基于AT89C51单片机的供暖锅炉控制系统设计

本科毕业设计（论文）XX XX 大 学毕业设计说明书学 院 、 系 ： 专 业 ： 学 生 姓 名： 学 号：设 计 题 目 ： 基于AT89C51单片机的供暖锅炉控制系统设计起 迄 日 期 : 20*年 2 月 13 日 20*年 6 月 10 日指 导 教 师 : 教授系 主 任 : 发任务书日期:20*年 1月 7日本科毕业设计（论文）目 录摘要 .3Abstract.4文献综述 .51 绪论 .91.1课题的来源及意义 .91.2系统的总体设计思想 .101.3系统的工作原理 .112系统的硬件设计 .122.1片机选型 .122.1.1关于单片机 .122.1.2 AT89C51芯片 .122.2信号采集、转换与输入电路 .132.2.1 温度传感器的配置与选择 .132.2.2 温度传感器 DS18B20与 AT89C51的电路连接图 .152.3并行 1/0口扩展电路 .162.4显示电路 .162.5硬件电路杭干扰设计 .192.5.1引起单片机控制系统出错的外在原因 .192.5.2电路抗干扰设计 .193 控制策略 .203.1模糊控制概况 .203.2模糊控制器的设计 .203.2.1输入输出变量的定义 .203.2.2定义模糊化条件 .223.2.3建立模糊控制规则 .223.2.4 求模糊控制表 .243.2.5 采样时间的确定 .254 系统的软件设计 .27本科毕业设计（论文）4.1设计思想 .274.2各功能模块设计 .284.2.1系统监控程序设计 .284.2.2时钟程序设计 .304.2.3采样程序设计 .324.2.4键盘程序设计 .334.2.5控制程序设计 .344.3软件抗干扰设计 .364.3.1 输出通道中软件抗干扰设计 .364.3.2程序“跑飞”的软件抗干扰设计 .365 结论 .38参考文献 .39致谢 .40本科毕业设计（论文）摘要 ：利用 Protel DXP 进行电路设计，对智能控制器的电源板、信号调理板、人机交互接口(按键面板、显示面板)以及控制器的核心 控制器主板进行了研制。电源采用三端集成稳压器 W7800 (W7900)系列元件;利用 Atmel 公司 AT89C51作为控制器的核心器件;利用数字温度传感器 DS18B20测量室内温度和锅炉水温。在上述硬件电路及控制算法的基础上，利用汇编语言，研制开发了供暖锅炉控制器的控制软件。控制软件主要包括控制系统监控主程序、监控处理子程序、控制算法子程序、时钟子程序、中断服务子程序等。通过对硬件电路及系统软件进行分析，提出了提高小型家用燃气锅炉单片机控制系统可靠性和抗干扰能力的主要软、硬件措施。关键词:供暖锅炉:单片机;控制器;本科毕业设计（论文）Abstract: The software called Protel DXP for circuit designed is used to develop the hardware of the controller. The hardware includes the power supply Printed Circuit Board, the signal modulation board, the interface board of human & machine (key board, display board),and the main control board which is the core of this controller. The three-pin integrated -circuit voltage regulator W7800 (7900) series component is used for the power supply. The Atmel AT89C51 chip is the core chip of the controller. The digital temperature sensor DS18B20 is used to measure room temperature and water temperature in boiler. On the basis of these hardware and control arithmetic, using assemble language, the paper develops the software of the controller for the minor gas-fired boiler for domestic heating. This software includes control system monitor program, monitoring and managing subprogram, control