游泳池水温控制系统设计毕业论文设计（范文）

游泳池水温模糊控制系统设计0游泳池水模糊控制系统设计第1章绪论游泳池温度及其液位报警控制，在游泳池控制中占有非常重要的地位。将模糊控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。11课题背景模糊逻辑控制（FUZZYLOGICCONTROL）简称模糊控制（FUZZYCONTROL），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LAZADEH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EHMAMDANI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。传统的自动控制，包括经典理论和现代控制理论中有一个共同的特点，即控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型（如微分方程、传递函数或状态方程）的基础上，但是在实际工业生产中，影响系统的因素很多，十分复杂。建立精确的数学模型特别困难，甚至是不可能的。这种情况下，模糊控制的诞生就显得意义重大，模糊控制不用建立精确的数学模型，根据实际系统的输入输出的结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统进行实时控制，并能取得良好的控制效果。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12。游泳池水温模糊控制系统设计1水温控制在游泳池控制中是最为重要的，单水温控制过程中存在着很大的时滞性和很强的干扰。采用一般的控制方法如PID控制，都不能很好地满足要求。而目前较为流行的以单片机作为控制器基于模糊算法的温度控制策略可以很容易的解决这些问题1。12模糊控制研究方向展望模糊控制仍然是一个充满争议的领域。由于它的发展历史还不长，理论上的系统性和完善性，技术上的成熟性和规范性都还是不够的，有待人们的进一步提高。模糊系统理论还有一些重要的理论课题还没有解决。其中两个重要的问题是如何获得模糊规则及隶属函数，这在目前完全凭经验来进行；以及如何保证模糊系统的稳定性。大体说来，在模糊控制理论和应用方面应加强研究的主要方向为31）适合于解决工程上普遍问题的稳定性分析方法，稳定性评价理论体系；控制器的鲁棒性分析，系统的可控性分析和可观性判定方法等。2）模糊控制规则设计方法的研究，包括模糊集合隶属函数设定方法，量化水平，采样周期的最优选择，规则的系数，最小实现以及规则和隶属函数参数自动生成等问题；进一步则要求我们给出模糊控制器的系统化设计方法。3）模糊控制器参数最优调整理论的确定，以及修正推理规则的学习方式和算法等。4）模糊动态模型的辨识方法。5）模糊预测系统的设计方法和提高计算速度的方法。6）神经网络与模糊控制相结合，有望发展一套新的智能控制理论。13本文的工作详细分析课题任务，对模糊控制和温度控制的历史和现状进行分析，并对模糊控制和温度控制的原理进行了深入的研究，并将其综合。然后根据课题任务的要求设计出实现控制任务的硬件原理图和软件，并进行仿真调试。游泳池水温模糊控制系统设计2设计一个基于模糊控制算法的温度控制系统具体工作如下1）利用单片机作为模糊控制器，温度控制设定范围为（3080）。2）220V交流电源依次经过电磁干扰滤波器、电源变压器、整流滤波器和三端稳压器7805，获得5V稳压电源输出。电磁干扰滤波器能滤除从交流电网引入得噪声干扰，改善系统得电磁兼容性。3）采用智能温度传感器DS1820，检测温度，直接输出2进制编码给单片机，省去传统A/D转换过程。达到最小区分度为1，标定温差2，静态误差1的性能指标。4）运用可编程逻辑器件8279设计一个按键控制及LED显示器，能够设置温度上、下限温度，及显示当前温度值。5）具有越限报警，当温度超过或者低于设定温度时，报警电路作用，LED显示报警。6）使用NE555设计一个看门狗电路，提高系统的可靠性。游泳池水温模糊控制系统设计3第2章模糊控制算法及其应用随着科学技术的迅猛发展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与自适应能力的要求越来越高，被控对象或过程的非线性、时变性、多参数点的强烈耦合、较大的随机挠动、各种不确定性以及现场测试手段不完善等，使难以按数学方法建立被控对象的精确模型的情况。对于这些系统来说采用传统的方法包括基于现代控制理论的方法往往不如一个有实践经验的操作人员的手动制作效果好，而模糊控制理论正是以人的经验为重要组成部分。