面的語言變量，a1，a2,，an是e的模糊集合，b1，b2，bn是ec的模糊集合，c1，c1，c1是u的模糊集合。每條規(guī)則是在一個積分空間xy z中的模糊關(guān)系，ec y，uz。如果 x、y 、z 皆為離散論域，還可以寫成模糊關(guān)系矩陣，=1,2,n。規(guī)則庫中的n條規(guī)則是并列的，它們之間是“或”的邏輯關(guān)系，因此整個規(guī)則集的模糊關(guān)系為 (2.6)(3) 模糊推理機(jī) 推理機(jī)有每個采樣時刻的輸入，依據(jù)模糊控制規(guī)則推導(dǎo)出控制作用，而模糊控制規(guī)則這一組模糊條件語句可以導(dǎo)出一個輸入輸出空間上的模糊關(guān)系，推理機(jī)按著模糊推理的合成規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算從，而求得控制作用，推理機(jī)制為在時刻若輸入量為e和ec，e x，

37、ec y，若論域 x、y、z皆為離散的，e在 x上對應(yīng)矢量 a，ec 在對應(yīng)矢量b，則推理結(jié)果是z上的矢量c(4) 解模糊 解模糊可以看作模糊化的反過程，它要由模糊推理結(jié)果產(chǎn)生的數(shù)值，作為模糊控制器的輸出。解模糊接口主要完成以下兩項(xiàng)工作：a. 解模糊：對也要有真實(shí)論域z變換到內(nèi)部論域 z ，對u z 定義若干個模糊集合，并規(guī)定各模糊集合的隸屬度函數(shù)。模糊推理是在內(nèi)部論域上進(jìn)行的，因此得到的推理結(jié)果c是z上的模糊矢量，其元素為對 u 的某個模糊集合的隸屬度。對于某組輸入e和 ec，一般會同時滿足多條規(guī)則,因此會有多個推理結(jié)果，為不同的模糊集合,用公式(3.2)求 c。 （2.7）并用解模糊算法

38、(如最大隸屬度法、重心法、中位法等) ，即可求得此時的內(nèi)部控制量。 b. 論域反變換：得到的u z，進(jìn)行論域反變換即可得到真正的輸出，它仍是非模糊的普通變量。2.2.3 模糊控制器的優(yōu)點(diǎn)本設(shè)計(jì)中選用模糊控制器，主要?dú)w結(jié)為模糊控制器的以下優(yōu)點(diǎn)16：(1) 無需知道被控對象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制是以人對被控系統(tǒng)的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而設(shè)計(jì)的控制器，故無需知道被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。對多輸入多輸出、時變及滯后等復(fù)雜系統(tǒng)都能進(jìn)行控制，它的實(shí)現(xiàn)主要依賴模糊規(guī)則庫，且從工業(yè)過程的定性認(rèn)識出發(fā)，較容易建立語言變量控制規(guī)則。(2) 是一種反映人類智慧思維的智能控制。模糊控制采用人類思維中的模糊量，如“高”、“中”、“低”

39、、“大”、“小”等，使得控制機(jī)理和控制策略易于理解和接受，設(shè)計(jì)簡單，便于維護(hù)和推廣。 (3) 易被人們所接受。模糊控制核心是控制規(guī)則，這些規(guī)則是以人類語言表示的，很明顯這些規(guī)則易被一般人所接受和理解。 (4) 構(gòu)造容易。用單片機(jī)來構(gòu)造模糊控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與一般的數(shù)字控制系統(tǒng)無異，而且隨著模糊控制系統(tǒng)軟硬件的發(fā)展，模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得越來越簡單，成本也越來越低。 (5) 魯棒性好。模糊控制系統(tǒng)無論被控對象是線性的還是非線性的，都能執(zhí)行有效的控制，具有良好的魯棒性和適應(yīng)性。 (6) 根據(jù)不同的要求出發(fā)，可以設(shè)計(jì)出幾個不同的指標(biāo)函數(shù)，但是對于一個給定的系統(tǒng)而言，其語言是分別獨(dú)立的控制規(guī)則。2.3