arithmetic subprogram, clock subprogram, service subprogram for interrupt etc. Analyzing both hardware circuit and software of control system, the main measures have been presented to improve the dependability and the anti-jamming ability at both hardware and software aspect.Key Words: Gas-Fired Boiler; Single-Chip Microcomputer; controller; 本科毕业设计（论文）文献综述随着环保、节能国家政策的强势推进，作为占耗能总比例 50%以上的建筑供热市场目前所存在的能源浪费、污染严重的落后现状已越发突显。治理强化供热体制、调整改善能源方向、发展提高能源利用技术已大势所趋。洁净能源使用率已成为城市建设的标准，能耗利用率已成为各行业技术发展的标准。同时，我国的天燃气供应能力发展迅猛，其它洁净能源（煤层气、可燃冰等）也在迅速开发。因此，多种形式的燃气制热设备随市场机遇应运而生。供建筑供热和其它工业行业使用的大型燃气锅炉、供单户独立式供热的家用壁挂式小型锅炉成为当前的朝阳产业。一、 使用燃气锅炉符合国家相关政策：1、环保：天然气的使用与燃煤相比其有害物质排放；二氧化碳减少 58%氮氧化硫减少 9999%；氮氧化合物减少 81%；颗粒物减少 95%;炉渣及废水减少 100%。以上数据不难看出，使用燃气能源是实现环保政策最有效措施之一。2、节能：集中供热当前现状：(1)管线长，有很多为明装管线，加上管线外保温的低质量或失修，至使热流失严重，达 20%以上，并且要经常维修维护，定期换管，造成钢材、土地、人力等著多资源的严重浪费；(2)住户家里有人没人都照常供热，无效供热现象不可避免，造成国家和各人能源经济的大量浪费（虽然国家出台了分户计量政策，并在部分地区安装了热计量表，但由于收费的合理性、基础按装条件等著多方面存在争议，真正实现分户计量还需要过程） ；(3)由于设计院在设计散热器时增加的系数过大，造成用户在采暖季经常因室温过高而开窗调温，其能源浪费显而易见；(4)由于个别地区供暖能力不够，采暖季室内温度达不到国家规定的标准，用户和供暖企业纠纷不断，出现的用户投诉、供暖企业收费难等问题突出。3、分户计量：据有关资料统计我国现有供暖面积 146亿平方米，其中集中供热占 462%，基本处于无计量收费状态。为了调动用户的节能意识，热能商品化已无悬念，计量交易势在必行。燃气采暖壁挂炉作为单户供暖的产品，是最根本有效解决计量交易方式之一。本科毕业设计（论文）4、资源：目前我国天然气基础 38万亿立方米，煤层气资源基础 37万亿立方米，液化天然气 630万吨/年（合 10亿立方米） 。随着国家西气东输、陕气进京、川气东输、海气上岸、俄罗斯天然气引进等大型工程项目启动，各地燃气紧张的状况将逐步得到缓解。到 2010年预计全国燃气消费 1121亿立方米，2015年 1850亿立方米，2020 年 2517亿立方米。国家对燃气发展的政策也势必加快了燃气锅炉行业发展进程。二、燃气采暖锅炉市场：目前国内外用于采暖的燃气锅炉大致分为三种，一种是小区集中供热的模块式燃油燃气锅炉，一种是大型卧式燃油燃气锅炉，再一种就是单户采暖用的壁挂式燃气采暖热水炉。1、模块式燃油燃气锅炉：其优点是它可以根据居民小区的采暖面积选型，又可以按实际供热面积进行合理控制，节能效果比较明显；2、大型卧式燃油燃气锅炉：集中供热和工业用的居多。以上两种锅炉在已经有了燃气的地区，小区集中供暖置换的较多，优点是由专业人员操作，便于服务；劣势是管理费用和管网热损失需分摊到用户身上，在北京使用燃气供暖的费用是每平米/采暖季30元，据说价格还要上调。据有关资料统计，到2010年国内市场需要置换和新装的工业锅炉约10-12万蒸吨（每蒸吨=60万大卡） ，2010年后每年需置换的锅炉约7万蒸吨。3、壁挂式燃气锅炉：燃气壁挂炉自1996年法国的费瑞斯克（现在改为富丽凯）进入中国市场，十一年的时间中国目前市场的壁挂炉品牌已发展到近100个，由1996年的销量不足500台发展到现在年销量30-40万台，至2010年预计年需求量约100万台。据资料显示：目前欧洲市场年需求量是450万-500万台，壁挂炉采暖占供热市场的50%以上；韩国一个4400万人口的国家每年需更新换代的就要100万-120万台；东欧一些欠发达的国家，也在选用进口燃油燃气锅炉和壁挂式燃气锅炉，作为资源整合和环境保护的重要措施大力推广 1。随着城市建设的迅速发展，我国北方地区冬季城市集中供暖成为城市现代化必然采取的步骤。