单片机模糊温度控制系统设计制作.doc

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单片机模糊温度控制系统设计与制作
教 学 院：电气与电子信息工程学院　 学生：盛怡琼
专业班级：电子信息工程专业〔2〕班 指导教师：松 讲师
摘 要：本课题针对以单片机为控制器，由电阻丝加热系统组成的温度控制系统进展模糊温度控制系统设计与制作。本课题的温度控制对象具有非线性、大滞后、大惯性、升温单向性等特点的加热炉进展模糊控制的应用研究，设计出一个基于AT89S51单片机的模糊温度控制系统，系统采用AT89S51单片机收集温度信号并实时控制电加热炉温度，温度信号由温度传感器LM35采集，通过模数转换装置ADC0804把转化的数字温度信号传送到单片机，单片机经模糊运算处理后，通过5个七段LED数码管显示当前温度和设定温度，并发出控制信号，控制固态继电器的开关时间，来控制电炉温度。
关键词：单片机；AT89S51；温度传感器温度采集；模糊控制
Single-chip fuzzy temperature control system design and production 
Abstract ：The temperature automatic control system based on Single-Chip Microputer is described in the article including system scheme,theoretical analysis,hardware and software system testing,the main technical performance parameters.The system use microputer AT89S51 to collect and control temperature in real time,so the hardware is simple and easy to make.Temperature is supplied by a converter ADC0804,the output circuit uses five seven-segment LED to show the real temperature.It fits the demand by that testing,and the system has better accuracy of measure and control.
Keywords：Single-ChipMicroputer; AT89S51; Temperature sensor;Temperature collection; Fuzzy control

引言
本文的研究，就是以电加热炉作为控制对象，通过对模糊控制技术的性能分析，研究适合于单片机技术的、简单易行的优化方法建立优化型模糊控制系统，到达准确、有效控制的目的。另外，结合单片机技术，制作一个实用的单片机模糊控制器。而生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、改善劳动条件、保证生产平安和提高劳动生产率的重要手段。采用温度控制系统来控制温度对企业具有重要的意义。
1 模糊控制的组成和根本原理
组成：模糊逻辑控制系统的根本构造如图1所示。从图中可以看出，模糊控制系统的主要部件是模糊化过程、知识库(含数据库和规那么库)、推理机制和准确化计算。

图1模糊控制的组成

模糊控制系统的根本原理：由图2可看出，模糊控制系统由A/D，D/A、模糊控制器、被控对象、传感器、执行机构等组成，它的核心局部为模糊控制器。模糊控制器的工作原理为：首先，微机经中断采样获取被控制量的准确值，然后让系统给定与反应相比拟得到偏差e输入模糊控制器。在模糊控制器中，将准确量e以一定方法模糊化，得到偏差e的模糊量e〔实际上是一个模糊向量〕。再由e与模糊控制规那么R根据模糊推理规那么进展模糊决策，得到模糊控制量u，所以为了对被控对象施加准确的控制，还需要将其清晰化转换为准确量u，然后经D/A得模拟量送给执行机构，对被控对象进展第一步控制。然后，中断等待第二次采样，进展第二步控制二，……这样循环下去，就实现了对被控对象的模糊控制。

图2模糊控制原理框图

2 模糊温度控制系统硬件局部设计
AT89S51型单片机模糊控制器的硬件系统组成：根据单片机模糊控制系统的功能要求，本控制器由89S51型单片机、前向通道、后向通道、人机交互和与平安模块组成。
AT89S51型单片机模糊控制器前向通道的设计
〔1〕人机接口电路设计：电路图如图3所示，当S按键断开时，VCC直接通过5k的上拉电阻与单片机的P口相接，由于单片机部的自带电阻远远大于5k，所以VCC直接供应单片机5V的电压；当S按键接通时，电路转化为VCC直接通过5k的电阻与GND相连，电压全部加在电阻上面，所以此时单片机的P接口无电压信号，此时上拉电阻还可以起到防止电源短路的危险。因此按键按下时，为低电平；按键拔开时，为高电平，所以为低电平有效。

