张冲计算机论文最终修改版.docx

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张冲计算机论文最终修改版

电气与电子信息工程学院

课程设计报告

设计：

　计算机控制

　　　专业名称：

　　电气工程及其自动化　　　

班级：

2006级电气（本）2班

　　　学　　号：

　　　0640220235　　　　　

姓名：

张冲

指导教师：

皮大能胡蔷

设计时间：

2009/12/7～2009/12/18

设计地点：

K2—单片机实验室

完成时间：

2009年12月21日

计算机控制课程设计成绩评定表

姓名

张冲

性别

男

专业班级

2006级电气（本）2班

课程设计题目：

即热式电热水器模糊控制器的设计

课程设计答辩或质疑记录：

1、模糊控制算法如何设计？

答：

模糊控制算法，或称模糊控制规则，实质上是将操作者在控制过程中的手动操作策略加以总结而得到的模糊条件语句的集合。

除了用模糊条件语句表达控制规则外，还可以用模糊控制状态表来表示。

2、模糊控制具有哪些特点？

答：

（1）模糊控制直接采用语言型控制规则,出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识,设计简单,便于应用。

（2）模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。

（3）模糊控制算法有利于模拟人工控制的过程和方法,使之具有一定的智能水平。

评语：

设计论文题与论文的内容基本相符，结构基本完整，详略得当，语言也比较通顺，论文思路清晰；对于初稿内容不够充实、具体，缺乏实践分析。

经过作者重新整理，反复修改，在理论的基础上使用仿真软件仿真分析，使论文条理清晰、说理充分，有理有据。

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

2009年12月30日

课程设计任务书

2009～2010学年第1学期

学生姓名：

张冲专业班级：

2006级电气（本）2班

指导教师：

皮大能胡蔷工作部门：

电气学院自动控制教研室

一、课程设计题目计算机控制

二、课程设计内容（含技术指标）

1．设计目的及要求

通过本课程设计学生应掌握设计所用硬件电路的工作原理，软件的使用方法。

能较熟练地使用软件平台设计较复杂的计算机控制系统。

1）根据设计课题的技术指标和给定条件，能独立而正确地进行方案论证和设计计算，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整。

2）要求掌握计算机控制系统的设计内容、方法和步骤。

3）学会查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数。

4）学会绘制有关计算机控制系统原理图和编制元器件明细表。

5）学会编写设计说明书。

6）通过对所设计的系统进行仿真实验，掌握系统仿真的方法。

7）按设计指导书中要求的格式书写设计报告，所有的内容一律打印。

8）报告内容包括设计过程、软件仿真结果及分析、硬件仿真结果及分析。

9）必须有整体电路原理图、各模块原理图。

10）软件仿真包括各个模块的仿真和整体电路的仿真。

2．设计内容

1）接口设计项目设置与内容

序号

名称

内容提要

学时

每组人数

1

8253可编程计数/定时器

8253与单片机的硬件连接

8253工作方式及其功能

2

5～10

2

A/D转换

ADC0809与单片机的硬件连接、ADC0809的转换性能

ADC0809转换的编程和调试方法

2

5～10

3

存储器扩展与EPROM编程

常用存储器芯片

单片机扩展外部存储器的硬件、软件设计与调试方法

EPROM的擦除、编程方法

2

5～10

4

基本I/O接口和中断

单片机I/O接口的特性和使用方法

单片机中断系统的性能、中断程序的

编制和调试方法

2

5～10

5

步进电动机控制

单片机控制步进电动机的硬件接口技术

步进电动机驱动程序的设计与调试方法

2

5～10

6

顺序控制

了解顺序控制系统设计和调试简单的顺序控制系统

2

5～10

2）计算机控制系统设计项目设置与内容

a.通用微计算机控制系统的设计;