这就使模糊控制在一般情况下比传统控制方法更有效、更安全。1模糊控制的发展模糊集合和模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授LAZADEH于1965年在其FUZZY，FUZZYALGORITHM等著名论著中首先提出的。模糊集合的引入可将人的判断、思维过程用比较简单的数学形式直接表达出来，从而使对复杂系统做出符合实际的、符合人类思维方式的处理成为可能，为经典模糊控制器的形成奠定了基础3。为了加快模糊控制理论的研究，1972年在日本东京大学建立了“模糊系统研究会”，以后，各大学相继招开模糊控制的国际学术交流会，大大促进了模糊控制的发展。尽管模糊集理论的提出至今只有30年，但发展迅速。至今世界上研究“模糊”的学者已超过万人，发表的重要论文达5000多篇。80年代以来，自动控制系统的被控对象更加复杂化，它不仅表现在多输入，多输出的强耦合性、参数时变性和严惩的非线性，更突出的是从系统对象所能获得的数据量相对的减少，以及对控制性能要求的日益增高。因此要想精确地描述复杂对象与系游泳池水温模糊控制系统设计4统的任何物理现象和运动状态，实际已不可能。关键是如何在精确和简明之间取得平衡，而使问题的描述具有实际意义。这样模糊控制理论的优点在现代控制理论中起着越来越重要的地位和意义。从已实现的控制系统来说，它具有易于掌握、输出量连续、可靠性高、能发挥熟练专家操作的良好自动化效果等优点。最近几年，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善、模糊集成控制、模糊自适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复杂系统的自学习与参数自调整模糊系统方面的研究受到各国学者的重视。目前，将神经网络和模糊控制技术相互结合，取长补短，形成一种模糊神经网络技术，利用人脑的智能信息处理系统，其发展前景十分诱人。我国对模糊控制的理论与应用研究起步较晚，但发展较快，诸如在模糊控制、模糊辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊信息论、模糊模式识别等领域取得了不少有实际影响的结果。22模糊控制的基本原理221模糊集合在人类的思维中，有许多模糊的概念，如大，小，冷，热等，都没有精确的内涵和外延，只能用模糊集合来描述；有的概念具有清晰的内涵和外延，如男人和女人。我们把前者叫做模糊集合，用A表示，后者叫做普通集合（或经典集合）。如果把模糊集合的特征函数称为隶属函数，记作，则表示X属于模糊AXA集合A的程度。隶属函数是模糊数学中最基本的概念，我们用隶属函数来给出模糊集合在论域U上的模糊集合A，由隶属函数来来表示，在0，1区间内连AA续取值。的大小反映了元素X对于模糊集合A的隶属程度。AX222模糊集合的运算对于给定论域U的模糊集合A，B，C，借助于隶属函数定义它们之间的运算如下游泳池水温模糊控制系统设计5（1）相等XU，都有，则称A与B相等，记作AB。AXB（2）补集XU，都有1，则称B是A的补集，记作B。A（3）包含XU，都有，则称A包含B，记作AB。AXB（4）并集XU，都有MAX，则称CCXX是A与B的并集，记作CAB。（5）交集XU，都有MIN，则称CCXAB是A与B的交集，记作CAB。另外，普通集合中交换律，幂等律，结合律，分配律，吸收律，摩根定律也同样适用于模糊集合的运算1。223模糊逻辑推理建立在取真“1”和取假“0”二值基础上的数理逻辑，已成为计算机科学的基础理论。然而，在研究复杂的大系统时，二值逻辑就显得无能为力了。因为复杂系统不仅结构和功能复杂，涉及大量的参数和变量，而且具有模糊的特点。模糊逻辑的真值X在区间0，1中连续取值，X越接近1，说明真的程度越大。模糊逻辑是二值逻辑的直接推广，因此，模糊逻辑是无限多值逻辑，也就是连续值逻辑。模糊逻辑仍有二值逻辑的逻辑并，逻辑交，逻辑补的运算。应用逻辑理论，可以对模糊命题进行模糊的演绎推理和归纳推理。其中主要的有假言推理和条件语句1。（1）假言推理设A，B分别被描述为X与Y中之模糊子集A与B，（A）（B）表示从X到Y的一个模糊关系，它是XY的一个模糊子集，记作AB，它的隶属函数为1。ABXY，ABYX（2）模糊条件语句。在模糊自动控制中，应用较多的是模糊条件语句。它的一般语言格式为“若A则B，否则C”。用模糊关系表示为R（AB）（C）。