智能水温控制系统的设计与实现

更多相关文档资源请访问HTTP/WWWDOCINCOM/LZJ781219完整源代码CAD设计资料请联系68661508索要毕业设计说明书智能水温控制系统的设计与实现THEDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFINTELLIGENTWATERCONTROLSYSTEM学院计算机与电子信息学院专业电气工程及其自动化班级电气112学生指导教师（职称）设计时间2015年1月1日至2015年6月7日本科毕业设计诚信承诺保证书本人郑重承诺智能水温控制系统的设计与实现毕业设计的内容真实、可靠，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所完成。毕业设计（论文）中引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处，如果存在弄虚作假、抄袭、剽窃的情况，本人愿承担全部责任。学生签名年月日毕业论文任务书院（系）计算机与电子信息学院专业电气工程及其自动化班级电气112班学生学号11034020241一、毕业论文课题智能水温控制系统的设计与实现二、毕业论文工作自2015年1月1日起至2015年6月7日止三、毕业论文进行地点四、毕业论文的内容要求内容（1）温度设定范围为4090，最小区分度为1，标定温度1。（2）环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差1。（3）用十进制数码管显示水的实际温度。算法使用模糊算法；要求（1）完成毕业设计；（2）做出模型；指导教师接受论文任务开始执行日期年月日学生签名专业负责人批准日期摘要现代的自动控制系统越来越朝着智能化的方向发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机等，这些处理机都有一个很明显的特点，那就是很高的运行速度，大量的数据存储器，很大的运行内存。但问题也随之而来巨额的成本。在很多的小型智能系统中，所采用的处理机会占到了系统总体成本的比例达到了25的程度，虽然处理机的性能很强大，但是使用一个如此高性能的处理机对于一些小型的智能系统来说是没有任何必要的。对于那些不是需要性能非常强大，不需要进行许多大数据处理，不需要进行大量的复杂运算的小型智能控制系统来说是很适合的，因为这些小型的智能控制系统在能够安全稳定的情况下工作，为企业创造出最大的经济效益是最重要的。所以，性能略低，价格便宜的单片机依然有着广泛的应用和广大的市场需求。在本设计中就是使用了单片机为核心的一个智能的水温控制系统。基于AT89C52单片机的最小系统进行对温度的实时的采集和控制是本设计的重要内容。温度信号方面是由DS18B20温度传感器进行采集，然后将数据送至单片机处理后在系统的一个数码管上显示实时温度；而温度控制方面先通过独立按键设定温度后，通过模糊控制器计算后，发出信号控制继电器电路，从而实现对水温的智能控制。在设计的过程中我使用多种计算机软件辅助设计，例如使用了DXP画原理图和生成PCB图，使用KEIL来实现程序的编写和编译，使用PROTEUS来实现软件模拟等。关键字单片机；DS18B20；模糊算法ABSTRACTMODERNAUTOMATICCONTROLSYSTEMISMOREANDMORETOWARDSTHEDIRECTIONOFINTELLIGENT,INALOTOFAUTOMATICCONTROLSYSTEMUSEDININDUSTRIALCONTROL,MINICOMPUTERS,ANDSOON,THEPROCESSORHASANOBVIOUSCHARACTERISTICS,THATISAHIGHSPEED,ALARGEAMOUNTOFDATASTORAGE,THEOPERATIONOFTHELARGEMEMORYBUTTHEQUESTIONCOMESHUGECOSTINALOTOFSMALLINTELLIGENTSYSTEM,ADOPTEDBYTHETREATMENTOPPORTUNITYACCOUNTEDFOR25OFTHEOVERALLCOSTTOTHESYSTEM,WHILETHEPERFORMANCEOFTHEPROCESSORISPOWERFUL,BUTWITHSUCHAHIGHPERFORMANCEPROCESSORFORSOMESMALLSMARTSYSTEMSISNONECESSARYFORTHOSENOTNEEDPERFORMANCEISVERYSTRONG,DONOTNEEDALOTOFBIGDATAPROCESSING,DONTNEEDTODOALOTOFCOMPLICATEDCALCULATIONOFSMALLINTELLIGENTCONTROLSYSTEMISVERYSUITABLE,BECAUSETHESESMALLINTELLIGENTCONTROLSYSTEMINTHEABILITYTOWORKUNDERTHECONDITIONOFSECURITYANDSTABILITY,CREATETHEBIGGESTECONOMICBENEFITFORENTERPRISEISTHEMOSTIMPORTANTSO,PERFORMANCESLIGHTLYLOW,THEPRICEISCHEAPMICROCONTROLLERISSTILLHASABROADAPPLICATIONANDVASTMARKETDEMANDINTHISDESIGNISTHEUSEOFTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERASTHECOREOFANINTELLIGENTTEMPERATURECONTROLSYSTEMMINIMUMSYSTEMBASEDONAT89C52SINGLECHIPMICROCOMPUTERFORREALTIMEACQUISITIONANDCONTROLOFTEMPERATUREISANIMPORTANTCONTENTOFTHEDESIGNDS18B20TEMPERATURESENSORFORTEMPERATURESIGNALISCOLLECTED,ANDTHENAFTERWILLBESENTTOTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERDATAPROCESSINGINTHESYSTEMOFTHEDIGITALTUBEDISPLAYREALTIMETEMPERATUREANDTEMPERATURECONTROLAFTERTHEFIRSTSETTEMPERATURETHROUGHINDEPENDENTKEY,THROUGHTHECALCULATIONOFTHEFUZZYCONTROLLER,SIGNALRELAYCONTROLCIRCUIT,SOASTOREALIZETHEINTELLIGENTCONTROLOFTHEWATERTEMPERATUREINTHEPROCESSOFDESIGN,IUSEAVARIETYOFCOMPUTERAIDEDDESIGNSOFTWARE,SUCHASUSINGTHEGENERATEDDXPSCHEMATICDIAGRAMANDPCBDIAGRAM,USEKEILTOIMPLEMENTPROGRAMSTOWRITEANDCOMPILE,USEPROTEUSTOIMPLEMENTSOFTWARESIMULATION,ETCKEYWORDSSINGLECHIPMICROCOMPUTER；DS18B20；FUZZYALGORITHMS目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111课题研究背景112国内外现状113本章小结2第二章系统整体设计方案321系统方案的介绍322系统方案的比较与论证3221温度传感器的选择3222按键的选择4223显示模块的选择4224电源选取5225执行加热电路523本章小结6第三章设计采用的主要元器件的介绍731AT89C52单片机732DS18B20温度传感器8321DS18B20温度传感器简介8322DS18B20工作的原理933数码管1034固态继电器10341固态继电器介绍10342固态继电器工作原理1035本章小结11第四章硬件电路的设计1241时钟电路1242复位电路1243温度采集电路1344按键电路1345显示电路1446温度控制电路1547本章小结15第五章模糊控制器的设计1651模糊控制的基本原理1652模糊控制器16521模糊控制器的结构的确定17522模糊控制规则的建立18523模糊变量赋值表的建立18524查询表的建立1953本章小结20第六章系统软件的设计2161程序结构分析2162系统程序流程图21621DS18B20温度传感器的初始化程序流程图22622读取温度子程序流程图22623模糊控制程序流程图22624按键程序流程图23625温度显示及加热模块2463本章小结25第七章总结与未来的展望26致谢28附录一实物图29附录二原理图30附录三PCB图30附录四程序31第一章绪论11课题研究背景实现对温度的控制，无论是在工业的生产过程，还是在我们日常生活的中都起着非常重要的作用，无论是过低的温度还是过高的温度都会让水资源失去它应有的使用价值，从而造成水资源的浪费。特别是在当前全球的水资源极度缺乏的这种情况下，我们更是应该掌握好对水温的控制技术，在环境恶劣或者温度较高的场合下，为了保证生产过程的正常安全地进行，提高产品的质和量，以及尽大的可能减轻工人的劳动强度、节约能源，就必须要求对加热炉炉温进行测量、显示、控制，使之达到工艺标准1。自上世纪70年代以来，由于在工业生产过程中对自动控制的强烈需求，国外的温度控制系统在电子技术的大力发展和迅猛发展起来的自动控制系统知识理论、自动控制设计方法的大时代背景下，有了长足的进步。到了21世纪，国际上已经在智能化的控制系统取得了非常大的发展，有研究人员就称，21世纪是智能的时代。在智能控制方面，美国、日本、德国、法国等发达国家在技术上的研究和应用上已经大大的领先了，并率先生产出了许多具有优良性能的温度控制器和各种能满足工业生产的仪器仪表。其产品已经在各行各业中得到了广泛的应用2。12国内外现状目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等这些方面快速发展。从图书馆和网上的数据表明，温度控制系统已经在各个行业上得到了很广泛的应用。国内外都对其大力发展，尤其是以发达国家为例的美国、德国、法国、日本等国家的温度控制器发展得尤其迅速，而国内对温度控制器的研究和生产水平都比较大幅度的落后。从网上查找了很多的有关温度的控制系统的资料，了解到了我国在温度控制系统这个方面的研究还处于20世纪90年代中后期的水平。