基于单片机的模糊控制算法温度控制系统设计

单片机原理及系统课程设计专业自动控制班级姓名学号指导教师评语考勤10分守纪10分过程30分设计报告30分答辩20分总成绩100分基于单片机的模糊控制算法温度控制系统设计摘要随着电子产品向智能化和微型化的不断发展,单片机已成为电子产品研制和开发中首选的控制器。为了更好地推广单片机在实际生活和生产中的应用,本文介绍一种应用AT89C51单片机设计的模糊控制的温度控制系统，该温度系统采用温度传感器DS18B20获得当前温度，利用AT89C51单片机实现对温度的控制，系统能够实时显示当前的温度值，并可以通过按键设定将要控制的温度值。当检测到当前温度时，单片机计算出误差和误差变化率，通过查询根据模糊控制规则得出的控制表，找出正确有效的控制量代码，再按照对应的控制方法发出控制信号，根据实际温度与控制温度的的差值及差值变化率，找到最佳的控制量，控制电热丝和电风扇执行相应的动作。在本文中采用模块化结构，主要模块有键盘设定模块、LED显示模块、双向晶闸管加温控制模块、风扇降温模块。本模糊控制的温度控制系统具有体积小、操作灵活、可靠性高、实用、成本低等特点,适合住宅和各类温室温度的控制具有一定的实用意义。关键词AT89C51DS18B20模糊控制双向晶体管1设计目的这套模糊温度控制系统可以方便地实现温度测量、温度显示及控制等功能，并通过与单片机连接的键盘可以实时设定要测控温度，还可以连接相应的外围电路，在收到单片机发出的指令后对环境进行检测，再通过控温装置控制温度的升降。2设计方案及原理该温度控制系统的总体设计框图如图所示，主要由单片机、数字温度传感器DS18B20、七段数码显示管、键盘等组成。当传感器监测到温度信息后传输给单片机，单片机对接收到的数据进行处理，将数据实时显示到共阴极的七段数码管显示器上，系统设置了所要控制的温度值，当现场温度超过或低于这个设定值时，系统就会控制电阻丝升温或风扇降温。系统框图如图1所示。图1系统组成框图3硬件设计31键盘设定模块本设计的键盘设定模块采用独立式键盘，设三个按钮，分别为设定/显示器/显示器，十位增加键和个位增加键，在设定控制温度的值时，可以通过按下设定/显示按键，再按下十位增加与个位增加按键进行设置，设置完成后即可松开设定/显示按键，LED显示实时的温度值，如要查看设定温度值，则可以直接按下设定/显示按键，LED显示设定值，这样的设计不仅可以减少LED的成本，还可以电路变得简单，更适合操作。温度值显示设定值输入单片机控制量输出DS18B20双向晶闸管加热丝加热继电器风扇降温32LED显示模块考虑到本系统的显示内容比较简单，而且亮度要求比较高，对显示器件的耐用性要求也比价高，所以本设计选用七段数码管来完成显示功能。系统通过软件的设计使得设定值与实际值可在同一数码管上显示，所以只用六位即可，大大节约了成本，也缩小了硬件体积。实时显示可以显示55C128C的温度范围，最后一位数码管显示符号C。设定显示时显示“SET/控制温度值”，其中控制温度值为两位，可知该系统的温度控制范围是0C99C。本设计选用共阴数码管，单片机P2口实现动态显示的位选功能，P0口实现段选功能，由于单片机I/O口的输出电流难以点亮数码管，所以在P0输出口需要串联74LS245来增加驱动能力。33双向晶闸管加温控制模块本设计的加温功能是采用交流调功电路实现，交流调功电路时将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。这种电路常用于电炉的温度控制，因为像温度这样的控制对象，其时间常数往往很大，所以只要以周波数为单位进行控制就足够了。通常控制晶闸管导通的时候都是在电源电压过零的时候，这样，在交流电源接通期间，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。本设计采用过零触发芯片MOC3041实现对双向晶闸管的过零触发，从而控制晶闸管环路中负载电热丝RL的功率，电路见附图6所示，33风扇降温模块当加温电路产生超调，或者外界温度太高的时候，系统必须采取降温措施，以达到设定温度值。考虑到本系统的实际意义，仅采取风扇降温和自然降温相结合的方法即可，该电路采用光电耦合器，PNP晶体管以及继电器相互配合实现风扇的控制，当光电耦合器输入端输入低电平信号时，4，6脚导通，此时晶体管Q1也导通，致使继电器线圈有足够大的电流流过，使其吸合，从而导通直流电动机环路，使其工作。其中R1起到限流作用，保护光电耦合器，光电耦合器又将单片机的工作电压5V电源与继电器以及直流电动机的驱动电源进行了有效的隔离，这样既可以防止强电流流入弱电流电器件将器件损坏，又可以避免一定的干扰。电阻R2,R3同样起到限流保护的作用，电路见附图5所示。4模糊控制算法41模糊控制的基本原理模糊控制结构图如图2所示图2模糊控制结构图42模糊控制程序的设计思想本系统所用的模糊控制器由单片机AT89C51的程序实现，用单片机实现具体过程如下1求系统给定值与反馈值得误差E，单片机通过采样获得系统被控量的精确值，然后将其与给定值比较，得到系统误差。2计算误差变化率EC。这里对误差求微分，指的是在一个采样周期内求误差的变化率E,3输入量的模糊化，将E和EC模糊化变成模糊量E,EC。同时，把语言变量E,EC的语言值化为某适当论域上的模糊子集。4控制规则。他是模糊控制器的核心，控制规则可能有很多条，那么需要求出总的控制规则R，作为模糊推理的依据。5模糊推理。