1、空調機的溫度控制系統設計摘要空調機的溫度控制對于工業和日常生活等工程都具有廣闊的應用前景。本文將傳統控制理論與智能控制理論相結合應用于溫度控制的實際工程中。首先，設計出系統的硬件構成，然后，從熱力學的角度對溫度對象的特性做了較深入的分析，從理論上推導出溫度對象的常用的一階帶純滯后的近似數學模型，并給出了數學模型中各參數的含義。在此基拙上，本文分析了現有空調機控制方法的利弊，并針對它們各自的優、缺點，對具有純滯后特性的溫度對象提出一種改進的模糊控制方法。該方法將模糊控制、PID控制結合起來。通過數字仿真表明該方法對空調機溫度的控制具有超調小(可達到無超調)、調節時間短、魯棒性好等優點。在此基拙上

2、，用階躍信號做激勵，辨識出系統的數學模型。本文的最后，通過對實物實驗結果可以看出，本文所提出的改進的模糊控制算法對非線性、具純滯后環節對象的控制是很有效的。溫度控制系統的軟件采用匯編語言編制，控制算法部分采用C與匯編混合編程。該軟件基于Windows20000/xp平臺，人機界面友好，易于用戶操作。具有在線修改采樣時間、控制算法、控制參數、圖形顯示及數據保存和打印功能。設計的空調機溫度控制的精確性，使用方便，功能齊全。關鍵詞:PWM控制 模型辨識 模糊控制 PID控制目錄摘要IAbstract- 2 -目錄- 3 -前言- 4 -1 MCS-51單片機簡介- 8 -1.1芯片的引腳描述- 8

3、-1.2 MSC-51單片機中央處理器- 11 -2 溫度控制系統的實現- 13 -2.1總體設計- 13 -2.2信號采樣電路設計- 14 -溫度采樣電路設計- 14 -單片機最小系統的設計- 16 -2.3 A/D轉換電路設計- 18 - A/D轉換的常用方法- 18 -2.3.2 A/D轉換器的主要技術指標- 19 - ADC0809的主要特性和內部結構- 19 - ADC0809管腳功能及定義- 20 - ADC0809與8031的接口電路- 22 -2.4軟件系統的初始化程序- 22 -2.5軟件程序的主循環框架- 23 -2.6校準程序- 25 -3 控制算法的研究- 27 -3.

4、1 PID算法的研究- 27 -3.2模糊控制系統設計- 27 -模糊控制算法- 28 -模糊控制的基本概念- 29 -模糊控制過程- 30 -總結- 35 -致謝- 36 -參考文獻- 37 -前言 控制菌種生長環境的設施和設備由功能簡單、單一的氣候箱發展成現在控制復的人工氣候室，這對于研究在人工模擬自然生態環境中生長因素對菌種生長的提供了必要的條件和能夠繼續深入研究的基礎。目前，大多數菌種培養車間都采取通過控制水加熱機組和水制冷機組進行溫度的調節，這使得整個控制設備占于龐大，控制復雜，能耗大，投資高。部分氣候室采用中央空調控制溫度，但中央空調同樣存在成本高低精度的問題，且存在不同氣候室同時

5、向主機提出兩種不同運行式請求，導致系統失控的可能，因此，此種車間的控溫方法也存在缺陷。所以，操作簡單，控制精度高，系統性能好，投資低的新型菌種培養車間正為人們所期待。本文提出了一種以普通壁掛式空調來調節人工氣候室溫度的新方法，加以合理智能算法可以有效地對溫度進行高精度恒溫控制，而且成本較低，操作方便。課題的研究目的：高精度溫度控制就是實現溫度的更加精確化，準確化。實現溫度恒溫化，更好的來滿足菌種的生長溫度。 當今空調機的溫度控制是人們利用可控電路對空調機進行控制，來實現對溫度的控制。它只能滿足人們一般的需求，溫控精度也不高，對更高的溫度需求不能滿足。例如菌種的培養車間，菌種的生長需要非常穩定的

6、溫度環境，對溫度的要求非常高，這就需要對空調機的溫度來實現高精度控制。培養菌種的培養車間需要較高的溫度精度，它的溫度控制一般是由空調機來實現的，而現今空調機的控溫精度不高，一般在23度左右，誤差比較大。這就需要對我們控溫系統進行改進。來實現空調機高精度的控制。菌種培養車間需要的誤差一般在0.5度左右，這首先需要非常靈敏的裝置對溫度進行檢測，防止因檢測而帶來的錯誤。這可以用電接水銀溫度計(WXG型)進行測量。將測量的信號通過高靈敏度的溫度傳感器送到微處理器中。從而用微處理器來實現對空調機的高精度溫度控制。這樣才能滿足培菌車間的需要。本課題的研究意義： 要使菌種培育更好，就必須有一流的生長條件和環