游泳池水温模糊控制系统设计6224模糊判决方法通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合或者隶属函数，但在实际使用中，特别是在模糊逻辑控制中，必须用一个确定的值才能去控制伺服机构。在推理得到的模糊集合中，取一个相对最能代表这个模糊集合的单值的过程就称为解模糊或模糊判决。模糊判决可以采用不同的方法，用不同的方法所得到的结果也是不同的。理论上用重心法比较合理，但比较复杂，因而在实时性要求较高的系统不采用这种方法。最简单的方法是最大隶属度方法，这种方法取所有模糊集合或者隶属函数中隶属最大的那个值作为输出，但是这种方法未考虑其他隶属度较小的值的影响，代表性不强，所以它往往用于比较简单的系统。介于这两者之间的还有几种平均法如加权平均法，隶属度限幅元素平均法等4。1重心法所谓重心法就是取模糊隶属函数曲线与横坐标围成面积的重心作为代表点。理论上应该计算输出范围内一系列连续点的重心，即U（21）但实际上是计算输出范围内整个采样点（即若干离散值）的重心。2最大隶属度法这种方法最简单，只要在推理部分的模糊集合中取隶属度最大的那个元素作为输出量即可。不过，要求这种情况下其隶属函数曲线一定是正规凸模糊集合（即曲线只能是单峰曲线）。如果该曲线是梯形平顶的，那么具有最大隶属度的元素就可能不止一个，这时就要对所有取最大隶属度的元素求其平均值。3系数加权平均法系数加权平均法的输出执行量由下式决定NXD游泳池水温模糊控制系统设计7U（22）式中，系数的选择要根据实际情况而定，不同的系统决定了有不同的响应特性。IK4隶属度限幅元素平均法用所确定的隶属度值对隶属度函数曲线进行切割，再对切割后等于该隶属度的所有元素进行平均，用这个平均值作为输出执行量，这种方法就称为隶属度限幅元素平均法。23模糊控制理论的改进目前，模糊控制技术日趋成熟和完善。各种模糊产品充满了日本、西欧和美国市场，如模糊洗衣机、模糊吸尘器和模糊摄相机等，模糊技术几乎变得无所不能，各国都争先开发模糊新技术和新产品。多年来一直未能解决的稳定性分析问题正在逐步解决。模糊芯片也已研制成功且功能不断加强，成本不断下降。直接采用模糊芯片开发产品已成为趋势。模糊开发软件包也充满市场。模糊控制技术除了在硬件、软件上继续发展外，将在自适应模糊控制、混合模糊控制以及神经模糊控制上取得较大的发展。随着其它学科理论、新技术的建立和发展，使模糊理论的应用将越来越广泛。模糊理论结合人工神经网络NEURALNETWORK和遗传基因（GENETICMECHANISM）形成交叉学科神经网络模糊技术（NEURONFUZZYTECHNIQUE）和遗传基因模糊技术（GENETICFUZZYTECHNIQUE），用于解决单一技术不能解决的问题。231PID模糊控制器一般的模糊控制系统通常采用二维模糊控制结构，这种结构能够确保系统的简单性和快速性。这类控制器的输入语言变量为系统的误差E和误差变化EC。因此，这种控制器具有类似于常规PD控制器的功能和良好的动态特性。然而，控制器的静态误差不能消除。为了改善静态性能，加入一个模糊积分单元，形成PID模糊控制5。IIKX游泳池水温模糊控制系统设计8对模糊控制器引入积分作用的方法有以下几种BRAAERUTHERFORD法，此方法是由BRAAE和RUTHERFORD于1978年开发的；BIALKOWSKI法，这种模糊控制器由BALKOWSKI于1983年提出的；BASSEVILLE法，这种模糊控制器是由巴泽维莱（BASSEVILLE）于1988年提出的一种PID模糊控制器。232自组织模糊控制器直接自适应控制器的参数是由受控装置（对象）的期望输入与实际响应间的误差直接综合的。目前尚无非线性系统直接自适应控制的解析方法；不过，自组织模糊控制器力图解决直接自适应非线性控制问题；其中理想闭环特性的参考模型由性能指标来体现，而该性能指标引导控制规则的更新过程。自组织模糊控制器是一种这样的模糊控制器，其控制策略能够适应过程或环境的变化，而且是一种必须同时执行两项任务辨识与控制的实验测定处理器。这种控制器能够处理多变量的输入/输出系统，非线性，参数的时序变化及随机扰动等。自组织模糊控制器的理论是由英国伦敦QUEENMARY学院的MAMDANI及其学生在20世纪70年代末首先提出的，后来由其他研究者加以发展。它由基本层和自组织层两级组成；前者为一常规模糊语义控制器，后者对每一个输入/输出响应的采样进行评价，并对控制器产生一个修正。该结构能够自动获得模糊控制器的规则库。当用FLC控制对象（装置）至期望响应时，新条件一旦出现，规则就被产生和修正。该控制器的主要部分有性能评价，对象建模，规则库更新和FLC保持等。性能评价的单元用于分析精确装置有关性能目标的状态矢量，并对以辨识过的规则进行修正，以补偿任何恶劣性能的影响。