图3单片机P0接口电路
〔2〕ADC的选择及其与单片机的接口电路设计：A/D转换器就是实现将模拟信号转换成数字信号功能的器件。图4中ADC0804是8位S依次逼近型A/D转换器，它具有三态锁定输出，存取时间为135us，8位分辨率，正负1LSB的总误差。以及0~70度的工作温度。ADC0804把检测到的连续变化的温度模拟员转换成离散的数字量，输入到单片机进展处理。

图4 ADC0804与AT89S51接口设计
(3)电源电路设计：图5是单片机驱动电源电路设计原理图，首先变压器将交流电网220V的电压变为所需要的+12V和+5V的电压，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随着电网电压波动〔一般有±10%左右的波动〕，负载以及温度的变化而变化，因而在整流，滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动已经负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。

图5 电源电路图
〔4〕晶振电路设计：如图6设计所采用的时钟电路采用了精度较高的12MHz的晶振。晶振在本设计中的作用是在电路产生震荡电流，发出时钟信号。其中XTAL1接反向振荡放大器的输入及部时钟工作电路的输入；XTAL2接来自反向振荡器的输出。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

图6 晶振电路
〔5〕温度采集电路设计：温度采集电路如图7，传感器电路采用核心部件是LM35AH，信号调理电路主要完成对传感器信号放大和限幅的功能，将传感器电路输出的变化围为2V左右的直流电压，调理成放大5倍为±10V直流电压。运算放大器采用LM358，LM358部包括有两个独立的、高增益、部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。
图7 温度采集电路
89S51型单片机模糊控制器后向通道的设计
〔1〕单片机对加热炉温度的控制
电炉控制工作原理如图8所示：单片机输出上下电平信号，通过7407同向放大器放大，控制继电器通断时间，从而控制电炉加热时间。由于单片机输出的信号都很弱，所以普遍采用7407同向放大器来放大信号，同时通过继电器的电压放大作用，使加在加热炉两端的电压到达其工作电压。

图8 电炉控制图
〔2〕单片机输出接口电路
AT89S51单片机的P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进展校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P0口各个相接电路分别为时钟电路图，数据输出电路图，报警电路图，分别如图9，10，11所示。

图9 时钟电路图 图10 数据输出电路图

图11 报警电路图
〔3〕数码管显示电路
本次设计的数码显示电路见图12，所用的七段LED显示器是共阳极的形式，所以要某一段LED发亮，相对应的就必须是“0〞，要某一段LED熄灭，相相对应的输出就必须是“1〞。

图12 数码管显示电路

4模糊温度控制系统软件局部设计
89S51型单片机模糊控制器要完成数据采集、数据显示、模糊推理及串行通信等功能除了必需的硬件系统外，还必须有相应的软件系统。89S51单片机模糊控制器主程序构造图见图13。
89S51型单片机模糊控制器的算法程序：为了满足89S51型单片机模糊控制器的实时性要求，本文采用合成推理查表法的模糊控制算法。89S51型单片机模糊制器的算法程序框图见图14，模糊控制表的合成推理查表法实现方是：根据实时采样得到的输出信息Y(k)，可以得到当前的偏差信号e(k)和偏差变化信号ec(k)，先经限幅处理，再经量化处理就得到E和EC，根据当前已经求得的E和EC，查模糊控制表就得到控制量的变化△u。

图13 模糊控制器的设计流程 图14 89S51型单片机模糊制器的算法程序
5总 结
本文系统介绍了用单片机实现的加热炉温度控制系统，由于控制对象是一种具有纯滞后的大惯性环节，采用模糊控制器可以到达理想的控制效果。基于AT89S51单片机开发的模糊温度控制系统经过反复试验、测试，工作稳定可靠，具有体积小、灵敏度高、响应时间短、抗干扰能力强等特点。该系统本钱低廉，器件均为常规元件，有很高的工程价值。如稍加改动，本系统可以很方便的扩展成为集温度测量、控制为一体的产品，同时传感器LM35的小围非线性可以利用软件算法进展修正。
经实验运行结果说明，本系统具有以下特点：
〔1〕控制方案合理、稳态精度高、超调小；
〔2〕构造简单、调试方便、抗干扰性强、鲁棒性好，控制精度在±1℃，可实现快速无超调的跟踪给定输入，对参数变化有较强的适应能力。

6参考文献
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附录 电路原理图

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