7、境。傳統的菌種培養車間是育種試驗必不可少的條件，它可以縮短試驗周期，可以模擬各種氣候條件而不受自然氣候的制約和影響。但是溫度控制的精度還是不高，這就必須對空調機進行改進，實現對溫度高精度控制。 本系統就是針對以上老系統存在的不足及實際要求設計開發的。只要設定運行曲線后，就可連續自動地運行，按照給定曲線同時調節溫度，并保存實際運行的參數和設定參數。課題的特點及具體要求： 菌種培養車間是一個多變量相互禍合的復雜系統，溫度具有純滯后、大慣性特性。而且外界的氣候的變化也會對室內的溫度產生影響。所以按照常規的控制方法，要對溫室對象建立精確數學模型幾乎是不可能的，而且控制精度很難保證育種過程的要求。培養車

8、間能夠在任意時候模擬任意的氣候條件，而且溫度要能夠嚴格按照給定曲線變化，要求具有保護功能。根據己有控制系統的運行經驗和不足之處，改造其老系統，要求實現的主要功能和技術指標如下:系統需采用兩級計算機控制，上位機采用工控機，下位機采用自行開發的智能控制器。 系統的控制算法采用智能控制算法，溫度的控制精度要求為±0.2, 上位機應用程序是在Windows98環境下開發的應用程序，可以監控多臺下位機，要求有參數設定計算、過程監控、數據存儲和通信等功能。 下位機具有實時控制功能，在上位機出現故障的時候可以實施單獨控制，并且可靠性要高。本文的主要工作 本文針對單片機對溫度控制監測系統若干關鍵技術

9、展開研究工作，主要集中在以下幾個方面: 分析項目要求，介紹以低成本為核心指導思想的溫度控制系統的總體方案設計，統的組成和工作原理，闡述多點校準技術和線型插值技術在系統設計中的應用，以及些技術的應用對降低成本的作用。 系統的硬件設計，介紹主要硬件的選型及其主要特點，溫度傳感器Pt100采樣以及信號放大處理，信號調理與A/D轉換電路的設計，低壓線性穩壓器的電路設計，片機接口電路的設計以及電路的總體設計等。模塊功能設計及實現，詳細介紹在溫度監控系統中應用到的各個模塊的功能和應方法，涉及到各個模塊的功能和工作原理，各個控制寄存器的設定，模塊之間的關系協作方式等。包括基本始終模塊的應用，E2ROM存儲器

10、x25043/45的應用，數碼顯示管的應用以及按鍵等的實現。 系統的總體設計和主要程序模塊，程序設計采用匯編語言和C語言模式，并將低本高精度思想融入其中，介紹的程序模塊包括:系統初始化程序、主循環框架、準程序、LED數碼顯示程序并給出了程序的設計流程圖和部分程序源代碼。總結溫度控制系統的設計，介紹了使用現狀以及未來的改進和發展方向。1 MCS-51單片機簡介1.1芯片的引腳描述HMOS制造工藝的MCS-51單片機都采用40引腳的直插封裝（DIP方式），制造工藝為CHMOS的80C51/80C31芯片除采用DIP封裝方式外，還采用方型封裝工藝，引腳排列如圖。其中方型封裝的CHMOS芯片有44只引

11、腳，但其中4只引腳（標有NC的引腳1、12、23、34）是不使用的。在以后的討論中，除有特殊說明以外，所述內容皆適用于CHMOS芯片。 圖1.1 MCS-51的邏輯符號圖如圖，是。在單片機的40條引腳中有2條專用于主電源的引腳，2條外接晶體的引腳，4條控制或與其它電源復用的引腳，32條輸入/輸出（I/O）引腳。 下面按其引腳功能分為四部分敘述這40條引腳的功能。1、主電源引腳VCC和VSSVCC（40腳）接+5V電壓；VSS（20腳）接地。2、外接晶體引腳XTAL1和XTAL2XTAL1（19腳）接外部晶體的一個引腳。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構成了片內振蕩器。當采用

12、外部振蕩器時，對HMOS單片機，此引腳應接地；對CHMOS單片機，此引腳作為驅動端。XTAL2（18腳）接外晶體的另一端。在單片機內部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，對HMOS單片機，該引腳接外部振蕩器的信號，即把外部振蕩器的信號直接接到內部時鐘發生器的輸入端；對XHMOS，此引腳應懸浮。3、控制或與其它電源復用引腳RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPPRST/VPD（9腳）當振蕩器運行時，在此腳上出現兩個機器周期的高電平將使單片機復位。推薦在此引腳與VSS引腳之間連接一個約8.2k的下拉電阻，與VCC引腳之間連接一個約10F的電容，以保證可靠地復位。