修正是通过标量来调整规则结论的。采用可接受和不可接受两种阶跃响应相平面轨迹作为性能目标6。233自学习模糊控制器模糊控制系统的品质主要取决于模糊控制规则的建造和模糊关系的真实性。不过，建造模糊规则通常具有一定程度的主观性，因而可能无法保证系统具有良好的动态性能。为了克服这种主观性对系统控制品质的不利影响，把自学习和自改善功能引入模糊控制器。游泳池水温模糊控制系统设计9自学习模糊控制器是一种能够从其环境和受控过程学习足够多的相关信息的自动控制系统；根据所学信息，SLFC能够通过辨识，分类和决策产生新的控制律。因而系统的静态和动态特性能够改善。自学习模糊控制器的研究目标为从初始模糊控制过程学习系统性能的相关信息，以所学经验为基础生成某些新的模糊规则或者修正某些原有的模糊规则来改善模糊关系，从而使模糊控制系统的性能能够满足给定的性能目标函数7。234专家模糊控制专家模糊控制器EFC（EXPERTFUZZYCONTROLLER）由RMTONG提出，1984年他发表了关于模糊控制系统展望的论文，提出这一新概念。专家模糊控制系统是由专家系统技术和模糊控制技术相结合的产物。把专家系统技术引入模糊控制之中，目的是进一步提高模糊控制器的智能水平。专家模糊控制保持了基于规则的方法和价值和用模糊集处理带来的灵活性，同时也把专家系统技术的表达，利用知识的长处结合进来。专家系统技术考虑了更多方面的问题，例如，是什么组成知识以及如何组织、如何表达、如何应用知识等。专家系统方法重视知识的多层次和分类的需要，以及利用这些知识进行推理的计算机组织。24模糊系统建模及参数辨识建模与参数辨识是实现控制的重要基础，因此这一研究工作从1999年至今一直是模糊控制领域的热门话题。系统模糊模型就是指采用与系统输入输出样本数据相关的、能表示系统状态的一组模糊规则来描述系统。具有模糊性的表示形式。模糊控制理论还有一些重要的理论课题还没有解决。其中两个重要的问题是如何获得模糊规则即隶属函数问题以及如何保证模糊系统的稳定性。大本说来，在模糊控制理论和应用方面应加强的主要课题有1适合于解决工程上普遍问题的稳定性分析方法，稳定性评价理论体系，控制器的鲁棒性分析，系统的可控性分析和可观测性判定方法等。2模糊控制规则设计方法的研究，包括模糊集合隶属函数设定方法，量化水平，游泳池水温模糊控制系统设计10采样周期的最优选择，规则的系数，最小实现规则和隶属函数自动生成等问题，以及进一步给出模糊控制器的系统化设计方法。3模糊控制器参数最优调整理论的确定以及修正推理规则的学习方式和算法等。4模糊控制算法的改进和研究。由于模糊逻辑的范畴很广，包括大量的概念和原则，然而这些概念和原则能真正的在模糊逻辑系统中得到应用的却为数不多。这方面的尝试有待深入。241模糊控制系统的基本原理模糊控制系统通常由模糊控制器，输入输出接口，执行机构，测量装置和被控对象五个部分组成，如图21所示。图21模糊控制系统的组成根据图21可知，模糊控制系统与通常的计算机控制系统的主要区别是采用了模糊控制器。模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊系统的性能优劣，主要取决于模糊控制器的结构，所采用的模糊规则，合成推理算法以及模糊决策的方法等因素。模糊控制器由模糊化接口，知识库，推理机和模糊判决接口4个基本单元组成8。如图22所示。它们的作用说明如下。图22模糊控制器的组成模糊化接口推理机清晰化接口知识库偏差控制量EUA/D模糊控制器D/A执行机构被控对象变送器给定量EU被控量YR游泳池水温模糊控制系统设计111模糊化接口。测量输入变量（设定输入）和受控系统的输出变量，并把它们映射到一个合适的响应论域的量程，然后，精确的输入数据被变换为适当的语言值或模糊集合的标识符，本单元可视为模糊集合的标记。2知识库。涉及应用领域和控制目标的相关知识，它由数据库和模糊语言控制规则库组成。数据库为语言控制规则的论域离散化和隶属函数提供必要的定义，语言控制规则标记控制目标和领域专家的控制策略。3推理机。是模糊控制系统的核心，以模糊概念为基础，模糊控制信息可通过模糊蕴涵和模糊逻辑的推理规则来获取，并可实现拟人决策过程。根据模糊输入和模糊控制规则，模糊推理求解模糊关系方程，获得模糊输出。4模糊判决接口。起到模糊控制的判断作用，并产生一个精确的或非模糊的控制作用。此精确控制作用必须进行逆定标（输出坐标），这一作用是在对受控过程进行控制之前通过量程变换来实现的。242模糊控制器的设计在设计模糊控制器时，需要做如下的各项工作和遵循相关的原则。1选择模糊控制器的结构为模糊控制器选择与确定一种合理的结构，是设计模糊控制器的第一步。