在国内，很多温度的控制系统仍然是以“点位”控制和常规的PID控制器作为系统的核心，但这种温度控制器对于一般的温度控制还可以，但对于对温度要求很高的和控制滞后温度变化复杂的系统就难以胜任其工作了，因为温度的变化不是线性的而是非线性的，我们很难为其建立起数学模型，这对我们的研究人员提出了更高的要求。目前，我国在自适应的控制器和高精度控制要求的温度控制系统方面的技术还不是很成熟，在市场了广泛运用的控制器还是不多，主要还是国外的产品占据了主要市场。总的来说，我国现在温度控制系统方面的研究与国外还有着一定的差距3。伴随着信息技术的快速发展，以及各种控制理论的研究成果，在工业生产上对控制器的要求越来越高。由于单片机其体积小、成本低、性能较强因而在很多领域还是得到了应用。因为电加热控制它的一些缺点，如复杂的时变性、时滞性和单向性，所以我们如果运用传统的模拟电路来对温度进行控制将会是一个巨大的困难4。在本设计中，是以AT89C52单片机为核心的智能水温控制系统，能够实时对温度进行采集和调控。该系统采用模糊算法得出温度控制量，然后通过控制继电器来控制控温电路，最终实现对水温的控制，系统通过研究、仿真和实验，表明其具有较好的应用价值。本设计的任务要求是水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变，保持在一定的要求范围。13本章小结本章主要介绍了本课题（智能水温控制系统的设计与实现）的设计背景以及国内外的研究现状。这让我们清楚的了解到了水温控制系统和智能控制系统对我们生活和工业生产的影响与应用，这对我们研究本课题的意义有着很重要的指导作用。第二章系统整体设计方案21系统方案的介绍根据设计的要求和性能指标，本设计的一个基本思路是，通过独立按键来设定一定范围内的水温，在温度传感器探测到环境温度低于设定温度的时候由单片机系统控制加热电路达到所需要的温度后停止加热，从而实现对水温的自动控制。本设计的智能水温控制系统是以AT89C52单片机为核心，用数字温度传感器DS18B20来实现温度的采集，按键检测方面采用独立按键来对温度进行设定，显示模块由一个4位数码管来实现（包括实际温度的显示和设定温度的控制），控制模块主要器件为一个固态继电器（控制外接的加热电路），以LED组成指示模块和工作状态指示模块等。AT89C52单片机实时地通过温度传感器DS18B20实时检测出水的温度，然后通过AT89C52单片机的数据转换处理后，在4位数码管上显示水温，当测量出的水温小于所设置的温度时，AT89C52单片机驱动固态继电器控制外围加热电路对水进行加热，加热到了所设置的温度值时就停止加热。然后我们通过自然降温的这个方式一直降低水温，当水温降到所设定的水温值时，AT89C52单片机由驱动外围加热电路对水进行加热。水温的温度值可以通过按键来设置。温度检测精确到01度。并具有掉电保存功能，数据保存在单片机内部EEPOM中，按键还具有连加和连减功能。图21为系统的总方框图。图21系统总方框图22系统方案的比较与论证本设计的系统主要是由单片机最小系统加上温度采集电路、显示电路、按键电路、执行加热电路组成。下面主要介绍实现系统功能的设计方案的选择。221温度传感器的选择方案一电源部分按键模块单片机AT89C52数码管显示温度传感器继电器加热采用DS18B20温度传感器测量实时温度。DS18B20是数字传感器，输出数字信号，这样大大便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路，简化了采集温度电路的设计。而且DS18B20传感器具有很稳定的物理化学性质，在0到100摄氏度之间时，其线性偏差最大小于1摄氏度。采用单总线的数据的传输方式是DS18B20传感器的最大特点。因为设计构成的温度测量装置是由DS18B20数字传感器和AT89C52微处理器所组成的，DS18B20直接就输出了温度的数字信号，可以与控制器直接连接。由此可见，采用了DS18B20的测温电路与其他的测温电路系统相比较，其系统结构就大大的简化了，所以其体积也是大大的减小了。拥有编程自由度很大是设计采用的51单片机的最大特点之一，我们可以使用兼容性非常好的C语言编程，从而实现各种算术算法和逻辑控制。51单片机硬件连接方便简单，不但体积小而且价格便宜。单片机可以在与上位机通讯的同时控制着一个或多个DS18B20传感器的工作。总的来说，DS18B20和单片机组成的测温系统使用很是广泛。方案二采用PT100作为测温电路的温度传感器。PT100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并且呈一定函数关系的特性来进行测温的，PT100具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。但使用起来比较复杂。综合上述，故采取方案一。222按键的选择方案采用矩阵式键盘。矩阵式键盘采用的是矩阵式行列扫描方式，当系统需要的按键比较多的时候通常是采用矩阵式键盘作为输入的模块，因为它的矩阵式设计能够在按键数量比较多时可以有效的降低占用单片机的I/O口数目，缺点是为电路复杂而且会加大编程的难度。但本设计所需要的按键数不多，发挥不出矩阵键盘的优点。方案二采用独立式按键。独立式的按键每个按键单独占用一个I/O口,每个I/O口的工作状态是相互独立，互不影响的，独立键盘采用端口直接扫描方式。