13、VCC掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保證內部RAM的數據不丟失。當VCC主電源下掉到低于規定的電平，而VPD在其規定的電壓范圍（5±0.5V）內，VPD就向內部RAM提供備用電源。ALE/PROG（30腳）：當訪問外部存貯器時，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率周期性地出現正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而要注意的是，每當訪問外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。ALE端可以驅動（吸收或輸出電流）8個LS型的TTL輸入電路。對于EPROM單片機（如8751），在

14、EPROM編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖（PROG）。PSEN（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或常數）期間，每個機器周期兩次PSEN有效。但在此期間，每當訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現。PSEN同樣可以驅動（吸收或輸出）8個LS型的TTL輸入。EA/VPP（引腳）：當EA端保持高電平時，訪問內部程序存儲器，但在PC（程序計數器）值超過0FFFH（對851/8751/80C51）或1FFFH（對8052）時，將自動轉向執行外部程序存儲器內的程序。當EA保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，不管是否有內部程序存儲器。對于常用的

15、8031來說，無內部程序存儲器，所以EA腳必須常接地，這樣才能只選擇外部程序存儲器。對于EPROM型的單片機（如8751），在EPROM編程期間，此引腳也用于施加21V的編程電源（VPP）。4、輸入/輸出（I/O）引腳P0、P1、P2、P3（共32根）P0口（39腳至32腳）：是雙向8位三態I/O口，在外接存儲器時，與地址總線的低8位及數據總線復用，能以吸收電流的方式驅動8個LS型的TTL負載。P1口（1腳至8腳）：是準雙向8位I/O口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向I/O口。P1口能驅動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負載。對8052、8032，P1.0引

16、腳的第二功能為T2定時/計數器的外部輸入，P1.1引腳的第二功能為T2EX捕捉、重裝觸發，即T2的外部控制端。對EPROM編程和程序驗證時，它接收低8位地址。P2口（21腳至28腳）：是準雙向8位I/O口。在訪問外部存儲器時，它可以作為擴展電路高8位地址總線送出高8位地址。在對EPROM編程和程序驗證期間，它接收高8位地址。P2可以驅動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負載。P3口（10腳至17腳）：是準雙向8位I/O口，在MCS-51中，這8個引腳還用于專門功能，是復用雙功能口。P3能驅動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負載。作為第一功能使用時，就作為普通I/O口用，功能和操作方法與P

17、1口相同。作為第二功能使用時，各引腳的定義如表所示。值得強調的是，P3口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。 P3各口線的第二功能定義：P3.0 10 RXD（串行輸入口） P3.1 11 TXD（串行輸出口） P3.2 12 INT0（外部中斷0） P3.3 13 INT1（外部中斷1） P3.4 14 T0（定時器0外部輸入） P3.5 15 T1（定時器1外部輸入） P3.6 16 WR（外部數據存儲器寫脈沖） P3.7 17 RD（外部數據存儲器讀脈沖） 綜合上面的描述可知，I/O口線都不能當作用戶I/O口線。除8051/8751外真正可完全為用戶使用的I/O口線只

18、有P1口，以及部分作為第一功能使用時的P3口。 單片機的引腳除了電源、復位、時鐘接入，用戶I/O口外，其余管腳是為實現系統擴展而設置的。這些引腳構成MCS-51單片機片外三總線結構，即：地址總線（AB）：地址總線寬為16位，因此，其外部存儲器直接尋址為64K字節，16位地址總線由P0口經地址鎖存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址（A8至A15）。數據總線（DB）：數據總線寬度為8位，由P0提供。控制總線（CB）：由P3口的第二功能狀態和4根獨立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。 1.2 MSC-51單片機中央處理器中央處理器是單片機內部的核心部件，它決定了單片機的

19、主要功能特性。中央處理器主要由運算部件和控制部件組成。下面我們把中央處理器功能模塊和有關的控制信號線聯系起來加以討論，并涉及相關的硬件設備（如振蕩電路和時鐘電路）。1、運算部件：它包括算術、邏輯部件ALU、布爾處理器、累加器ACC、寄存器B、暫存器TMP1和TMP2、程序狀態字寄存器PSW以及十進制調整電路等。運算部件的功能是實現數據的算術邏輯運算、位變址處理和數據傳送操作。MCS-51單片機的ALU功能十分強，它不僅可對8位變量進行邏輯“與”、“或”、“異或”、循環、求補、清零等基本操作，還可以進行加、減、乘、除等基本運算。為了乘除運算的需要，設置了B寄存器。在執行乘法運算指令時，用來存放其