选择模糊控制器的结构，就是确定模糊控制器的输入变量和输出变量。一般选取误差信号E和变化率EC作为模糊控制器的输入变量，而把受控变量的变化Y作为输出变量。由于模糊控制器的结构对受控系统的性能有很大影响，因而必须根据受控对象的具体情况合理的选择模糊控制器的结构。2选取模糊控制规则模糊控制规则是模糊控制器的核心，必须精心选取这些规则4。（1）选定描述控制器输入和输出变量的语义词汇。游泳池水温模糊控制系统设计12我们称这些语义变量词汇为模糊状态。如果选择比较多的词汇，即用较多的状态来描述每个变量，那么制定规则就比较灵活，形成的规则就比较精确。不过，这种控制规则比较复杂，且不易制定。因此，在选择模糊状态时，必须兼顾简单性和灵活性。在实际应用中，通常选取7至9个模糊状态，即正大（PB），正中（PM），正小（PS），负小（NS），负中（NM），负大（NB）和平均值（AZ）或者（ZO）7个模糊状态加上正零（PO）和负零（NO）2个模糊状态。（2）规定模糊集模糊集表示各模糊状态。在规定模糊集时，必须首先考虑模糊隶属函数曲线的形状。当输入误差在高分辨率的模糊子集上变化时，由输入误差引起的输出变化比较剧烈。反之，当输入误差在低分辨率的模糊子集上变化时，所引起的输出变化比较平缓。因此，对于误差变化范围较大的情况，应采用分辨率较低的模糊子集，而当误差接近零时采用分辨率较高的模糊子集。对应于误差E的语言变量（模糊状态）A，可分为下列8个模糊状态PB，PM，PS，PO，NO，NS，NM，NB。误差变化率EC所对应的语言变量B一般选为下列7个模糊状态PB，PM，PS，AZ，NS，NM，NB。（3）确定模糊化解模糊策略，制定控制表在求得误差和误差变化的模糊集E和EC之后，控制量的模糊集U可由模糊推理综合算法获得，即UEECR，式中，R为模糊关系矩阵。游泳池水温模糊控制系统设计13第3章系统设计整个系统由软件和硬件两部分组成。本章详细介绍了系统的硬件和软件设计，并对硬件和软件的每一个部分进行了分析，在后半部分还对系统模型进行了访真与程序调试。硬件和软件的每一个坏节都是深思熟虑而成，各自完成相应的功能并组成一个统一的整体。31硬件设计系统硬件由电源电路，温度检测变送电路、模数接口转换电路、单片机系统和人机接口等部分组成。系统电源为整个系统提供电能；温度检测变送电路将检测到的温度信号转换成标准的电压信号输入到模数接口转换电路；模数接口转换电路输出的数字信号进入单片机系统；单片机系统根据输入的数字信号以模糊控制算法为基础求出控制值，控制执行器的运行及温度的显示。311电源电路由于整个系统都是用单片机和各类芯片及电阻、电容组成的，其工作电压为5V，不需要负电压，可采用三端固定正电压集成稳压器7805系列的芯片。其输出电压5V，按输出电流不同可分为78M05、78L05，输出电流分别为05A和10A，转换成功率分别为25W和5W。从整个系统的设计来看，其中有几块集成芯片和多个电阻、电容等器件，其功率总和应在2W左右，所以考虑整个系统的功率裕量，采用78M05游泳池水温模糊控制系统设计14作为整个系统的供电芯片。其主要电路如图31所示。其中输入电压为交流220V，经过变压器其输出为95V，再进行整流。整流可通过四个二极管进行全波整流，也可以利用集成整流堆来进行（同原理）。后面接电容C1、C2为滤波电容进行滤波，注意电解电容应该要有一定裕量，否则不能起到很好的滤波效果。本电路中使用的电容大小为470UF，耐压为25伏。78L05的输出级接入两个滤波电容，用于减小因为电源波动对系统造成的影响和滤波。其不需要采用大容量的电解电容器，容量大小为100UF耐压为25伏，再接入01F的电容器，便可减少因为电源波动的影响和滤去纹波，很好地改善负载的瞬态响应。然而，随之产生一个弊端，即一旦78M05的输入出现短路时，输出端电容上存储的电荷，将通过集成稳压器内部放电，可能会造成内部电路的损坏，故在其间跨接一个二极管，为放电提供放泄通路，对集成稳压器起到了分流保护作用。312温度检测在本系统中将采用智能温度传感器。其主要优点是采用数字化技术，能够以数字形式直接输出被测温度值，具有测温误差小、分辨力高、抗干扰能力强。能够远程传输数据，用户可设定温度上、下限，有越限自动报警功能，自带串行总线接口等优点，适配各种微控制器，含微处理器和单片机，是研制和开发具有高性价比的新一代温度测控系统所必不可少的核心器件。本系统中采用的是由美国DALLAS半导体公司生产的DS1820型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪表，测控系统和大型设备中9。