b.PID数字控制器的设计；

c.冰箱温度控制器的设计。

d.模糊控制器的设计

三、进度安排

1．时间安排

序号

内容

学时安排（天）

1

接口设计项目

2

2

方案的选择论证

1

3

硬件、软件设计和仿真

4

4

撰写和打印设计报告

2

5

设计答辩

1

合计

10

2．执行要求

计算机控制系统设计的4题中选做一题，要求独立完成，并在答辩过程中检测。

为了避免雷同，在设计中所采用的方案不能一样。

四、基本要求

（1）根据要求确定系统设计方案；

（2）绘制系统框图和电气原理草图，程序流程图；

（3）计算电路参数和元器件选择，程序清单；

（4）系统各环节的仿真实验；

（5）安装，调试与修改；

（6）误差分析与调整；

（7）绘制系统原理总图，列出原器件明细表；

（8）画出软件框图，列出程序清单；

（9）结构设计；

（10）写出使用说明书；

（11）对设计进行全面总结，写出课程设计报告；

五、课程设计考核办法与成绩评定

根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。

评定项目

基本内涵

所占比例

设计过程

考勤、自行设计、按进度完成任务等情况

20％

设计报告

完成设计任务、报告规范性等情况

50％

答辩

回答问题情况

30％

90～100分：

优；80～89分：

良；70～79分：

中；60～69分，及格；60分以下：

不及格

黄石理工学院电气学院课程设计评分标准

项目

优秀（100>x≥90）

良好（90>x≥80）

中等（80>x≥70）

及格（70>x≥60）

不及格（x<60）

设计

过程

严格保证设计时间并按任务书中规定进度开展各项工作。

较好的保证设计时间，按期完成任务书规定的任务。

基本保证设计时间，按期完成任务书规定的任务。

不能保证设计时间，在指导教师监督下能完成任务书规定任务。

不能保证设计时间和进度，没有完成规定的任务。

设计

报告

结构严谨，逻辑性强，论述层次清楚，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，设计图纸清晰。

结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字通顺，达到规范化要求，设计图纸较清晰。

结构基本合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，设计图纸质量一般。

结构基本合理（有不合理部分），论证基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求，设计图纸无重大错误。

内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求，设计图纸达不到基本要求。

答辩

情况

紧扣主题、概念清楚、方法科学、设计工艺可行、数据可靠。

紧扣主题、概念清楚、设计工艺可行、数据可靠。

主题明确、概念较清楚、设计工艺可行、数据较可靠。

主题基本明确、概念尚清楚、数据无重大错误。

主题不明确、概念不清楚、数据不正确。

六、课程设计参考资料

1、电气与电子信息工程学院.单片机实验指导书

2、熊静琪.计算机控制技术.北京:

电子工业出版社,2003.

3、黄忠霖.控制系统MATIAB计算及仿真.北京:

国防工业出版社,2004.

4、王建华.《计算机控制技术》北京:

高等教育出版社.2008.2

5、袁秀英.《组态控制技术》北京：

电子工业出版社.2007.7

6、薛迎成.《工控机及组态控制技术原理与应用》北京：

中国电力出版社.2007.7

7、于海生.《计算机控制技术》北京:

机械工业出版社.2007.12

8、施宝华.《计算机控制技术》武汉：

华中科技大学出版社.2007.3

指导教师：

皮大能胡蔷

2009年10月

教研室主任签名：

2009年10月30日

目录

摘要1

第1章绪论3

1.1模糊控制在家用电器中应用的意义3

1.2本研究课题研究内容和方法4

第2章模糊控制器的设计5

2.1模糊控制的基本原理5

2.2模糊控制器的设计5

第3章系统硬件设计8

3.1系统总体方案确定8

3.2系统硬件组成及工作原理8

3.3系统硬件电路的设计9

第4章系统软件设计13

4.1主程序13

4.2T0、T1中断服务程序14

4.3数据采集模块14

4.4键扫描子程序15

4.5显示子程序16

4.6模糊控制程序17

设计总结18

参考文献18

附录19

摘要

模糊控制理论是模糊数学在工程应用中的一个重要分支，其基本思想就是利用计算机来实现人的控制经验，它是模糊理论与计算机技术、自动化技术相结合的产物，由于其良好的控制特性而得到广泛应用。

本文应用ATMEL单片机AT89S52作为核心部件，并引用了模糊控制理论与现场调试相结合的办法编制出具有智能补偿的系统软件，从而克服了PID控制方式中存在的进入恒温状态所需时间长、控制精度低、PID参数设置方法不易掌握等缺陷而造成的时间和能源的浪费，使系统工作效率低下，不能很好满足使用的要求。

实际运行表明，应用本系统控制技术而设计的即热式电热水器温度控制系统工作稳定可靠，控制精度高，过渡过程时间短。

本系统可以实现对热水器水温的实时控制，程序的可移植性强，有很好的推广、应用价值。

性能达到目前国内的同类设备水平，且价格低廉。

关键词：

模糊控制，PID控制，温度传感器，霍尔传感器

ABSTRACT

Thefuzzycontroltheoryisanimportantbranchinengineeringapplicationsoffuzzymathematics.Itsbasicthoughtisusingcomputertorealizepeople'scontrolexperience.Itistheresultofthefuzzytheorycombinedwithcomputertechnologyandautomatictechnology.Anditiswidelyusedbecauseofitsgoodcontrolcharacteristics.