它的缺点是当所需按键数很多时，极大的占用单片机为数不多的I/O口数量，严重的影响其他外围电路的设计。但对于按键需要很少的系统，它的特点非常特出，就是它的电路非常的简单而且对它的编程也是很简单。综合考虑系统的需要，故采用第一种方案。223显示模块的选择方案一采用数码管作为显示器件。数码管是一种半导体的发光器件，由发光二极管组成。数码管具有显示亮度高、速度快、使用简单，电路结构简单的良好特性，因而得到了广泛应用。方案二采用LCD液晶显示屏作为显示模块。LCD具有其显示清晰、显示内容丰富、显示信息量大，使用方便，显示快速而得到了广泛的应用。但本系统的显示需求不高，能够提供温度的显示就已经足够，而且相对于数码管，LCD液晶显示屏比较昂贵。综上所述我们选择方案一。224电源选取方案一采用电脑USB供电方式。电脑能提供稳定的电流，为系统提供稳定的工作电源，但由于电脑体积庞大，本设计的智能水温控制系统是流动性了，要在很多不同的地方工作，不适宜体积重量过大而流动性不强，故与设计本意有冲突。方案二采用3节15V干电池并联组成的电池组作为系统电源。通过查找资料，由干电池组成的系统电源能够为单片机、传感器、数码管、固态继电器提供稳定的同时满足工作需要的电压，同时电池组具有方便携带，更换方便的特点，非常符合本设计需要流动性强的需要。综上所述采用方案二。225执行加热电路本设计的要求是控制温度值保持在一定的范围内基本不变，为达到此要求，执行装置的选择很是关键，本系统的执行装置我设计了以下俩种方案。方案一采用可控硅来控制加热器有效功率。可控硅是一种半控器件，应用于交流电的功率控制有两种形式控制导通的交流周期数从而达到控制功率的目的；控制导通角的方式控制交流功率。由交流过零检测电路输出方波经适当延时控制双向可控硅的导通角，延时时间即移相偏移量由温度误差计算得到。可以实现对交流电单个周期有效值周期性控制，保证系统的动态性能指标。该方案可以实现功率的连续调节，因此响应速度快，控制精度也高。但该方案电路稍复杂，需使用光耦合驱动芯片以及变压器等器件，对设计本身大大加大了其设计难度，同时向设计人员提出了更高的要求。方案二采用SSR固态继电器控制。除了以上跟普通电磁继电器一样的特性外，SSR固态继电器还具有无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、体积小质量轻、寿命长、工作可靠等特点，并且耐冲击、抗潮湿、抗腐蚀。SSR固态继电器可以广泛的使用于计算机处理器的外部连接接口装置恒温器的温度控制、电阻炉的温度控制、舞台的灯光照明系统、交直流电机的运动控制、各种家用全自动水塔的水位控制、自动探测消防系统、自动安保系统和各种工业生产过程中需要的自动控制装置。基于以上分析以及现有器件限制我们选择SSR固态继电器作为本系统的执行装置。23本章小结本章主要了介绍了本设计所采用的一个系统整体的设计方案，同时对其做了一个简单明了的说明。然后向各位读者罗列出了各个模块的系统方案选择，同时对其的优点和缺点做出了一个简单的对比说明，最后决定出所采用的设计方案。第三章设计采用的主要元器件的介绍31AT89C52单片机AT89C52是由ATMEL公司生产的一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBYTES的可反复擦写的FLASH只读程序存储器和256BYTES的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。AT89C52具有40个引脚，32个外部双向输入/输出I/O端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和FLASH存储器结合在一起，特别是可反复擦写的FLASH存储器的加入，更是大大的节省了开发的成本5。为了满足不同客户对不同的产品的需求，ATMEL公司开发出了三种封装形式，分别是PDIP、PQFP和PLCC三种，本设计采用PDIP的封装。图31为AT89C52的原理图。图31AT89C52原理图AT89C52为8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8XC52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHZ晶振。RST/VPD（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接5V电源的正负端。P0P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（3239脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能6。总结其主要工作特性是（1）片内数据存储器内含256字节的RAM,最大寻址空间64KB；（2）兼容标准MCS51指令系统；（3）8KB的FLASH程序存储器，可擦写寿命为1000次；（4）串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；（5）具有一个数据指针DPTR；（6）低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；（7）具有可编程的3级程序锁定位；（8）32根可编程I/O口线；（9）3个16位可编程定时器/计数器；（10）AT89C52工作电源电压为5（102）V，且典型值为5V；（11）AT89C52最高工作频率为24MHZ。