图31电源电路游泳池水温模糊控制系统设计15下面介绍DS1820的性能特点和工作原理。1DS1820的性能特点（1）DS1820采用DALLAS公司独特的“单线（1WIRE）”专有技术，通过串行通信接口（I/O）直接输出被测温度值（9位二进制数据，含符号位）。（2）温度检测范围是55125C，其分辨力是05C，但若采用高分辨力模式，分辨力可以达到01C。温度/数字量转换时间的典型值为200MS，最大值500MS。（3）内含64位经过激光修正的只读存储器ROM，扣除8位产品型号系列和8位循环冗余校验码CRC之后，产品序号占48位。出厂前就作为DS1820唯一的产品序号，存入其ROM中。在构成大型温控系统时，允许在单线总线上挂接多片DS1820。（4）适配各种单片机或系统机。（5）用户和分别设定各路温度的上、下限并写入随机存储器RAM中；利用报警搜索命令和寻址功能，可迅速识别除发生了温度越限报警的器件。2DS1820的工作原理DS1820采用3脚PR35封装或8脚SOCI封装。I/O为数据输入/输出端（即单线总线），它属于漏级开路输出，外接上拉电阻后，常态下呈高电平。UDD是可选用的外部5V电源端，不用时需接地。GND为地，NC为空脚。其内部框图如图32所示。游泳池水温模糊控制系统设计16GND64位ROM与单线接口存储器与控制逻辑便笺式RAM温度传感器高温触发器低温触发器8位CRC发生器电源检测I/OCVD1VD2UDD内部UDD图32DS1820的内部框图主要包括7个部分寄生电源；温度传感器；64位激光（LASER）ROM与单线接口；高速暂存器，即便笺式RAM，用于存放中间数据；TH触发寄存器和TL触发寄存器，分别用来存储用户设定的温度上、下限TH、TL值；存储与控制逻辑；8位循环冗余校验码（CRC）发生器。下面分别介绍各部分的工作原理。（1）寄生电源寄生电源由二极管VD1、VD2和寄生电容组成。电源检测电路用于判定供电方式并输出相应的逻辑电平（“0”表示用寄生电源供电，“1”表示由外部电源供电），以便高速暂存器能够读出数据和命令。采用寄生电源供电时UDD端需接地，DS1820就从单线总线上获取电源。当I/O线为高电平VD1导通，VD2截止，除向DS1820供电外，还把部分电能储存在C中。当I/O线呈低电平时，VD1截止，改有C上的电压UC继续向DS1820供电。该寄生电路电源有两个显著的优点第一，检测远程温度时无须本地电源；第二，在缺少正常电源时也能读ROM。使用寄生电源时应注意，在温度转换器件应使I/O线保持高电平。（2）测温电路原理DS1820内部测温电路框图如图33所示。低温度系数振荡器用于产生稳定的频率F0，高温度系数振荡器则相当于T/F转换器，能将被测温度T转换成频率信号F0图中还斜率累加器预置减法计数器计数比较器预置减到零温度寄存器减到零减法计数器高温度系数振荡器低温度系数振荡器设置/清除最低有效位增加停止图33内部测温电路框图游泳池水温模糊控制系统设计17隐含着计数门，当计数门打开时，DS1820就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲F0进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定。每次测量前，首先将55C所对应的基数分别置于减法计数器、温度寄存器中。在计数门关闭之前若计数器已减至零，温度寄存器中的数值就增加05C。然后，计数器依斜率累加器的状态置于新的数值，再对时钟计数，然后减至零，温度寄存器值又增加05C。只要计数门仍未关闭，就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。这就时DS1820的测温原理。斜率累加器能对振荡器的非线性予以补偿，提高测量标准度。（3）64位激光ROM芯片内部有经过激光修正的ROM，内含64位ROM编码，包括产品系列号高8位、产品序号（中间48位和CRC编码（低8位）。（4）高速暂存器简称暂存器它由便笺式RAM、非易失性电擦写E2RAM所组成，后者用来存储TH和TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给E2RAM。便笺式RAM占9个字节，第0、1字节是测量出的温度信息，第2、3字节分别是TH和TL值，第4、5字节不用。第6、7字节为计数寄存器，可用于提高温度分辨力。第8字节用来存储上述8字节的循环冗余校验码。详见表31。6条命令分别为温度转换、读暂存器、写暂存器、复制暂存器、重新调出E2RAM、读电源供电方式。