而供暖面积的不断扩大，使如何科学有效地控制和管理供暖系统，提高供暖的经济效益和社会效益，成为急需解决的重要课题。在供暖系统中，锅炉房供暖所占比例很大，据对我国北方地区29个大中城市近3.5亿平本科毕业设计（论文）方米的供暖调查，锅炉供暖占84%，热力供暖占12%，其他供暖占4%。在今后相当长的时间内，集中热力供暖是发展趋势，但无法取代锅炉供暖的主流地位。锅炉是消耗能源、产生大气污染、事关生产与生活和安全的重要设备，它在国民经济整个能源消耗中占有相当大的比重。目前我国供暖锅炉以燃煤链条锅炉为主，燃用的主要是中、低质煤，而且锅炉房管理水平不高，一直沿用间断运行方式，锅炉技术含量低，锅炉的自动化控制技术落后，造成了严重的能源浪费和环境污染。据统计冈，我国目前拥有工业锅炉50万台，每年消耗的燃煤占全国原煤产量的三分之一，约4亿吨。锅炉每年排放烟尘约620万吨，约 510万吨，此外还有大量的 等有害气体，成为我国大气煤烟型污染的2SO2NO主要来源之一。目前，该锅炉房已有计算机监控系统一套。该套计算机监控系统与原非计算机监控的人工控制系统并列运行。锅炉房控制采用常规集中盘控和计算机控制相结合的控制方式。但由于鼓风机、引风机、炉排电机、补水泵以及循环泵均采用工频配电，手动控制，都没有引入锅炉自动控制系统，锅炉房基本上采用集中盘上手控。只实现控制参数的显示和部分控制等，对炉膛负压、炉膛温度、出水温度、出水压力、回水温度、锅筒压力等无法自动控制，使得锅炉运行效率低、能耗大、环境差、工人劳动强度大。因此，对现有6台锅炉所用的鼓风机、引风机、炉排电机、循环泵以及补水泵等设备进行计算机控制系统和锅炉电机的变频改造十分必要。由于供暖锅炉系统中的风机、水泵负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比，采用交流变频调速控制风机、水泵流量代替传统阀门、挡板控制流量，可以大大节省该类负载的驱动电机的耗电量，.达到节能的目的，如果普遍采用交流变频调速，平均节电率在 30%左右。用变频器启动风机、水泵等电动机，由于变频器内部具有矢量转矩控制技术，保证了电机良好的启动性能，实现电机软启动，有效地限制了电机的启动电流，明显降低电机启动噪声。.同时，电机的软启动避免了频繁的工频启动对风机、水泵等大电机的冲击，有效地保护设备，延长设备使用寿命。锅炉的计算机控制使锅炉始终处于最佳工作状态，提高了锅炉的运行效率和燃煤的燃烧效果，不仅节约燃煤，也减少了烟尘和有害气体的排放，具有较本科毕业设计（论文）好的环保效果。同时，计算机控制系统通过各种传感器检测锅炉温度、压力、流量等参数，传送至微机和仪表盘，并实现温度和压力等参数的自动控制，工人在计算机控制室就可以全面了解锅炉房各部分的运行情况，大大改善了工人的工作条件，提高了自动化程度和管理水平。因此，采用锅炉的计算机控制和变频控制不仅可大大节约能源，促进环保，而且可以提高生产自动化水平，具有显著的经济效益和社会效益 2。当前，节能与环保己成为人类社会面临的两大课题。我国的锅炉目前以煤为主要燃料，耗煤量接近全国煤产量的三分之一，燃用的主要是中、低质煤，工业污染十分严重，而且锅炉设备陈旧，生产效率和自动化程度低，进一步加重了环境污染的程度。在欧美和日本等发达国家，石油和天然气己成为第一能源，占能源消费的65%左右，燃油和燃气锅炉的已逐步取代燃煤锅炉，对风机和水泵等电机的变频控制已相当成熟。自20世纪90年代以来，随着超大型可编程控制器的出现和模糊控制、应用，自适应控制等智能控制算法的发展以及智能控制器的锅炉控制水平大大提高，已实现优化控制。国内对锅炉控制的研究起步较晚，始于80年代初期。国内研究锅炉控制比较成熟的企业有上海杜比公司、南京仁泰公司等。此外还有一些科研院校联合企业开发的各种智能锅炉控制系统，如清华大学动力工程与控制学院为亚运村北辰供热厂热水锅炉的改造开发的锅炉控制系统，采用“一控四”方案，即一台主机控制四台锅炉。本科毕业设计（论文）1 绪论1.1 课题的来源及意义目前，我国城镇居民住宅取暖大都采用集中供暖方式，这种方式从原理上讲，热效率高，能源能够得到充分利用，具有较高的经济性。但是集中供暖多为燃煤锅炉，会带来很大的环境污染问题。我国是当今世界上生产和使用燃煤锅炉的第一大国。全球燃煤锅炉每年向大气排放约800万吨烟尘,500多万吨 , 2SO6亿吨 气体以及大量 等有害气体。不仅严重污染了大气环境，而且由于2CO2NO大量温室气体的排放，直接影响了全球温室效应。治理大气污染，保护环境，为子孙后代留下一片蓝天绿地是我们这代人不可推卸的历史使命。同时集中供暖对于每个用户来说，有不易控制的缺点，白天上班期间，家里没人时，暖气不能停掉，造成很大的浪费;或者能够停掉却不能预设启动，回家时室内温度较低，给生活带来不便。近年来以天然气为燃料的燃气锅炉具有高效、环境污染小甚至无污染等特点，而因此倍受人们青睐。尤其在国外，燃气(油)锅炉目前已得到了普遍应用。据统计，国外一些发达国家供暖用锅炉中，燃气(油)锅炉中已占有相当大的比例:俄罗斯占60%，美国占98%，日本占99%。随着各种客观条件的具备，我国生活采暖用燃气(油)锅炉的应用也必将得到进一步的发展。近几年 ,随着我国油田、气田的不断开发，尤其是我国南海“涯13-1”气田、东海 “平湖” 、 “春晓”气田和陕甘宁“长庆”气田的投产，以及西气东输工程的竣工，城市燃气管网逐步完善。居民燃气使用率逐步提高。同时随着我国由计划经济向市场经济体制的转型，国有企业享受国家能源补贴的取消，住房逐渐私有化，供热管网费、采暖费全部由个人支付，将会有越来越多的居民放弃集中供热而选择分散采暖。小型家用燃气锅炉的使用作为集中供暖的一个很好补充或替代己被越来越多的人关注和采用。家用供暖锅炉可以安置在厨房里、阳台上。通过这台小巧的锅炉燃烧天然气，室内管线、散热器与小锅炉连接，一般可以实现暖气和热水双路供应。这种分散式供暖方式中的小型燃气取暖炉方便随意。可以任意调节不同居室的温本科毕业设计（论文）度，家中无人时，只需调低温度，确保机器和循环水不冻即可。可以预设启动时间，回家后立刻能感受到家的温暖。房屋开发商还可以省掉锅炉房建设、规划、维护所占用的资金、土地、人力资源，减少空气污染，保护环境。本文将结合“小型家用燃气锅炉” ，利用MCS-51系列单片机为核心器件组成控制系统，采用智能模糊控制技术，通过仿真调试运行和分析研究，以期正确认识和全面理解利用单片机实现智能模糊控制技术在过程控制中的应用。1.2系统的总体设计思想八十年代以后，世界计算机市场上出现了专门用于工业控制的单片机系列产品，以其体积小、重量轻、功耗低、价格便宜、功能强的特点，在计算机控制实践中得到越来越广泛的应用。它不仅可以实现各种常规的控制算法，还可以根据被控对象的特性，充分利用控制理论的最新研究成果，采用更完善的控制方式，以获得更好的控制效果。由于家用锅炉属于批量生产，而且每台锅炉需要一套完整的控制系统，针对这些特点，尤其从产品成本角度出发，以MCS-51为核心器件组成的控制系统是比较理想的选择。此外，MCS-51系列单片机运算能力、完备的控制功能、加上完善的外部接口电路，对民用锅炉控制系统完全可以胜任。在外围芯片选取时，尽量选取典型的、易于扩展和替换的芯片和电路，并本着节约成本的思想。.系统在软件上采取模块化的程序结构。主程序作为监控程序，为整个系统软件的一条主线，其它功能模块均采用子程序调用、中断等方式，为调试和扩充提供了方便。系统的电源采用市场上常见的W7800( 7800)系列，模拟信号和数字信号分别用单独的供电回路，以避免电源干扰。由于出厂的每台锅炉及供暖设备的应用现场不同，供热范围的差异等因素，难以对每台锅炉系统确定一个统一的精确数学模型，因此本系统采用智能模糊控制方法，来控制锅炉的温度。另外，使用该系统，人们可以人为地在一天内设定不同的时间段，在每一个时间段给出不同的温度设定值，按人的需要在一天内进行自动循环控制，以适应家庭不同的时间段内不同的温度需要。本科毕业设计（论文）1.3 系统的工作原理图1.1 锅炉系统的工作原理Fig1.1 Principle of boiler system锅炉系统的工作原理如图1.1所示。加热后的水由循环水泵强制进入散热器，经散热器冷却后，再由管道流回锅炉。因此散热器部分可看作锅炉系统的负载，循环水泵前的供水口流出的是热水，经循环后流回锅炉的是己冷却的水。由于水泵所产生的作用力可以很大，因此供暖范围可以扩大到不止一户使用。同时系统还可以为用户提供热水，水量损失后由补水口自动加入。温度传感器的输出信号经调理电路处理后作为单片机系统的输入信号。本系统要采样2个回路的温度:供水温度和室内温度。控制系统的控制信号通过固态继电器控制燃烧器内进气量，由三个进气阀实现控制。燃烧器的作用是:固态继电器接通燃烧器电源后，燃烧器通过其内部的光电检测管检测锅炉内有无火光，若有火光则表示点火成功，不需启动点火变压器，否则启动点火变压器进行点火，同时电磁阀打开进气，这时光电管检测到火焰，关闭点火变压器，系统点火成功控制系统根据传感器检测到的温度，经一定的控制算法给出控制信号，调本科毕业设计（论文）节进气量的大小，来调节炉火的大小，以调节锅炉的水温度，从而完成室温的调节。2系统的硬件设计2.1片机选型2.1.1关于单片机单片机 (Single-Chip-Microcomputer)又称微控制器(Microcontroller)，其实就是一个简化的微机，将微机的CPU、存储器、串行工/0接口、并行1/0接口、定时器/计数器等集成在一片芯片上就是单片机了，单片机虽然只是一个芯片，但无论从组成还是从功能上来看它都具有了微机系统的含义。它主要用来完成各种控制功能。相对微机来说，单片机价格很低，非常适用于简单的控制场合以降低成本。