40、本章小結(jié)本章介紹了電熱水鍋爐控制系統(tǒng)的兩種控制方案，即pid控制和模糊控制，分析了兩種控制方法的基本理論及控制特點(diǎn)，介紹了兩種控制器的設(shè)計(jì)及控制算法的實(shí)現(xiàn)。最后說明了模糊控制的優(yōu)點(diǎn)。第3章 恒溫電熱水爐模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真3.1 控制系統(tǒng)的仿真工具3.1.1 matlab概況matlab語言是由美國的clever moler博士于1980年開發(fā)，以后又經(jīng)多位專家加以補(bǔ)充、添加。成為功能強(qiáng)大、內(nèi)容廣泛的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的軟件工具。matlab語言設(shè)計(jì)者的初衷是為了解決數(shù)學(xué)中“線性代數(shù)”課程的矩陣運(yùn)算問題而進(jìn)行開發(fā)的。之后控制學(xué)者們注意到了它特有的矩陣處理功能，并發(fā)現(xiàn)了用于控制理論研究的功能豐富的

41、控制系統(tǒng)專用工具箱和結(jié)構(gòu)圖程序設(shè)計(jì)的simulink仿真環(huán)境，使得matlab語言成為控制界計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的有利工具。其他諸如信號處理、應(yīng)用數(shù)學(xué)等學(xué)科，也紛紛向matlab中加入了各種實(shí)用的專用工具，使得matlab語言越來越完善，功能越來越強(qiáng)大。例如在信息與控制學(xué)科中相當(dāng)活躍的模糊邏輯、小波分析、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、arma模型技術(shù)等，在matlab中都有專用的工具箱?？梢哉f，迄今為止matlab語言的擴(kuò)展開發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束，各學(xué)科的相互促進(jìn)、相互滲透使得matlab語言的應(yīng)用越來越廣泛，越來越實(shí)用17。3.1.2 simnlink仿真實(shí)現(xiàn)本文在matlab7.0下的simulink仿真工具對

42、電熱水鍋爐水溫、水位控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，因?yàn)閙atlab提供了基本模糊邏輯工具箱(fuzzy logic toolbox)，使得建立和設(shè)計(jì)模糊控制器變得方便。模糊邏輯工具箱提供了模糊邏輯控制器及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各種途徑。工具箱提供了生成和編輯模糊推理系統(tǒng)(fis)常用的工具函數(shù)，它包括了產(chǎn)生新的fis，給fis加入變量、隸屬函數(shù)、規(guī)則、設(shè)置解模糊方法及存儲fis等功能，用戶可以用命令調(diào)用這些函數(shù)的方式生成和編輯模糊推理系統(tǒng)，工具箱還提供了gui(圖形用戶界面)編輯函數(shù)，利用它用戶可以更直觀迅速地生成系統(tǒng)。交互式的模型輸入與仿真環(huán)境simulink工具箱是matlab軟件的擴(kuò)展，主要用于動態(tài)系統(tǒng)的仿真。

43、它的windows中提供了建立系統(tǒng)模型所需的大部分類型方塊。用戶只需用鼠標(biāo)器選擇所需模塊在模型窗口上“畫出”模型(雙擊任何模塊，即可打開該功能塊來完成參數(shù)的設(shè)定)，然后用鼠標(biāo)器將它們連接起來，就可以構(gòu)成一個系統(tǒng)的框圖描述，亦即得出系統(tǒng)的simulink描述。建立起系統(tǒng)模型后，用戶可通過選擇仿真菜單設(shè)置仿真控制參數(shù)，啟動仿真過程，然后通過輸出scope(示波器)觀察系統(tǒng)的仿真結(jié)果18。3.2 電熱水鍋爐pid控制系統(tǒng)仿真3.2.1 溫度pid控制系統(tǒng)仿真電鍋爐的溫度控制系統(tǒng)是常見的確定性系統(tǒng)，采用飛升曲線測量方法，測出鍋爐溫控制系統(tǒng)的飛升曲線，即可得到控制對象的數(shù)學(xué)模型19。由此方法可以得到電鍋

44、爐溫度系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： = （3.1）在simulink中創(chuàng)建用pid算法控制電鍋爐溫度的結(jié)構(gòu)圖如圖3-1 所示：圖3-1 電鍋爐溫度pid控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖由電鍋爐溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)得：k=1.25，t=120秒，=10秒ti=2=20秒，秒。根據(jù)ziegler-nichols (齊格勒尼柯爾斯) 參數(shù)整定法則得pid三個參數(shù)為：在該參數(shù)下，pid控制響應(yīng)曲線圖如3-2 所示：圖3-2 ziegler-nichols整定參數(shù)pid控制響應(yīng)曲線人工整定時，設(shè)定pid參數(shù)為：kp=9，ki=0.13，kd=30，響應(yīng)曲線如圖3-3所示：圖3-3 人工整定參數(shù)pid控制響應(yīng)曲線3.2.2 水