Thistextusessingle-chipmicrocomputerAT89S52ofATMELasthekeypartandhaveprogrammedsystemsoftwarewithintelligencecompensationusingthemethodofthefuzzycontroltheorycombinedtogetherwithfielddebug,thusovercomesthedisadvantagesofwasteoftimeandenergyexistedinPIDcontrolmethod,causedbythelongnecessarytimetoreachconstanttemperaturestate,lowcontrolprecision,difficultytograspthesettingmethodsofPIDparametersetc.,whichmakesystematicworkingefficiencylowandcan'tmeetthedemand.Practicalrunningindicatesthatthetemperaturecontrolsystemofelectricheaterdesignedusingthissystemcontroltechnologyissteadyandreliable,withhighcontrolprecisionandshorttransitiontime.

Thissystemcanrealizethereal-timecontrolofthetemperatureofthewaterheater,withstrongportabilityoftheprocedure.Itisworthyofpopularizationandapplicationanditsperformancereachesthedomesticsimilarequipmentlevelatpresent,withlowcost

KeyWords：

fuzzycontrol,PIDcontrol,temperaturesensor,Hall'ssensor

第1章绪论

1.1模糊控制在家用电器中应用的意义

（1）即电式热水器研究的背景和意义

近年来，热水器已经成为与人们生活密切相关的电器设备。

它有安全、环保等特点，对安装的要求比较简单，不受空间限制，可以因地制宜。

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。

近几年来，随着人们生活水平的提高，住宅用户都有条件使用上述即热式电热水器，安全系数可以达到100%。

通过检测，即热式比传统的热水器可节省40%能源。

因为他既不需要预热，又不用保温，省去了大量的额外开支，给用户带来真正的实惠。

即热式产品作为新型环保产品，在我国广泛使用是大势所趋符合现代消费潮流。

（2）模糊控制技术的优点

模糊控制力图对人们关于某个控制问题的成功与失败和经验进行加工,总结出知识,从中提炼出控制规则,用一系列多维模糊条件语句构造系统的模糊语言变量模型,应用CRI等各类模糊推理方法,可以得到适合控制要求的控制量,可以说模糊控制是一种语言变量的控制。

模糊控制具有以下特点:

（1）模糊控制直接采用语言型控制规则,出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识,设计简单,便于应用。

（2）模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。

（3）模糊控制算法有利于模拟人工控制的过程和方法,使之具有一定的智能水平。

除此,模糊控制还有比较突出的两个优点:

第一,模糊控制在许多应用中可以有效且便捷地实现人的控制策略和经验。

第二,模糊控制可以不需被控对象的数学模型即可实现较好的控制。

模糊控制也有缺陷,主要表现在:

1）精度不太高;2）自适应能力有限;3）易产生振荡现象。

1.2本研究课题研究内容和方法

（1）研究内容

采用模糊控制算法实现热水器的温控，利用热敏电阻检测电热水器出水口温度，根据出水口温度与设定温度的差值及该差值随时间的变化率实施模糊逻辑控制。

课题主要要求：

1．阐述恒温模糊控制的原理；

2．基于单片机恒温模糊控制系统硬件结构的设计；

3．控制系统软件的编制；

4．绘制硬件结构图和软件流程图；

（2）研究方法

该热水器的工作原理为：

温度传感器及有关电路将电热水器出口温度转化为电压，再通过A/D转换为数字量，单片机将测得的数字量转化为与之对应的温度值。

与设定的温度相比较后，以偏差及其变化量为输入、加热量为输出，通过模糊控制算法，就可达到水温自调的目的，并加以显示。

第2章模糊控制器的设计

2.1模糊控制的基本原理

模糊控制的基本原理可由图2.1表示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线框中所示。

模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现，微机通过采样获取被控制量的精确值然后将此量与给定值比较得到误差信号E,一般误差信号E作为模糊控制器的输入量。

把误差信号的精确量进行模糊化得到模糊量，误差E的模糊量可以响应的模糊语言表示。

至此，得到模糊误差E的模糊语言集合的一个子集e。

再由e和模糊控制规则根据推理合成规则进行决策，得到模糊控制量u。

图2.1模糊控制器原理框图

2.2模糊控制器的设计

（1）精确量的模糊化

模糊控制器的输入要求为模糊集合，因此需要将确定数模糊化。

常用的方法有以下两种:

①将确定数如

看作模糊集合

的一个特例。

此时，模糊集合

只包含一个元素

=

*

在该元素上的隶属度为，即

=〔00…010…0〕（2.5）

②根据确定数

及量化因子

，由

=

*

求得

在基本论域〔-

，

〕上的量化等级

；其次查找语言变量

的赋值表，找出在元素

上与最大隶属度对应的语言值所决定的模糊集合，该模糊集合就代表了确定数

的迷糊化。

（2）模糊控制算法设计

模糊控制算法，或称模糊控制规则，实质上是将操作者在控制过程中的手动操作策略加以总结而得到的模糊条件语句的集合。

除了用模糊条件语句表达控制规则外，还可以用模糊控制状态表来表示。

常见的模糊控制器结构如图2.2所示，其中分（a）、（b）、（c）分别对应单输入单输出模糊控制器、双输入单输出模糊控制器、多输入单输出模糊控制器。

（a）单入单出模糊控制器（b）双入单出模糊控制器（c）多入单出模糊控制器

图2.2模糊控制器结构

（3）模糊控制状态表与查询表的建立

由ifE=NBorNMandEC=NBorNMthenu=PB所确定的模糊关系可用式2.6写出，即：

（2.6）

如果令此刻采样所得到的实际误差量为e且误差的变化为ec，由式

可以算出控制量为：

（2.7）

对于e及ec的隶属函数值对应于所量化的等级上取1，其余均取零，这样式2.7可以简化为：

（2.8）

式中

，

是模糊集合NBE和NME第i个元素的隶属度，而

，

是模糊集合NBEC和NMEC第j个元素的隶属度。

同理，可以由其余各条语句分别求出控制量

，控制量为模糊集合u，表示为：

（2.9）

由式2.9计算出的模糊控制量可以选用一种判决方法，如最大隶属度法，将控制量由模糊量变为精确量。

由模糊条件语句表达的控制规则，可得出如表2.4所示的模糊控制状态表以及如表2.5所示的模糊控制器查询表

表2.4模糊控制规则表

NB

NM

NS

0

PS

PM

PB

NB

PB

PB

PB

PB

PM

0

0

NM

PB

PB

PB

PB

PM

0

0

NS

PM

PM

PM

PM

0

NS

NS

N0

PM

PM

PS

0

NS

NM

NM

P0

PM

PM

PS

0

NS

NM

NM

PS

PS

PS

0

NM

NM

NM

NM

PM

0

0

NM

NB

NB

NB

NB

PB

0

0

NM

NB

NB

NB

NB

表2.5模糊控制器查询表

-6

-5

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-3

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-1

0

1

2

3

4

5

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6

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6

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7

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2

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0

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-7

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-6

-7

第3章系统硬件设计

3.1系统总体方案确定

本系统中，需要检测的输入信号有出水口温度和内胆温度及水流检测信号。

需要输出的信号主要是双向可控硅的导通时间以控制加热功率的大小。

还要完成数据的实时显示及各工作阶段指示、出水温度的设置、自动检测故障原因并显示等功能，还具有各种完善的保护功能，如温度的超限报警、防干烧。

系统结构框图如下：

图3.1系统结构框图

3.2系统硬件组成及工作原理

图3.2控制系统原理框图

即热式电热水器控制系统由水流检测电路、显示键盘电路、测温电路、加热输出控制电路、工作指示及保护电路和过零检测等电路组成。

控制系统原理框图如图3.2所示。

首先通过温度传感器DS18B20将出水口温度直接变换成数字量送到单片机。

单片机对接收到的信号与设定信号进行比较，采用模糊控制的方法，输出一个控制量，控制可控硅的导通周波数，以实现对加热量的控制。

同时用LED显示当前温度。

3.3系统硬件电路的设计

控制系统硬件电路图如附录所示，下面就各个硬件电路设计模块分别描述。

（1）温度检测电路

DS18B20测温原理

如图3.3所示，图中低温度系数晶振用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。

图3.3DS18B20测温原理图

减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置值将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器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就是所测温度值。

DS18B20与单片机的接口电路

如图3.4所示。

单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。

图3.4DS18B20采用寄生电源的电路图

当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us.采用寄生电源供电方式时VDD和GND端均接地。

由于单线制只有一根线，因此发送接口是三态的。

它与单片机的连接电路请看附录。

（2）水流检测电路

由于本热水器的贮水箱容积非常小，必须做到通水通电，断水断电，因此必须对水流进行检测，防止干烧发生事故。

在本设计中采用了霍尔传感器。

霍尔器件是一种磁传感器，用它们可以检测磁场及其变化。