输入量模糊化后的语言变量E,EC作为模糊推理部分的输入，再由E,EC和总的控制规则R，根据推理合成规则进行模糊推理得到模糊控制量U6逆模糊化。为了对被控对象施加精确地控制，必须将模糊控制量转化为精确U，即逆模糊化。EECRU给定值计算误差变化模糊化处理控制规则模糊处理逆模糊化执行机构被控对象传感器A/D转换被控量EECY7建立模糊控制查询表，以便单片机快速控制。43模糊控制规则本系统的模糊控制规则，采用MAMDANI推理法中的一种最常见的形式“IFAANDBTHENC”语句来建立。由于误差语句变量E，误差变化率语言EC均用了7个语言值，所以本系统的模糊规则共用了49条。可得到模糊控制查询表如下表1表1模糊控制查询表ECUU54321012345105555554321195555554221185555554221175555554211165555554211155555554211145555443211135555443211125544432211015544321111005433211100014322211000023222111000032221100000042221100000051111100000061111100000071111100000081111100000091111100000010111110000005软件设计根据系统硬件结构，按如下程序流程进行软件设计。图3程序设计流程6系统仿真及实际调试首先要在KEIL软件编写源程序，经过编译、调试生成HEX文件；然后双击PROTEUSISIS原理图中的单片机AT89C51，选择好要加载的789HEX文件；最后进行仿真运行。其中，红色方块代表高电平，蓝色代表低电平，灰色代表悬空。开始定时计数器初始化扫描显示读取温度计算，查表获得显示码按键设定处理模糊规则查表7总结本文介绍了基于AT89C51单片机的温度控制系统的设计，对整个硬件电路和软件程序设计做了分析，介绍了温度控制系统的设计方案选择及原理介绍，并通过仿真软件PROTEUS实现了在一定范围的温度显示控制。在课程设计过程中，通过对仿真软件PROTEUS，KEILC，数字温度传感器DS18B20的学习使用，掌握了单片机应用系统各主要环节的设计、调试方法，初步掌握并具备应用单片机进行设备技术改造和产品开发的能力，培养了创新意识，提高了动手能力和分析问题、解决问题的能力。参考文献1王思明等单片机原理及应用系统设计M北京科学出版社,20122周润景,徐宏伟单片机电路设计、分析与制作M北京机械工业出版社,201053谭浩强C程序设计第四版北京清华大学出版社,20104诸静模糊控制理论与设计原理北京机械工业出版社,2010附录一1完全电路图图4完全电路图2风扇降温模块电路图R142065412U4OPTOCOUPLERNPNR1205VR2010K12VR08212VD101N401V1VSINEQ12N3703RL112VBR12W10G图5风扇降温模块电路图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双向晶闸管加温控制模块图6双向晶闸管加温控制模块附录二源程序/包含头文件，端口定义，程序开始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,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F,0X40,0X39,0X00,0X79UCHARCODEDITAB160X00,0X01,0X01,0X02,0X03,0X03,0X04,0X04,0X04,0X05,0X06,0X06,0X07,0X08,0X08,0X09,0X09UCHARCODEFUZZY21115,5,5,5,5,5,4,3,2,1,1,5,5,5,5,5,5,4,2,2,1,1,5,5,5,5,5,5,4,2,2,1,1,5,5,5,5,5,5,4,2,2,1,1,ZEROCROSING1264U5MOC3041MR15360R1630U10Q4025R5R1739C4001URL10KV2VSINE88ACAMPSC41RL25,5,5,5,5,5,4,2,2,1,1,5,5,5,5,5,5,4,2,2,1,1,5,5,5,4,4,4,3,2,1,1,1,5,5,5,4,4,4,3,2,1,1,1,5,5,4,4,4,3,2,2,1,0,0,5,5,4,4,3,2,1,1,1,0,0,4,4,3,3,2,1,1,1,0,0,0,3,3,2,2,1,1,1,0,0,0,0,2,2,2,2,1,1,1,0,0,0,0,2,2,2,1,1,0,0,0,0,0,0,2,2,2,1,1,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0UCHARDISPBUF8UCHARTEMPER2/延时函数VOIDDELAYUNSIGNEDINTUSWHILEUS/DS18B20复位函数VOIDRESETVOIDUCHARX0DQ1DELAY8DQ0DELAY80DQ1DELAY14XDQDELAY20/DS18B20读一个字节UCHARREADBYTEVOIDUCHARI0UCHARDAT0FORI8I0IDQ0DAT1DQ1IFDQDAT|0X80DELAY4RETURNDAT/DS18B20写一个字节VOIDWRITEBYTEUNSIGNEDCHARDATUCHARI0FORI8I0IDQ0DQ