45、位pid控制系統(tǒng)仿真電鍋爐水箱水位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)模型也是一階慣性滯后環(huán)節(jié)20，根據(jù)實(shí)驗(yàn)可大致求出其參數(shù)，其傳遞函數(shù)為： （3.2）在simulink中創(chuàng)建用pid算法控制電鍋爐溫度的結(jié)構(gòu)圖如圖3-4 所示： 圖3-4 電鍋爐水位pid控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖由電鍋爐水位控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)得：k=6，t=600秒，=5秒，ti=2=10秒，td=0.5=2.5秒，對參數(shù)進(jìn)行人工整定，pid三個參數(shù)為：kp=15，ki=0.1，kd=5。在該參數(shù)下，pid控制響應(yīng)曲線圖如3-5所示：圖3-5 人工整定參數(shù)pid控制響應(yīng)曲線3.3 溫度模糊控制器設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用mamdani型二維模糊控制器，如圖3-6

46、所示。圖3-6 mamdani型二維模糊控制器控制器的輸入變量為溫度偏差e和偏差變化率ec，輸出為控制變量u。輸入變量e、ec和控制變量u的模糊子集為nb，nm，ns，z0，ps，pm，pb，論域都選為-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6。e、ec和u的模糊隸屬度函數(shù)均選擇三角形隸屬度函數(shù)，曲線圖如圖3-7所示。圖3-7 變量e、ec、u的隸屬度函數(shù)曲線在考慮模糊控制規(guī)則時，選取控制量變化的原則是：當(dāng)誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主；但誤差較小時選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為出發(fā)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)中的模糊控制規(guī)則表如表3-1所示。表3

47、-1 電熱水鍋爐溫度模糊控制規(guī)則表uecpbpmpszonsnmnbepbpbpbpbpbpmzozopmpbpbpbpmpszozopspmpmpmpszonsnszopmpmpszonsnmnmnspspszonsnmnmnmnmzozonsnmnbnbnbnbzozonmnbnbnbnb利用simulink構(gòu)建溫度模糊控制系統(tǒng)仿真模型，如圖3-8所示：圖3-8 溫度模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖在階躍響應(yīng)下，模糊控制器控制電熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線圖如3-9所示：圖3-9 溫度模糊控制響應(yīng)曲線3.4 水位模糊控制器設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用mamdani型二維模糊控制器，如圖3- 所示。控制器的輸入

48、變量為水位偏差e和偏差變化率ec，輸出為控制變量u。輸入變量e、ec和控制變量u的模糊子集為nb，nm，ns，z0，ps，pm，pb，論域都選為-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6。e、ec和u的模糊隸屬度函數(shù)均選擇三角形隸屬度函數(shù)，曲線圖如圖3-10所示。圖3-10 變量e、ec、u的隸屬度函數(shù)曲線控制量u的模糊子集中，nb表示水閥關(guān)的很快，nm表示水閥關(guān)的快，ns表示水閥關(guān)的有點(diǎn)快，zo表示水閥保持正常開度，ps表示水閥關(guān)的有點(diǎn)慢，pm表示水閥關(guān)的有點(diǎn)慢，pm表示水閥關(guān)的慢，pb表示水閥關(guān)的很慢。根據(jù)實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)中的模糊控制規(guī)則表如表3-2所示21。表3-

49、2 電熱水鍋爐水位模糊控制規(guī)則表uecpbpmpszonsnmnbepbpbpbpbpmpmpszopmpbpbpmpmpszonspspbpmpmpszonsnmzopbpmpszonsnmnbnspmpszonsnmnmnbnmpszonsnsnmnbnbnbzonsnmnmnbnbnb利用simulink構(gòu)建水位模糊控制系統(tǒng)仿真模型，如圖3-11所示。圖3-11 水位模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖在階躍響應(yīng)下，模糊控制器控制電熱水鍋爐水位控制系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線圖如3-12所示：圖3-12 水位模糊控制響應(yīng)曲線3.5 本章小結(jié) 本章首先對溫度、水位的pid控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，然后又分別設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了溫度

50、模糊控制器和水位模糊控制器，并進(jìn)行仿真。從仿真結(jié)果中可以看出，和pid控制相比，模糊控制的超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時間短，基本沒有穩(wěn)態(tài)誤差?？梢钥闯鲈诒驹O(shè)計(jì)中選用模糊控制是一種比較好的控制方案。第4章 恒溫電熱水爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)是本文的一項(xiàng)重要工作，制定一個好的總體方案能為系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供良好的指導(dǎo)，是研究工作順利完成的保證。在本文中，電熱水鍋爐溫度、水位控制系統(tǒng)由單片機(jī)、溫度檢測電路、水位檢測電路、鍵盤輸入電路、顯示電路、保護(hù)及報(bào)警電路、溫度控制電路和水位控制電路等部分組成，其系統(tǒng)框圖如圖4-1所示。鍵盤控制輸入固態(tài)繼電器at89c51電熱器電磁閥繼電器