20、中一個乘數和乘積的高8位數；在執行除法運算指令時，B中存入除數及余數。MCS-51單片機的ALU還具有一般微機ALU，如Z80、MCS-48所不具備的功能，即布爾處理功能。單片機指令系統中的布爾指令集、存儲器中的位地址空間與CPU中的位操作構成了片內的布爾功能系統，它可對位（bit）變量進行布爾處理，如置位、清零、求補、測試轉移及邏輯“與”、“或”等操作。在實現位操作時，借用了程序狀態標志器（PSW）中的進位標志Cy作為位操作的“累加器”。運算部件中的累加器ACC是一個8位的累加器（ACC也可簡寫為A）。從功能上看，它與一般微機的累加器相比沒有什么特別之處，但需要說明的是ACC的進位標志Cy就

21、是布爾處理器進行位操作的一個累加器。MCS-51單片機的程序狀態PSW，是一個8位寄存器，它包含了程序的狀態信息。2、控制部件控制部件是單片機的神經中樞，它包括時鐘電路、復位電路、指令寄存器、譯碼以及信息傳送控制部件。它以主振頻率為基準發出CPU的時序，對指令進行譯碼，然后發出各種控制信號，完成一系列定時控制的微操作，用來控制單片機各部分的運行。其中有一些控制信號線能簡化應用系統外圍控制邏輯，如控制地址鎖存的地址鎖存信號ALE，控制片外程序存儲器運行的片內外存儲器選擇信號EA，以及片外取指信號PSEN。2 溫度控制系統的實現2.1總體設計總的設計思想是通過溫、濕度器及執行機構，完成溫、濕度自動

22、調節及聲光報警等功能，總體設計框圖如圖傳感器將溫度、濕度值轉換為電量輸出，由A/D轉換器對模擬信號進行數字化，被數字化的信號經過單片機處理后，送顯示 . 圖2.1總體設計框圖本系統完成以下功能:可對溫、濕度進行多點自動檢測、顯示、報警和調控。當溫、濕度超過上、下限設定值時，可自動發出聲光報警，并進行溫、濕度調節控制，直到報警消除，報警的上下限值可通過鍵盤隨時設定。為實現以上功能需安排以下五個部分組成整個控制系統如圖2.1所示。系統的硬件組成:(1)信號采樣電路(2)單片機基本系統(8031)(3)A/D轉換電路(4)鍵盤和顯示電路(5)執行電路2.2信號采樣電路設計采樣電路在整個控制裝置中占據

23、著十分重要的地位，采樣值是8031主要處理的數據，是實施控制的依據，所以保證采樣電路的準確是進行良好控制的基礎。2.2.1溫度采樣電路設計(1)溫度傳感器的選擇溫度傳感器的種類很多，根據溫室使用條件，選擇恰當的傳感器類型才能保證測量的準確可靠，并同時達到增加使用壽命和降低成本的目的。根據溫室溫度控制的特點，本系統中溫度傳感器選用AD590集成溫度傳感器。集成溫度傳感器實質上是一種半導體集成電路，它是利用晶體管的b-e結壓降的不飽和值VBE與熱力學溫度T和通過發射極電流工的關系實現對溫度的檢測: VBE = InI (2-1)式中，K一波爾茲常數；q一電子電荷絕對值。集成溫度傳感器具有線性好、精

24、度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優點，得到廣泛應用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0時輸出為0,溫度25時輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為1A/K。AD590是美國模擬器件公司利用PN結正向電流與溫度的關系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。這種器件在被測溫度一定時，相當于一個恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動的特性。它的主要特性參數如下:1.流過器件的電流(A)等于器件所處環境的熱力學溫度(開爾文)度數，即： =1A/K (2-2) 式中:Ir流過器件(AD590)的電流，單位為A。

25、T熱力學溫度，單位為K。2. AD590的測溫范圍為55150。3. AD590的電源電壓范圍為4V30V。電源電壓可在4V6V范圍變化，電流Ir變化1A，相當于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。4.輸出電阻為710M。5.精度高:AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在55150范圍內，非線性誤差為±0.3。6.靈敏度:1A/K。1.2溫度檢測電路的設計在設計測溫電路時，首先應將電流轉換成電壓。因為流過AD590的電流與熱力學溫度成正比，當電阻R1和電位器RP1的電阻之和為l Ok時，輸出電壓VO的變化為lO

26、mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應對電路進行調整。為了使此電阻精確(0.1%)，可用一個9.6k的電阻與一個1k電位器串聯，然后通過調節電位器來獲得精確的10k的電阻。溫度檢測電路如圖2.2所示，其中運算放大器Al被接成電壓跟隨器形式，以增加信號的輸入阻抗。而運放A2的作用是把絕對溫標轉換成攝氏溫標，給A2的同相輸入端輸入一個恒定的電壓，然后將此電壓放大到2.732V。這樣，Al與A2輸出端之間的電壓即為轉換成的攝氏溫標。 圖2.2溫度檢測電路將AD590放入0的冰水混合溶液中，A1同相輸入端的電壓應為2.732V，同樣使A2的輸出電壓也為2.732V，因此A1與A2