表31暂存器的内容游泳池水温模糊控制系统设计18便笺式RAM存储内容字节号非易失性电擦写E2RAM温度低字节0温度高字节1TH/用户字节12TH/用户字节1TL/用户字节23TL/用户字节2保留字节14保留字节25计数器余值6计数值/C7CRC8（5）初始化对DS1820的操作是首先进行初始化，然后执行ROM操作命令，再执行暂存器操作命令，最后完成数据处理。（6）报警信号在完成温度转换之后，DSL820就把测得的温度值T同TL作比较。若TTH或TTL，则将该器件的报警标志置位，并对主CPU发出的报警搜索命令做出响应。因此可用多片DS1820同时测量温度并进行报警搜索。一旦某个测温点越限，主CPU用报警搜索命令即可识别正在报警的DS1820，并且读出其序号，而不必考虑其他未报警的DS1820。（7）循环冗余校验码（CRC）的产生在64位激光ROM的最低8位字节中存有CRC。主CPU根据ROM的前56位来游泳池水温模糊控制系统设计19计算CRC的值，并与存入DS1820中的CRC值进行比较，以判断主CPU接受到的ROM数据是否正确。CRC的函数表达式为CRCX8X5X31（31）此外，DS1820上需要按照31所规定的格式，为暂存器中的数据产生一个8位CRC，送给主CPU，以确保暂存器的数据传输无误。313单片机最小系统1单片机选型在单片机的选择上，本系统选择了80C51单片机。如图34。它主要功能特点如下。8位CPU。51子系列的片内RAM为128字节；8051片内有4KBROM。51子系列有2个优先级的5个中断源结构。4个8位并行I/O口（P0、P1、P2、P3）。51子系列有2个16位定时计数器。1个全双工串行口。布尔处理器。MCS51系列单片机大多数都采用40个端子的双列直插式器件，CHMOS制造工艺的80C51/80C3L除采用上述封装方式外，还采用了方形封装方式，图34示出了它们的端子配置图。方形封装方式有44个端了，但其中4条标有NC的端子不使用。MC551系列单片机的所有端子除5V（VCC40端子）和地（VSS20端子）外，按其功能可分为时钟电路端子（2个）、部分控制信号端子（4个）和I/O口端子（32个）三大部分。图3480C51端子配置游泳池水温模糊控制系统设计202晶振电路的设计单片机内部带有时钟电路，因此，只需要在片外通过X1、X2引脚接入定时控制单元（晶体振荡和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。振荡器的工作频率一般在1212MHZ之间，当然在一般情况下频率越快越好。可以保证程序运行速度即保证了控制的实时性。一般采用石英晶振作定时控制元件；在不需要高精度参考时钟时，也可以用电感代替晶振，有时也可以引入外部时钟脉冲信号。C9、C10虽然没有严格要求，但电容的大小影响振荡器的振荡的稳定性和起振的快速性，通常选择在1030PF左右。在设计电路板时，晶振，电容等均应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。314片外数据辅助存储器1程序存储器选择对于没有内部ROM的单片机或者当程序较长、片内ROM容量不够时，用户必须在单片机外部扩展程序存储器。MCS51单片机片外有16条地址线，即P0口和P2口，因此最大寻址范围为64KB（0000HFFFFH）。要注意的是，MCS51单片机有一个管脚跟程序存储器的扩展有关。如果接高电平，那么片内存储器地址范围是0000H0FFFH（4KB），片外程序存储器地址范围是1000HFFFFH（60KB）。如果接低电平，不使用片内程序存储器，片外程序存储器地址范围为0000HFFFFH（64KB）。C920PC1020PY112MX2X15VS1SWPBC701UR22KRESETVCC图35复位电路和时钟电路游泳池水温模糊控制系统设计218051单片机片内有4K程序存储器，因此管脚总是接低电平。扩展程序存储器常用的芯片是EPROM（ERASABLEPROGRAMMABLEREADONLYMEMORY）型（紫外线可擦除型），如2716（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）、27512（64K8）等。另外，还有5V电可擦除EEPROM，如2816（2K8）、2864（8K8）等等。本系统中选择2732作为程序存储器。如图36单片机扩展2732EPROM电路在选择程序存储器芯片时，首先必须满足程序容量，其次在价格合理情况下尽量选用容量大的芯片。这样做的话，使用的芯片少，从而接线简单，芯片存储容量大，程序调整余量也大。