另外，单片机是按照工业控制要求设计的，其可靠性很高，可以在工业现场复杂的环境下运行。单片机依靠其可靠性和极高的性价比，在工业控制、数据采集、智能化仪表、家用电器等方面得到了极为广泛的应用 3。单片机应用在检测、控制领域中具有如下特点:(1)小巧灵活、成本低、易于产品化。能组成各种智能式测控设备及智能仪器仪表。(2)可靠性好，应用范围广。单片机芯片本身是按工业控制环境设计的，抗干扰能力强，能适应各种恶劣的环境，这是其他机种无法比拟的。(3)易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能指令，可以对逻辑功能比较复杂的系统进行控制。(4)具有通讯功能，可以很方便地实现多机和分布式控制，形成控制网络和远程控制。2.1.2 AT89C51芯片AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高险能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes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MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU)和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场介，可灵活应用于各种控制领域。 其主要性能参数:与MCS-51 产品指令系统完全兼容4k字节在系统编程(18P) Flash闪速存储器本科毕业设计（论文）1000次擦写周期4.0-5.5V的工作电床范围全静态工作模式:OHM-33N1H二级程序加密锁128X8字节内部RANT32个可编程I/O日线2个16位定时/计数器6个中断源全双工串行DART通道低功耗空闲和掉电模式中断可从空闲模唤+系统看门狗(WDT)及双数据指针掉电标识和快速编程特性 灵活的在系统编程 2.2信号采集、转换与输入电路2.2.1 温度传感器的配置与选择为了测量室内温度和锅炉出水温度，以达到满意的控制效果，系统设计采样两个回路的温度:供水温度和室内温度。因此，在供水口和室内各配置一个温度传感器。在自动控制系统中，测控结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选择是否合理。作为单片机测控系统前向通道的关键部件，在选择传感器时应考虑以下几个方面:根据测控对象与环境确定传感器的类型;传感器的灵敏度、频率响应特性:线性范围、稳定性以及精度的选择、性能与价格。温度传感器种类较多，有分立的、有集成的:有模拟的、有数字的:有接触式的、有非接触式的。集成温度传感器测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗、适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单，(3)VDD 为外接电源输入端前国内外应用最为普遍的一种传感器5。本科毕业设计（论文）本系统被测温度大约在 0 100之间，选择比较常用的数字温度传感器 DS18B20能够满足要求，其外型如图 2.1所示。DS18B20引脚定义： (1)DQ为数字信号输入/输出端；(2)GND为电源地； (3)VDD为外接供电电源输入端图 2.1 DS18B20外形图 Fig2.1 Externality of DS18B20DS18B20数字温度传感器是 DALLAS公司生产的 1Wire，即单总线器件。它的主要特性如下:(1) 适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。(2) 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。(3) DS18B20支持多点组网功能，多个 DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。(4) DS18B20在使用中不需要任何外围元件，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。(5) 测温范围55125，在-10+85时精度为0.5。(6) 在 9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12 位分辨率时最多在 750ms内把温度值转换为数字，速度更快。(7) 测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给 CPU，同时可传送 CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。