构成一个完整的单片机系统，都需要有一个时钟电路和一个复位电路。在本设计中采用了内部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。32DS18B20温度传感器321DS18B20温度传感器简介DS18B20是常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。图32为DS18B20的一个实物图。图32DS18B2020实物图DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线“接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ONB0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建各种传感器网络，为测量系统的构建引入全新的概念。现在，新一代的DS18B20体积更小、更灵活、更经济。使你可以充分发挥“一线总线”的优点7。322DS18B20工作的原理DS18B20温度传感器的读写时序和测温原理与DS1820传感器的相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2S减为750MS。低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值8。因为DS18B20采用了一线总线的通信接口，所以要发挥记忆和控制功能先要完成ROM的设定。DS18B20提供的功能命令主要有五个，分别是读ROM、ROM匹配、搜索ROM、跳过ROM和报警检查。当发出指令令DS18B20完成温度的测量，其温度数据将存储到DS18B20的存储器中。这时，发出一个控制的指令指示传感器完成温度测量，其结果将存储到其内存中，并且可以让阅读发挥记忆功能，阅读片上储存器上的内容。其内部的温度报警触发器TH和TL都是拥有一字节EEPROM的数据。假如DS18B20传感器不使用报警检查的指令，这时寄存器可以作为一个记忆功能的指令完成，通过缓存器读寄存器。所有的数据其读和写都是从最低位开始的。DS18B20技术性能描述独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；测温范围55125，固有测温误差1；支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定；工作电源3055V/DC（可以数据线寄生电源）；在使用中不需要任何外围元件；测量结果以912位数字量方式串行传送。33数码管数码管是一种以发光二极管为基本单元的半导体器件9。从结构上来分，有两类数码管，就是七段数码管和八段的数码管，与八段数码管相比较，七段的数码管少了一个会发光的二极管，也就是多一个小数点（DP）这个小数点可以更精确的表示数码管想要显示的内容；按能显示多少个可分为1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等数码管。在本设计中采用了一个四位的数码管，用于显示温度信息。LED数码管（LEDSEGMENTDISPLAYS）是有多个会发光的二极管组成的，它们在结构上是一个“8”字型的，其引线已经在其内部连接好了，我们只要把它的各个段位和公共电极引出来。七个段位加上一个小数点是LED数码管的常用类型，还有一种是类似于3位“1”型10。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等，LED数码管根据LED的接法可分为共阴和共阳俩种类型。了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图33为数码管的一个实物图。图33数码管实物图34固态继电器341固态继电器介绍固态继电器（SOLIDSTATERELAY,缩写SSR），是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载11。固态继电器是具有隔离功能，在开关过程中无机械接触的部件，因此在此设计上使用的固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能之外，还具有与逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。342固态继电器工作原理固态继电器在结构上由三部分组成输入电路，隔离（耦合）和输出电路。固态继电器的输入电路是为输入控制信号提供一个回路，使之成为固态继电器的触发信号源。固态继电器的输入电路多为直流输入，个别的为交流输入。直流输入电路又分为阻性输入和恒流输入。阻性输入电路的输入控制电流随输入电压呈线性的正向变化。恒流输入电路，在输入电压达到一定值时，电流不再随电压的升高而明显增大，这种继电器可适用于相当宽的输入电压范围11。图34为固态继电器的一个等效电路图。图34固态继电器等效电路图35本章小结本章主要对设计所采用的各种主要元器件进行了介绍，因为本文篇幅有限，只做了一个简单的说明。其中包括了系统的大脑AT89C52单片机、温度采集核心DS18B20数字温度传感器、以LED为基本单元的数码管和加热所需的固态继电器。