27、兩輸出端之間的電壓為OV即對應于0。AD590溫度與電流的關系如表2.1所示。表2.1 AD590溫度與電流的關系攝氏溫度 AD590電流 經10K電壓 0 273.2A 2.732V 10 283.2A 2.832V 20 293.2A 2.932V 30 303.2A 3.032V 40 313.2A 3.132V 50 323.2A 3.232V 60 333.2A 3.332V 100 373.2A 3.732V2.2.2單片機最小系統的設計(1)單片機復位電路的設計復位電路是單片機應用中重要的一環，它對單片機抗干擾有重要作用。在振蕩運行的情況下，要實現復位操作，必須使RST引腳至少保

28、持兩個機器周期的高電平。復位期間不產生ALE及PSEN信號。復位后，各內部寄存器狀態如表2.2所示。8031單片機的復位電路如圖2.3所示。 表2.2各內部寄存器狀態寄存器 內容 寄存器 內容 PC 0000H TMOP 00H AAC 00H TCON 00H B 00H TH 00H PSW 00H TH 00H SP 07H TL 00H DPTR 0000H TL 00H P0-P3 0FFH SCON 00H IP xxx00000 SBUF 不定 IE 0xx00000 PCON 0xxxxxxx 圖2.3復位電路(2)單片機時鐘電路的設計單片機的時鐘產生方法有兩種:內部時鐘方式和

29、外部時鐘方式。本系統中8031單片機采用內部時鐘方式。最常用的內部時鐘方式是采用外接晶體和電容組成的并聯諧振回路。振蕩晶體可在1.2MHz12MHz之間。電容值無嚴格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩定性、大小和振蕩電路起振速度有少許影響，一般可在20pF-100pF之間取值。8031單片機的時鐘電路如圖2.4所示。 圖2.4時鐘電路(3) 8031單片機最小系統 一個最小8031單片機系統有CPU (8031), 8位3態D鎖存器74LS373,ROM或RAM，時鐘電路和復位電路等基本電路組成。2.3 A/D轉換電路設計 由信號處理電路輸出的信號為模擬信號，而單片機只能處理數字量，所以必須首

30、先將模擬量經過一定電路轉換為數字信號，單片機才能處理，這種電路被稱為A/D轉換電路，是模擬系統與計算機之間的接口部件。2.3.1 A/D轉換的常用方法A/D轉換的常用方法有:雙積分式A/D轉換、逐次逼近型A/D轉換、計數型A/D轉換等。雙積分式A/D轉換的工作原理是將對輸入電壓的測量，轉換成對基準源積分時間的測量，再測量時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時器/計數器獲得數字值。這種方法的主要優點是分辯率高、精度高、抗干擾性好；主要缺點是轉換速度慢。逐次逼近型A/D由一個比較器和D/A轉換器通過逐次比較邏輯構成，順序地增加內部D/A的輸入值，并將其輸出電壓與A/D測量輸入電壓比較，

31、當二者相等時，內部D/A的輸入值就是A/D轉換的結果。這種方法的主要優點是速度快、功耗低；主要缺點是抗干擾性差。2.3.2 A/D轉換器的主要技術指標A/D轉換器的主要技術指標有:分辨率、精度、量程、轉換時間等。分辨率(Resolution)分辨率反映轉換器所能分辨的被測量的最小值。通常用輸出二進制代碼的位數來表示。8位A/D轉換器的分辨率為8位。精度(Precision)精度指的是轉換的結果相對于實際的偏差，精度有兩種表示方法:絕對精度和相對精度。絕對精度用最低位(LSB)的倍數來表示，如:±1LSB；相對精度用絕對精度除以滿量程值的百分數來表示，如:±0.05%。同樣分

32、辨率的轉換器其精度可能不同。量程(滿刻度范圍一 Full Scale Range)量程是指輸入模擬電壓的變化范圍。如:某轉換器具有lOV的單極性范圍或5+5V的雙極性范圍，它們的量程都為10V。實際的A/D, D/A轉換器的最大輸入/輸出值總是比滿刻度值小。轉換時間(Conversion Time)A/D轉換器的轉換時間是指:從啟動轉換開始，直至取得穩定的數字量或模擬量所需的時間稱為轉換時間。轉換時間與轉換器原理及其位數有關。同種工作原理的轉換器，通常位數越多，轉換時間越長。2.3.3 ADC0809的主要特性和內部結構本系統采用ADC0809大規模集成電路芯片，它是逐次逼近式A/D轉換器，輸