(8) 负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64 位光刻 ROM、温度传感器、非挥本科毕业设计（论文）发的温度报警触发器 TH和 TL、配置寄存器，其内部结构如图 2.2所示。图 2.2 DS18B20内部结构图Fig2.2 internal structure of DS18B202.2.2 温度传感器 DS18B20与 AT89C51的电路连接图DS18B20与单片机AT89C51的连接方式选择的是, Vcc接外部电源，GND接地，I0与单片机的I0线相连,且在接线上接一个4.7K的上拉电阻; 其电路连接图如图2.3。图2.3 DS18B20与AT89C51的电路连接图 Fig2.3 Connecting Circuit of DS18B20 & AT89C51本科毕业设计（论文）2.3并行 1/0口扩展电路1 2U1:A74LS05IOPTRAMALE1 AD0.7 PA0.7PB0.7PC0.5IO/M7RES4TIN3CS8RD9WR10TOUT6U2815XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD63P0.7/AD732P1.01P1.2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD1P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A92P2.2/A1023P2.3/A1 24P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U3AT89C51图 2.4 8155与 AT89C51的接口电路Fig2.4 Interface of 8155 & AT89C51因温度显示、指示灯、键盘等的需要，AT89C51 本身的并行接口不够用，扩展 8155芯片，可以得到满足要求的并行接口，同时 8155还可以提供一个 14位的减法定时/计数器。 如图 2.4所示，因 8155内部有地址锁存功能，ALE 直接与单片机的 ALE相连，数据/地址线 ADOAD7直接和 AT89S51的 PO.0 P0.7相连。P2.5 经反相器控制片选端，P2.4 连接 Io/ 端 4。M2.4 显示电路LED数码管的显示方式通常有两种:动态显示方式:它是把所有显示器的同名字段连在一起，并把它们接到字形口上。为了防止各个显示器同时显示出相同的字符，每个显示器的公共端还要受另一组信号控制，既把它们接到字位口上。这样，对于一组 LED数码显示器需要由两组信号控制:一组是字形口输出的字形码，用来控制显示什么样的字符;另一组是字位口输出的字位码，用来控制将字符显示在第几位显示器上。在这两组信号的控制下，使各位显示器轮流点亮一遍，过一段时间再轮流点亮一遍，如此不断重复，循环扫描，就可以得到稳定的显示效果。这种方式硬件接本科毕业设计（论文）口简单，但要反复循环显示，占用较多的 CPU时间。静态显示方式:就是在任意时刻，所有显示器都按照各自接收的字形码同时显示对应的字符。LED公共端接地(对共阴极LED)，或接高电平(对共阳极LED)。而每位LED显示器都由一个具有锁存功能的8位端口去控制。图2.5 显示电路Fig2.5 Circuit of display采用硬件译码方式。这样程序简单，显示亮度高，由于单片机不需要经常扫描显示器，所以可以节省CPU的时间。由于本系统是实时控制系统，要求CPU不断地处理相关的问题，且系统中硬件资源充足，因此，在本方案中，采用硬件译码方式，用8155的队口直接驱动译码器，再由译码器点亮数码管显示器。如图2.6所示。人机接口面板是人和系统进行对话的直接窗口，其设计如图 2-7所示。加 1键:每按一次，显示的参数加一，有进位功能；减 1键:每按一次，显示的参数减一，有借位功能；加 10键:每按一次，显示的参数十位数加一减 10键;每按一次，显示的参数十位数减一 ；温度键: 连续按此键，可循环显示室内温度、锅炉供水温度，正在显示哪一个温度由 LED指示灯指定；室温键:按此键可设置室内温度给定值。设置时指示灯 4点亮，否则指示灯 4灭；校时键:连续本科毕业设计（论文）按此键，可循环设置内部时钟的时参数和分参数；定时键;此键可设置循环时间循环运行时循环运行的时间和温度，设置时的输入顺序为:“时、分、温度设定值:时、分、温度设定值”，依此类推，最多可设置五个时间段，到达设定的时间即自动改变温度设定值，从而达到定时控制的目的；运行键:以上四个键设置完毕后，按此键结束设置，投入运行；模式键:按此键，可选择是按单一给定值运行，还是按循环时间运行，若为前者，则指示灯 3点亮，否则指示灯 3灭；水温键:按此键可设置水温报警上限值。