第四章硬件电路的设计41时钟电路AT89C52单片机芯片内部设有一个振荡器，它是由高增益反向放大器构成的，XTAL1和XTAL2分别是它的输入端和输出端12。而在芯片内部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶振和通常采用的30PF微调电容，从而构成一个能够稳定工作的自激振荡器。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号13。本设计的时钟电路中XTAL1和XTAL2分别接到晶振的两端，在晶振的两端再分别串联一个30PF的电容后接地。具体设计的时钟电路如图41所示。图41时钟电路图42复位电路复位电路是每一个完整的单片机系统都应该有的一种电路，复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H,使单片机从0000H单元开始执行程序，并使其它功能单元处于一个确定的初始状态。本设计的复位电路采用的是按键复位，它是通过复位端经电阻与VCC电源接通而实现的，它兼具上电复位功能14。因本系统的晶振的频率为12MHZ，所以，复位信号持续时间应当超过2S才能完成复位操作。具体设计电路如图42所示。图42复位电路43温度采集电路DS18B20的最大特点是单总线数据传输方式，DS18B20的数据传输仅需要一个I/O口就能完成15。根据DS18B20的通讯协议，单片机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能进行预定的操作。具体的硬件电路设计如图43所示。图43温度采集电路44按键电路键盘是单片机应用系统中不可缺少的输入设备16。通过键盘可向单片机应用系统输入数据和控制命令，键盘是操作人员控制干预单片机应用系统的主要手段。根据键盘组成形式可分为独立式键盘、矩阵式键盘及拨码式键盘几种17。因为机械触点拥有的弹性性质，按键在闭合到断开以及断开到闭合的这一系列的动作过程中并不是立刻就完成的。在其打开以及闭合的时候会产生瞬间的机械抖动，通常会发生510MS的抖动，表现在输入电压信号上为输入信号是抖动的不稳定的电平信号。为了消除信号抖动造成的影响，本设计采用软件消抖的方法。具体电路如图44所示。图44按键电路45显示电路显示采用四位数码管显示，当位选打开时，送入相应的段码，则相应的数码管打开，关掉位选，打开另一个位选，送入相应的段码，则数码管打开，而每次打开关掉相应的位选时，时间间隔低于20MS，从人类视觉的角度上看，就仿佛是全部数码管同时显示的一样。显示电路如图45所示。E1D2P3C4G5H69F0AB78SR图45数码管显示电路QVNKELAYT图46继电器加热电路46温度控制电路热得快控制电路采用PNP型S8550三极管驱动，当单片机的P24口输出低电平时，三极管饱和导通，继电器线圈得电吸合，控制热得快加热，同时发光二极管导通指示加热。当单片机P24口输出高电平时，三极管截止，继电器线圈断电，热得快停止加热，发光二极管熄灭提示加热停止。具体的电路图如图46所示。47本章小结本章主要介绍了设计所采用的各种主要电路的介绍，其中包括了时钟电路、复位电路、温度采集电路、按键电路、显示电路和温度控制电路。在每一个电路模块我都对其进行了一个简单的说明，同时也在说明下附上了其电路图。第五章模糊控制器的设计51模糊控制的基本原理模糊控制是近代控制理论中的一种基于语言规则与模糊推理的高级控制策略和新颖技术，它是智能控制的一个重要分支，发展迅速，应用广泛，实效显著，引人关注。模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基础的新型计算机控制方法。模糊控制的最大特征是能运用操作者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统。模糊控制系统的核心部分是模糊控制，如图51所示，模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现。实现模糊控制算法的过程如下微机经中断采样获取被控制量的精确值，然后与给定值比较得到误差信号E，一般选误差信号E模糊控制的一个输入量。把误差信号E的精确量进行模糊化变成模糊量。误差E的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到误差E的模糊语言集合的一个子集E（E是一个模糊矢量），再由E和模糊控制规则R根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量U18。图51为模糊控制的原理图。图51模糊控制原理图52模糊控制器与普通的计算机数字控制系统相比较，本设计的最大特点之一就是采用了模糊控制器的模糊控制系统。模糊控制器是模糊控制系统的核心，而模糊控制器的结构，所采用的模糊规则，合成推理算法及模糊决策的方法等因素都会影响模糊控制系统性能的优劣19。模糊控制器是由输入量模糊化接口、数据库、推理机和输出解模糊接口五部分组成。如图52所示A/D计算控制变量模糊量化处理模糊决策非模糊化处理D/A执行机构被控对象传感器模糊控制器（微机）图52模糊控制器（1）输入量模糊化接口主要作用是将真实的确定输入量转换成一个模糊的矢量。