33、出的數字信號有三態緩沖器，可以和單片機直接接口。ADC0809的主要技術指標為:分辨率:8位；單電源供電:+5V；最大不可調誤差小于±1LSB；轉換時間為l00s(時鐘頻率為640KHz)；模擬輸入范圍:單極性05V；不必進行零點和滿刻度調整；功耗為15Mw；ADC0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個8位A/D轉換器和一個三態輸出鎖存器組成。其內部結構框圖如圖2.5所示。圖2.5 ADC0809轉換器的內部機構框圖2.3.4 ADC0809管腳功能及定義ADC0809模數轉換器的管腳定義如圖2.6所示圖2.6 ADC0809管腳結構圖·IN0IN7:8通道

34、模擬量輸入。·ADDA、ADDS、ADDC: A、B、C為地址輸入線，用于選通工IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如表2-3所示。·ALE:地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A、B、C三條地址線的地址信號進行鎖存，經譯碼后被選中通道的模擬量進轉換器進行轉換。·D0-D7: 8位輸出數據線(三態)，A/D轉換結果由這8根線傳送給單片機。·OE:允許輸出信號。當OE=1時，輸出轉換得到的數據；當OE=0時，輸出數據線呈高阻狀態。·START:轉換啟動信號。START為正脈沖，其上跳沿所有內部寄存器清零；

35、下跳沿時，開始進行A/D轉換；在轉換期間，START應保持低電平。·EOC:轉換結束信號。當EOC為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在進行A/D轉換。·CLK:時鐘輸入信號。因ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，頻率范圍為10KHz1.2MHz，典型值為640KHz。 表2.3通道的選擇表 C B A選擇的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN72.3.5 ADC0809與8031的接口電路ADC0809有8個通道的模擬量

36、輸入，在程序控制下，可令任意通道進行A/D轉換并可得到相應的8位二進制數字量。2.4軟件系統的初始化程序系統初始化程序是為了在進入主程序循環之前，做好必要的準備工作，包括如下內容: 1.停止X25043內部的看門狗。 2.設定X25043內部WDT為定時器模式，定時為0.25秒，并允許內部WDT中斷。 3.設定UO端口狀態，全部設定為輸入狀態，降低功耗。 4.初始化E2PROM，設定位于E2PROM內的看門狗定時為1.4s。 5.從護E2PROM讀入校準數據，將校準數據寫到內存。 6.啟動位于E2PROM內的看門狗。 7.將E2PROM的片選端CS置為1，使E2PROM進入待機模式，以降低功耗

37、。 8.設定校準按鍵為中斷允許狀態。 9.總中斷允許設為1。 10.示模塊開始。 11.PID參數初始化。 12.PWM參數初始化。2.5軟件程序的主循環框架程序的主循環框架如圖2.7，在系統進行一系列的準備工作即初始化之后，程序就主循環，主循環的工作是進行采樣時間控制、控制測量過程、LED顯示循環、按鍵并且處理、數據查表處理、線性插值、數據顯示，然后周而復始地進行主循環程序。在主程序循環的過程中隨時響應按鍵中斷，進入校準程序。 圖2.7主程序邏輯圖主程序:ORG OOOOH AJMP MAIN ORG 0100H AD0 EQU 7FF8H PORT EQU 4100H PORTA EQU

38、4101H PORTB EQU 4102H PORTC EQU 4103H MAIN:MOV SP，#60H 設置堆棧 MOV DPTR, #PORT； 8155初始化 MOV A, #03H； 8155A口、B口為輸出，C口為 MOVXDPTR, A； 輸入方式 MOV 50H, #19H； 溫度設定值存于50H單元，設定值為25 MOV R0，#30H； 顯示緩沖區30H到37H清0 MOV A, #00H MLO:MOVRO，A INC ROCJNE RO，#38H, ML0ML1:ACALL KEYCJNE 52H, #0EH, ML2； 如果是A/D轉換鍵，則進行A/D轉換ACALL

39、 ADACALL FILTACALL FUZZYACALL DIRML2:ACALL T10； 等待采樣時間AJMP ML12.6校準程序 正常情況下數字溫度表運行在測量顯示狀態下，校準的啟動是通過響應按SET鍵長按2s的方式來實現的，本次設計選擇P2.7為進入校準狀態的按鍵輸入端。校準程序入口也就是設在單獨的子程序中，進入子程序后，進行如下操作: 1.按鍵去抖動、干擾檢查。進入循環活動狀態。 2.判斷是否己經在校準狀態，如果已經在校準狀態，則表示是在校準中途按下SET鍵，表示放棄校準，此時不保存校準數據到 E2PROM，直接復位系統，進入正常測量顯示狀態。 3.進入逐點校準循環。 4. LE