设置时指示灯 4点亮，否则指示灯4灭；复位键:是在控制系统出现问题，且无法自动恢复时，用来对系统进行复位的；指示灯 1, 2:指示灯 I亮时 LED显示室内温度，指示灯 2亮时 LED显示锅炉供水温度；指示灯 5:当系统处于正常运行状态时，该指示灯亮，处于整定状态时，指示灯灭；指示灯 6:报警指示灯，当供水温度超过设定的报警温度时该灯亮；指示灯 7:报警指示灯，水箱水位低于设定的安全值时，该灯亮；指示灯 8:当固态继电器输出 1时，该指示灯亮，输出 0时，指示灯灭。图2.6 面板Pig2.6 Faeeplate室温水温模式给定运行超温缺水供气加 1 减 1 加 10温度 室温减 10校时 定时水温模式复位运行本科毕业设计（论文）2.5硬件电路杭干扰设计2.5.1引起单片机控制系统出错的外在原因从电路设计和制造的角度来看，造成单片机控制系统容易受干扰的主要外在原因是: (1)单片机自身的抗干扰能力低; (2)周围的电磁干扰太强; (3)系统电源的抗干扰能力差或功率不足; (4)器件间驱动功率不足，处在临界状态; (5)远距离数据传输的电流、电压偏低，没有采取屏蔽保护;(6)元件质量低。2.5.2电路抗干扰设计(1) 接地，这里的接地指接大地，也称保护接地。为单片机系统提供良好的地线，对提高系统的抗干扰能力极为有益。不能把地线接在暖气管道上，更不能将地线与动力线的火线、零线混淆。(2) 滤波，滤波是指将各类信号按频率特性分类，并控制他们的方向。常用的有各种低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器。把低通滤波器接在接入的交流电源线上，可以让50HZ的交流电顺利通过，而将其他高频噪声信号导入大地。(3) 加去藕电容。在每个集成电路的电源与地之间配置一个去祸电容，可以滤掉来自电源的高频噪声。作为储能元件，它可以提供或吸收集成电路内部三极管导通、截止引起的电流变化(di/dt)量，从而降低系统噪声。在这里选择性能好的瓷片电容作去祸电容。为防止电源波动带来的干扰，在每块印制电路板电源引入的地方安放一只大容量的储能电容，由于大容量电解电容为缠绕式结构，其分布电感较大，对滤除高频干扰信号几乎不起作用，故与去祸电容成对使用 6。本科毕业设计（论文）3 控制策略3.1模糊控制概况模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control)，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。 1965年，美国的L.A .Zadeh创立了模糊集合论;1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年，英国的E.H. Ma mdani首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制，在实验室获得成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻力:然而在东方尤其是在日本，却得到了迅速而广泛的推广应用。近20多年来，模糊控制不论从理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。其典型应用的例子涉及生产和生活的许多方面，例如在家用电器设备中有模糊洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、照相机和摄录机等;在工业控制领域中有水净化处理、发酵过程、化学反应釜、水泥窑炉等的模糊控制;在专用系统和其它方面有地铁靠站停车、汽车驾驶、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制等 7。3.2模糊控制器的设计3.2.1输入输出变量的定义确定控制器输入输出变量是模糊控制器设计的首要工作。按控制器的输入输出来定义，模糊控制器可分为单输入单输出及多输入多输出两种形式。对于单输入单输出模糊控制，又可以分为一维控制器、二维控制器和多维控制器。图 3.1 给出了单输入单输出不同维数的模糊控制器结构。本科毕业设计（论文） EUE 模糊控制器dttEUE 模糊控制器dtUE 模糊控制器(a)一维模糊控制器 (b)二维模糊控制器 (C)三维模糊控制器图 3.1 模糊控制器结构Fig3.1 Construction of fuzzy controller其中E为误差，U为控制器输出量。一般说来，模糊控制器的维数越高，控制精度越高，但也导致了控制器规则复杂，控制算法实现困难等问题，目前广泛应用的大多是二维控制器。本控制系统中，把给定的温度值Lo与室温实测值T之差E= -T以及温差SDT的变化量 作为输入变量，把送到执行器的控制变量U作为输出变量，构成二E维模糊控制器。