51、顯示電路報(bào)警保護(hù)電路水度檢測水位檢測圖4-1 恒溫電熱水鍋爐控制系統(tǒng)整體框圖在該系統(tǒng)中，利用數(shù)字式溫度傳感器測得電熱水鍋爐中實(shí)際水溫，并把數(shù)字信號輸入單片機(jī)。利用水位傳感器測得實(shí)際水位，把測得的模擬信號經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入單片機(jī)。單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過顯示器顯示實(shí)時溫溫和水位，同時將溫度和水位與設(shè)定溫度和水位進(jìn)行比較，然后由設(shè)定的控制算法計(jì)算出控制量，根據(jù)控制量通過控制加熱電路和上水電路從而實(shí)現(xiàn)對電熱水鍋爐溫度和水位的控制。4.2 各單元模塊硬件電路設(shè)計(jì)4.2.1 單片機(jī)的選型本控制系統(tǒng)選擇以at89c51單片機(jī)作為核心器件。at89c51單片機(jī)是一種低功耗、高性能的8位cm

52、os微控制器，芯片rom全部采用flash rom,它能于3v的超低壓工作，與mcs-51系列單片機(jī)完全兼容，而且at89c51單片機(jī)成本低廉且工作可靠，采用12mhz的晶振。此外，at89c51還可以工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)cpu，而ram定時器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存ram數(shù)據(jù)，時鐘震蕩停止，同時停止芯片內(nèi)其他功能。所以我們選擇了at89c51作為系統(tǒng)微處理器22。at89c51有40引腳雙列直插（dip）形式，其邏輯引腳圖如圖4-2所示。圖4-2 at89c51邏輯引腳圖各引腳功能敘述如下：1電源和晶振vcc運(yùn)行和程序校驗(yàn)

53、時加+5vgnd接地xtal1接外部晶振的一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是反相放大器的輸入端。該放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。xtal2接外部晶振的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端，振蕩器的頻率是晶體振蕩頻率。（當(dāng)使用外部振蕩器時，xtal1接地，xtal2接收振蕩器信號） 在本設(shè)計(jì)中，xtal1和xtal2端外接石英晶體作為定時元件，內(nèi)部反相放大器自激振蕩，產(chǎn)生時鐘。石英晶體的振蕩頻率為12mhz，其原理圖如圖4-3所示：圖4-3 晶體振蕩電路2i/o（4個口，32根）p0口8位、漏極開路的雙向i/o口。當(dāng)使用片外存儲器（rom、ram）時，作地址和數(shù)據(jù)分時復(fù)用。在程序校驗(yàn)期間，輸

54、出指令字節(jié)（需加外部上拉電路）。p0口（作為總線時）能驅(qū)動8個lsttl負(fù)載。p1口8位、準(zhǔn)雙向i/o口。在編程/校驗(yàn)期間，用于輸入低位字節(jié)地址。p1口可驅(qū)動4個lsttl負(fù)載。對于80c51，p1.0t2，是定時器的計(jì)數(shù)端且位輸入；p1.1t2ex，是定時器的外部輸入端。這時，讀兩個特殊輸入引腳的輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。p2口8位、準(zhǔn)雙向i/o口。當(dāng)使用片外存儲器（rom及ram）時，輸出高8位地址。在編程/校驗(yàn)期間，接收高位字節(jié)地址。p2口可以驅(qū)動4個lsttl負(fù)載。p3口8位、準(zhǔn)雙向i/o口，具有內(nèi)部上拉電路。p3口提供各種替代功能。在提供這些功能時，其輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。p3口可以輸入/輸出4個lsttl負(fù)載。3串行口p3.0rxd（串行輸入口），輸入。p3.1txd（串行輸出口），輸出。4中斷p3.2int0外部中斷0，輸入。p3.3int1外部中斷1，輸入。5定時器/計(jì)數(shù)器p3.4t0定時器/計(jì)數(shù)器0的外部輸入，輸入。p3.5t1定時器/計(jì)數(shù)器1的外部輸入，輸入。6數(shù)據(jù)存儲器選通p3.6wr低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通。p3.7rd低電平有效，輸出，片外存儲器讀選通。7控制線