40、D顯示。 5.掃描按鍵KYE NXET是否按下。 6.調入校準點數據。 7. LED顯示進入校準標準點狀態。 8.掃描按鍵KEY NETX是否按下。 9.判斷E2PROM值與現有輸入值是否相同，相同則不往E2PROM里寫入，不相同則開始寫入E2PROM。 10.顯示測量數據(放電時間比率)。 11.掃描按鍵KYE NEXT是否按下。 12.此點數據存入內存。 13.循環進入下一點。 14.全部校準點結束后，退出校準程序，校準數據存入E2PROM。15.調用復位程序，重新初始化系統，進入測量狀態。3 控制算法的研究3.1 PID算法的研究PID是一種負反饋控制，用設定的控制目標值與受控對象的輸出

41、反饋值相比較，對其差作比例、微分、積分后用來控制受控對象。PID控制規則: u = (3-1) 式中占為比例帶，介為積分時間，與為微分時間。傳遞函數為:G= (3-2)、TI、TD的改變對控制作用影響很大: 越大，比例調節的殘差越大，從這一點說，越小能使殘差越小。但小則使調節系統的開環增益加大，從而可能導致系統激烈振蕩甚至不穩定，系統首先要穩定，所以比例帶的設定必須保證一定的穩定裕度TI越大即積分速度越小，積分作用越弱，使過度時間變長，達到穩定的速度越慢。TI越小積分速度越快，而增大積分速度會降低控制系統的穩定程度，直至出現發散的振蕩過程；TD則主要改善系統的動態性能，TD增大會加快系統的響應

42、，降低超調，增大系統穩定性，但TD過大，會使系統的抗干擾能力減弱，而且微分環節對純滯后過程無效。PID控制器中，、TI、TD的選擇如果合適，則能發揮它們的長處，從而較好地控制系統，否則，不僅不能發揮各種調節作用，反而適得其反。3.2模糊控制系統設計模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語言變量及模糊推理為基礎的一種計算機數字控制。模糊控制模仿人的思維通過把精確量模糊化，通過模糊推理，然后經過清晰化處理得到控制量。3.2.1模糊控制算法模糊自動控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制。尤其是模糊控制和遺傳算法、神經網絡及混沌理論等新學科相結合，正在顯示出其巨大的應用潛力

43、。(1) 模糊控制原理模糊控制的引入隨著計算機的發展和應用，自動控制理論和技術獲得了飛躍的發展，在解決線性或非線性，定常或時變的多輸入多輸出系統問題上，獲得了廣泛的應用。但是，采用傳統控制理論來設計一個控制系統，需要事先知道被控對象精確的數學模型，然后再根據給定的性能指標選擇適當的控制規律，進行控制系統設計。然而，在許多情況下，被控對象的精確數學模型很難建立，有時甚至是不可能的。這樣一來，對于這類對象或過程就難以進行自動控制。與此相反，對于一些難以自動控制的生產過程，有經驗的操作人員進行手動控制，卻可以達到滿意的效果。這是由于作為操作者的人在長期的操作實踐中獲得了對系統的認識，在頭腦中形成了他

44、自己對該系統的認識模型，并積累了操作經驗。總結人的控制行為，用語言描述人的手動控制決策，形成一系列的條件語句和決策規則，進而設計一個控制器，利用計算機實現這些控制規則，再驅動設備對工業過程進行控制，這就是模糊控制。實踐表明，模糊控制器具有以下幾個特點:1.它不需要知道被控對象或過程的精確數學模型。 2.易于實現對不確定性系統和強非線性系統的控制。 3.對被控對象或過程參數的變化有較強的魯棒性。 4.對干擾有較強的抑制能力。模糊控制系統的組成 模糊控制系統是一種自動控制系統，它是以模糊數學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯為理論基礎，采用計算機控制技術構成的一種具有閉環結構的數字控制系統。它的組

45、成核心是具有智能性的模糊控制器，其基本結構如圖3.1所示。圖3.1模糊控制系統框圖模糊控制系統一般由四個部分組成: l.模糊控制器:它是以模糊邏輯推理為主要組成部分，同時又具有模糊化和去模糊功能的控制器。 2.輸入/輸出接口裝置:模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對象獲取數字信號量，并將模糊控制器決策的輸出數字信號經過數模變換，將其轉變為模擬信號，送給執行機構去控制被控對象。 3.廣義對象:包括被控對象和執行機構。被控對象可以是線性或非線性的、定常或時變的、也可以是單變量或多變量的、有時滯或無時滯的以及有強干擾的多種情況。4.傳感器:傳感器是將被控對象或各種過程的被控制量轉換為電信號的一類裝置