输入量可以是一个，两个或多个，每个模糊输入变量的模糊子集通常可以划分为负大（NB），负小NS，零ZO，正小PS，正大PB或负大（NB），负中NM,负小NS，零ZO，正小PS，正中PM,正大PB或负大（NB），负中NM,负小NS，零负NZ，零正（PZ）正小PS，正中PM,正大PB，当然也可以把模糊子集划分得更多个等级，在实际应用中最常用的是前三种。（2数据库存放所有经过论域等级离散化以后的输入输出变量的对应值集合，当论域是连续域时，它就为隶属函数。（3）规则库根据专家知识或熟练的手动操作人员长期已久的积累经验可制定模糊控制器的规则，它是一种基于人的直觉推理的语言表示形式20。模糊规则一般由IFTHEN、ELSE、ALSO、END、OR等关系词组接而成。为了将模糊规则数值化，必须要“翻译”关系词。IFTHEN、ALSO（或OR）是比较常用的关系词，AND通常是在多变量模糊控制系统中才使用。如果将每一条规则逐条列出，显然是比较烦琐，为了简单明了，通常把它们列成表格形式来表示，这样就一目了然了。规则库是用来存放全部模糊控制规则的，在推理时为“推理机”提供控制规则。（4）推理机主要功能是根据输入模糊量通过模糊控制规则完成模糊推理和解模糊，最终得到模糊控制量。（5）输出解模糊接口在上一步模糊推理得到的结果仍然是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须再解模糊，求得清晰的控制量输出，这部分通常被称为输出解模糊接口。模糊控制器的设计521模糊控制器的结构的确定单变量二模糊维控制器是实际应用中最常见的结构方式。本系统采用误差E及误差变化EC为输入量，控制量U为输出量。对误差变量E，误差变化量EC和控制量U的模糊集及其模糊论域定义如下把E、EC和U都分成7个等级NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB把E、EC、U的模糊论域均分为6,5,4,3,2,1,0,1,2,3,4,5,6522模糊控制规则的建立如前所述，有经验的操作者或专家的控制知识和经验可以制定出模糊规则的形式，为了能够进行实时控制，还必须对它们形式化数学处理，方便计算机进行推理和运算。根据经验可建立模糊规则如表51所示表51模糊规则表UECNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPBPBPMZOZONMPBPBPBPBPBZOZONSPMPMPMPMZONSNSZOPMPMPMZONSNMNMPSPSPSZONMNMNMNMPMZOZONMNBNBNBNBEPBZOZONMNBNBNBNB523模糊变量赋值表的建立确定变量的模糊集和模糊论域后，还须对模糊语言变量确定隶属函数，即所谓对模糊变量赋值，E、EC、U的赋值表如表52、表53、表54、所示表52E赋值表隶属度误差变量E6543210123456PB000000000010411PM000000000207111PS0000000030810511ZO000000006010000NS00011103000000NM020711000000000NB10800000000000表53EC赋值表隶属度误差变化量EC6543210123456PB0000000000104081PM00000000020710702PS00000000910702050ZO000000510500000NS0002071090000000NM02071070200000000NB10804010100000000表54U赋值表隶属度控制量U6543210123456PB0000000000104081PM00000000020710702PS0000000108040100ZO000000510500000NS0001040810000000NM00207107020000000NB10804010100000000524查询表的建立查询表通常是通过离线计算出来的，一旦将其存放在计算机中，在实时控制过程中，计算机直接根据采样和论域变换得到的以论域元素形式表现的E和EC的值通过查询表得出相应的控制量的值，加在控制过程上，这样，实现模糊控制的过程就转换成计算量不大的查询表的过程，使模糊控制有了良好的实时性。根据532小节建立的模糊控制规则所决定的模糊关系R应用推理合成规则计算出E和EC情况反映控制量变化的模糊集合U。然后采用适当的方法对其进行模糊判决，由控制量U的论域6,6可获得最终加到被控对象实际控制量的精确值。根据最大隶属度法进行模糊决策得到的模糊控制查询表如表55所示表55模糊查询表UEC6543210123456665656631100015555555533100046565666331000355555553101112333433300011113334331000222E0333411001133312222001111333211110233323333000122555555540001336665655用于模糊控制算法对系统的性能进行测量。表中的元素用PIJ表示性能表具有1313169项，整个表分成13个区域，即土6区，5区0区，如表55所示。O区说明系统处于设定值状态或以一种合理方式向设定值靠近，这时系统不需要作任何修正动作。1区2区说明系统向设定值靠近，且靠近速度较快，因此对输出控制动作作较小的修正。3区4区说明系统向设定值靠近，且靠近速度较慢，因此对输出控制动作作较大的修正。5区6区说明系统向偏离设定值的坏趋势发展，则需对输出控制作较大的修正，以改变这种坏趋势。