见图3.2所示。UEE实际室温值室温给定值 执行器传感器模糊控制器室温t图3.2 二维模糊控制器Fig3.2 Construction of fuzzy controller控制器的输出利用8155的PB口高四位中的三个引脚PB4, PB5, PB6控制三个固态继电器，再通过继电器的主回路控制三组燃烧器的进气阀，控制燃烧器工作的个数，即可控制锅炉加热情况。全部关闭时，锅炉待机，停止加热，打开一个进气阀，一个燃烧器工作，锅炉加热，火力弱，打开二个进气阀，两个燃烧器工作，锅炉加热，火力中，三个进气阀全部打开，三个燃烧器同时工作时，火力强，以此来控制水温以达到调节室内温度的目的。控制过程无须进行D/A转换，这就大大简化了控制器的设计 8。本科毕业设计（论文）3.2.2定义模糊化条件本系统的输入模糊变量为:E(温度误差)、AE(温度误差变化)，输出模糊变量为U(输出量)。模糊变量词集：选择 的词集为负，零，正小，正中，正大;E选择 的词集为正大，正中，正小，零，负小，负中，负大;选择U的词集为:零，正小，正中，正大。精确量的模糊化主要是求各词集的隶属函数，下面分别求出输入输出量的隶属函数。(1) 误差模糊子集的隶属函数:可将论域划分为5档， , =0,1，2, 3,43210,E4通过统计可得模糊变量E的赋值表。(2) 误差变化模糊子集的隶属函数把误差变化论域划分为七档-3，-2，-1,0 ,1 ,2 ,3 ，通过统计一可得模糊变量E的赋值。E为负时表示温度偏高，E为正时表示室温没达到设定值。为正时表明室温在下降，反之E为负时表明室温在上升。(3) 输出量模糊子集的隶属函数输出量的论域顶为4档0,1 ,2 ,3 1，通过统计输出量U的赋值表如表3.1所示。 表3.2 输出量赋值表Tab3.2 output of evaluating table3.2.3建立模糊控制规则系统输入量的含义为:本科毕业设计（论文）E为负时表示温度偏高，E为正时表示室温没达到设定值。为正时表示室温在下降，反之 为负时表示室温在上升。E建立模糊控制规则的基本思路是这样的;(1) 当误差E( -T)为负(实际温度高于设定温度)时，表明室内温度已达SDT到并超过设定温度，若当误差变化of为负时，这时误差有增大的趋势，为抑制这种负大误差的变化，输出量取零，停止加热;若当误差变化E为零时，因温度己达到并超出，输出也取零;当八E为正小或正中时，系统趋于稳定，为维持系统的稳定并抑制温度的进一步回落，避免超调，输出取正小。当八E为正大时，表明系统热量流失的较快，温度回落较快，为维持系统稳定，输出取正中。(2) 当误差E为零时(实际温度等于设定温度)，室温已达到设定值，若E为负时，输出取零，停止加热;若八E为零或正小时，输出取正小，维持系统稳定;若 为正中或正大时，输出取正中。(3) 当误差E为正小时室温接近设定值稍微偏低)，系统接近稳态，若误差变化E为正大时，选取控制量为正大，以抑制误差向正方向变化;若误差变化E为正中、正小或为零时，选取控制量为正中;若误差变化E负小时，系统本身有消除负小的误差的趋势，选取控制量为正小即可;若误差变化E为负中或负大时，输出量取零以免超调。(4)当误差E为正中时(室温偏低)，控制量应使误差尽快消除。若误差变化E为正时，这时误差有增大的趋势，为尽快消除己有的负中误差并抑制误差变大，所以控制量取正大;若误差变化E为负时，系统本身已有减小误差的趋势，所以为尽快消除误差且又不超调，应取较小的输出;当误差E为正中且误差变化为负小时，输出控制量取正中;当误差E为正中且误差变化为负中时，输出控制量取正小;当误差E为正中且误差变化为负大时，输出控制量取零，以免系统超调。(5)当误差E为正大时(室温过低)，控制量应使误差尽快消除。若误差变化E为正或零时，这时误差有增大的趋势，为尽快消除已有的负大误差并抑制误差变大，所以控制量取正大;若误差变化E为负时，系统本身己有减小误差的趋势，所以要尽快消除误差且又不能超调;当误差E为正大且误差变化为负小时，输出控制量取正大;当误差E为正大且误差变化为负中时，输出控制量取正中;当本科毕业设计（论文）误差E为正大且误差变化为负大时，输出控制量取正小。总之，上述选取控制量的原则是:当误差大或中时，选择控制量以尽快消除误差为主;而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以保证系统的稳定性为主要出发点。通常使用的变量形式为:N (Negative)，Z (Zero)，P (Positive)，B (Big)， M (Middle)，S (Small)等组合来表示。 由以上的分析得出一组模糊条件语句;(1)if E is N andE is NB or NM or NS or Z，then U is Z(2)if E is N andE is PS or PM，then U is PS(3)