46、。傳感器在模糊控制系統中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個控制系統的精度。3.2.2模糊控制的基本概念(1)模糊集合模糊集合用于在無法明確地定義元素是否屬于集合的情況下，利用一種度量來表示某一元素屬于這一集合的程度，這就是隸屬度，也就是級別。當一個元素肯定屬于這一集合時，級別為1，肯定不屬于這一集合時，級別為0，其余的級別為0到1的中間值。以論域為離散有限集xl, x2., xn為例，設A (xi)=ui(i=1,2.n)，模糊集合用扎德法表示如下: A= （3-3）(2)量化因子 連續論域進行離散化的過程稱為量化。設有連續論域a, b，量化后的離散論域為-n，-n+1,，0,，n-

47、1, n，將連續論域分為2n段，則有系數K=2n/ (b-a)，K稱為量化因子。(3)比例因子 偏差的基本論域與偏差的實際變化范圍的比值稱為比例因子。當偏差的實際變化范圍超出基本論域的范圍時，采用最大輸出或零輸出。對于偏差的任何采樣值，乘以比例因子后取整，可以得到相應的值。3.2.3模糊控制過程模糊控制過程可以分為以下三個步驟:模糊化過程、模糊推理過程和反模糊化過程。(1)模糊化過程 模糊化(Fuzzification)就是將基礎變量論域上的確定量變換成基礎變量論域上的模糊集的過程。其主要功能就是根據輸入變量的隸屬度函數求出精確輸入量相對于輸入變量各語言值的隸屬度。常規控制都是用系統的實際輸出

48、值與設定值相比較，得到一個偏差值E，控制器根據這個偏差值及偏差值的變化率來決定如何對系統進行控制。無論是偏差還是偏差的變化率都是精確的輸入值，要采用模糊控制技術就必須首先把它們轉換成模糊集合的隸屬函數。因此，要實現模糊控制就要先通過傳感器和變送器把被控量變換成電量，再通過模/數轉換器得到精確的數字量。精確輸入量輸入至模糊控制器后，首先要把精確量轉換成模糊集合的隸屬函數，這就是精確量的模糊化或者模糊量化。(2)模糊推理過程 模糊推理過程就是對于給定的模糊輸入量，模糊控制器根據判定的模糊規則和事先確定好的推理方法進行模糊推理，求出模糊輸出量的過程。模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模擬人類基于模糊

49、概念的推理能力，是基于模糊邏輯中的蘊含關系及推理規則來進行的。模糊控制是模仿人的思維方式和人的控制經驗來實現的一種控制。根據有經驗的操作者或者專家的經驗制訂出相應的控制規則即是模糊控制規則，它是模糊控制器的核心。為了能存入計算機，就必須對控制規則進行形式化處理，再模仿人的模糊邏輯推理過程確定推理方法，控制器根據制訂的模糊控制規則和事先確定好的推理方法進行模糊推理，得到模糊輸出量，即模糊輸出隸屬函數，這就是模糊控制規則的形成和推理。其目的是用模糊輸入值去適配控制規則，為每個控制規則確定其適配的程度，并通過加權計算合并那些規則的輸出。(3)模糊量的去模糊模糊量的去模糊(Defuzzificatio

50、n)就是將基礎變量論域上的模糊集變換成基礎變量論域上的確定值的過程。根據模糊邏輯推理得到的輸出模糊隸屬函數，用不同的方法找一個具有代表性的精確值作為控制量，就是模糊量的去模糊；它要求在推理得到的模糊集合中取一個最能代表這個模糊推理結果可能性的精確量，去控制或驅動執行機構。(4)模糊控制器及系統設計 模糊控制器(Fuzzy Controller)在模糊自動控制系統中占有舉足輕重的地位，因此在模糊控制系統中，設計和調整模糊控制器的工作是很重要的。模糊控制器的設計包括以下幾項內容:(1)確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。(2)設計模糊控制器的控制規則。 (3)建立模糊化和反模糊化的方法。 (4)選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(如量化因子、比例因子)。 (5)編制模糊控制算法的應用程序。 (6)合理選擇模糊控制算法的采樣時間。(5)模糊控制器的結構設計模糊控制器有兩種組成方式，一種是由模糊邏輯芯片組成的硬件專用模糊控制器，它是用硬件芯片來直接實現模糊控制算法；另一種是用微處理器組成硬件系統，用軟件來實現模糊控制算法，這種模糊控制器的特點是資源開銷小、靈活性高、通用性強、應用范圍廣。在一般控制系統中，目前多采用第二種方式。模糊控制器的結構設計是指確