由此可知，模糊查询表的建立大大简化了模糊控制计算量，有利于模糊控制算法的拓展与应用。53本章小结本章主要简单介绍了模糊控制器的原理，同时在模糊控制器的设计过程和本次设计中模糊控制表的建立，由于篇幅关系，在介绍模糊控制器的设计过程时主要简单讲了模糊控制系统和模糊控制器的基本概念。第六章系统软件的设计61程序结构分析本设计在主程序中一共调用了四个子程序，分别是数码管的显示子程序、温度信号的处理子程序、按键设定温度和运用模糊算法的加热模块的子程序。温度信号的处理子程序对温度芯片送过来的数据进行处理，进行判断和显示。数码管的显示子程序向数码管的显示送数，控制系统的显示部分。按键设定子程序可以设定所需要控制达到的温度，可精确到01摄氏度。加热模块根据输出控制量U的大小通过定时器来控制加热时间和自然冷却时间的长短。62系统程序流程图设计中的主程序的主要功能是对温度的实时显示、读出并处理DS18B20温度传感器测量的当前温度值，温度的测量每1S进行一次。我们这样可以在一秒之内测量出一次被测温度值，主程序的主要功能是对温度的实时显示，读出并处理DS18B20的当前温度值，与设定的温度相比较。通过调用读温度子程序把存入内存储中的整数部分与小数部分开分存放在不的的两个单元中，然后通过调用显示子程序显示出来。图61为DS18B20温度流程图。图61DS18B20温度流程图621DS18B20温度传感器的初始化程序流程图在DS18B20工作之前需要进行初始化，其流程图如图62所示发复位命令发跳过ROM命令初始化成功结束图62初始化程序流程图622读取温度子程序流程图读取温度子程序的主要功能是从DS18B20中读出温度数据，移入温度暂存器保存。其程序流程图如图63所示发复位命令发跳过ROM命令发读取温度命令移入温度暂存器结束图63温度子程序流程图623模糊控制程序流程图图64模糊控制流程图常规的二维控制器是以误差E和误差变化EC为输入变量的，在求出E和EC后，要将它们模糊化，得到误差变量E和误差变化量EC，本设计也是采用误差和误差变化作为输入变量，U为输出变量。E和EC的基本论域分别为5,5,2,2。在计算E时当E5时，取E5；当E5时，取E5。同理，在计算EC时当EC2时，取EC2；当EC2时，取EC2。通常在将E和EC模糊化时，由于量化因子KE和KEC不一定是整数，所以和不一定是整数,为了解决这个问题,本设计KEECC采用四舍五入法对其进行取整。模糊控制具体的流程图如图64所示。624按键程序流程图本设计温度设定部分一共用了3个独立按键，S1、S2和S3分别接单片机的P20口、P21口P22口。本设计采用中断方式设定温度，并且使用软件消抖的方式消除按键的抖动，当按下S2时，单片机就停止当前正在处理的工作，并进入温度设定程序，这时，如果按一下S3，设定温度最低位就会加一，如果按一下S4，设定温度最低位就会减一，直到温度设置完成后按下S2，单片机此时退出温度设定程序，然后单片机回到原来中断的地方，继续处理原来被中断的工作。具体的按键程序流程图如图65所示。图65按键程序流程图625温度显示及加热模块温度显示模块采用的是一个四位数码管，程序初始化首先进入的是当前实际检测到的温度的显示，通过按键S1进入到设定温度时，这时四位数码管显示的是所需的温度，可以通过独立的按键S2和S2增减温度值来设置所需的温度值。加热模块是根据输出控制量U的大小通过定时器来控制加热时间和自然冷却时间的长短。U的论域为，其中U的符号为正时，代表要加热，U的符号为负时，代表要自然冷却，U的数值代表多少个周期，如U6，表示要加热6个周期，U6，表示要自然冷却6个周期。周期的长短可以根据实际情况来进行修改。按下S2进入温度设置判断键值按下S3按下S4设定温度加1设定温度减1按下S2退出设置开始结束63本章小结本章主要讲述了系统各部分软件结构的设计，包括了主程序的设计、DS18B20温度传感器的温度读取程序设计、模糊控制程序加热模块的设计按键模块程序的设计和温度显示的设计。本人运用的是KEIL软件来编写程序和对程序进行修改，在顺利的实现了程序的编译后，利用软件生成的HEX文件导入到PROTEUS软件中进行仿真。在仿真过程中，一开始就出现比较多的问题，例如晶振频率不对应等问题，但在不断地修改和调整后，数码管显示、独立按键模块、加热电路模块都能够顺利的实现了设计所期望的功能。最后把程序下载到了所焊接好了的单片机里，很是幸运，顺利的在实物上实现了其功能。第七章总结与未来的展望本设计是一个基于单片机系统，结合外围的温度探测电路（DS18B20）和外围的加热电路，使用了模糊算法的一个智能水温控制系统。在设计中使用了一个四位的数码管来显示温度信息，同时可以通过独立的按键来对温度进行设定。在加热电路方面采用了一个固态继电器来实现外围加热电路的通断。总结来说，本设计包含了三个设计模块1单片机硬件的设计，2模糊控制器的设计，3系统程序的编写。总结来说，本设计特点是结构简单，调试方便，系统反映快速灵活，经实验的测试，该温度系统设计方案正确、可行，各项性能指标稳定、可靠。现代科技的飞速发展，人工智能的普及速度越来越快，智能控制系统有着广大的发展前景。在当今世界的控制领域中，智能控制和智能自动化科学技术正在如火如荼的迅速发展，已经被许多发达国家认定这是新世纪必须提高的技术，它的发展将会大大提高一个国家的核心竞争力。自上世纪50年代以来，智能控制已经在起坎坷的发展道理上取得了令人惊喜的