如估计程序总长3KB左右，最好是扩展一片4KB的EPROM2732，而不是选用2片2716（2KB）。在单片机应用系统硬件设计中应注意，尽量减少芯片使用个数，使得电路结构简单，提高可靠性1011。74LS373是带三态缓冲输出的8D锁存器，由于片机的三总线结构中，数据线与地址线的低8位共用P0口，因此必须用地址锁存器将地址信号和数据信号区分开。74LS373的锁存控制端G直接与单片机的锁存控制信号ALE相连，在ALE的下降沿锁存低8位地址。EPROM2732的容量为4K8位。4K表示有41024（22210212）个存储单元，8位表示每个单元存储数据的宽度是8位。前者确定了地址线的位数是12位（A0A11），后者确定了数据线的位数是8位（O0O7）。目前，除了串行存储器之P20P21P22P23P00P01P02P03P04P05P07P061817141387431916151219652234567821192223171615141311109202930242322213233343536373839111D7D6D5D4D3D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0O7O6O5O4O3O2O1O0OE/VPPALEPSENGOEGNDGND241218VCCGNDCEEA31GND803127324K874LS3735V图36单片机扩展2732EPROM电路8051游泳池水温模糊控制系统设计22外，一般情况下，我们使用的都是8位数据存储器。2732采用单一5V供电，最大静态工作电流为100MA，维持电流为35MA，读出时间最大为250NS。2732的封装形式为DIP242数据存储器选择RAM是用来存放各种数据的，MCS51系列8位单片机内部有128BRAM存储器，CPU对内部RAM具有丰富的操作指令。但是，当单片机用于实时数据采集或处理大批量数据时，仅靠片内提供的RAM是远远不够的。此时，我们可以利用单片机的扩展功能，扩展外部数据存储器。外部RAM与外部I/O口采用相同的读/写指令，二者是统一编址的，因此当同时扩展二者时，就必须考虑地址的合理分配。通常采用译码法来实现地址的分配。本系统中选择8KB的6264作为数据存储器。硬件连接如图37单片机与6264SRAM的连接11。6264是8K8位的静态RAM，它采用CMOS工艺制造，单一5V供电，额定功耗200MW，典型读取时间200NS，封装形式为DIP28，其中，A0A12为13条地址线；I/O0I/O7为8条数据线，双向；为片选线1，低电平有效；CE2为片选线2，高电平有效；为读允许信号线，低电平有效；为写信号线，低电平有效。其余地址用于外部I/O接口。6264的存储容量是8K8位。P00P01P02P03P04P05P06P07WRRDOEWECE162648051ALEGOEEA74LS138P20P21P22P23P24P25P27P26Y1CE25VI/O0I/O1I/O2I/O3I/O4I/O5I/O6I/O7D7D6D5D4D3D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0A1A0A2A3A4A6A7A5A8A9A10A11A12图37单片机与6264SRAM的连接74LS373游泳池水温模糊控制系统设计23315人机交互接口1键盘与显示电路80C5L、8279与键盘、显示器的接口电路如图38所示。为了简化电路，键盘扫描与LED显示器的动态扫描电路合用一片可编程键盘接口芯片8279。其显示信号OUTA、OUTB经过三态输出八总线收发器74LS24512，分别驱动LED显示器的7个笔段AG及小数点DP。R6为100D8的网络电阻俗称排阻，起到限流保护作用。扫描输出信号SL0SL1经过4线10线译码驱动器74LSL45，为显示器提供9路位扫描信号并且还向键盘提供5条列线。键盘的4条扫描线则分别接应答数据线RL0RL3。从80C51的锁存使能端ALE输出的脉冲，除作为74LS373的地址锁存信号，还经反相器F3放大整形后作为8279的时钟信号FCLK。OUTA、OUTBIRQD0D7RL3RL0_WR_CS_BCLKUCCA0GNDCMTLSL0SHIFTRESETSL3_1INTP0口_WRDP25ALEP00RESET74LS24545键盘行线列线9位LED显示器74LS145F5F4F374LS373。图3880C31、8279与键盘/显示器的接口接复位电路GND5VR59848880C518279游泳池水温模糊控制系统设计24显示器采用9位共阴极LED数码管，可分别显示出通道数，温度测量值T，以及所设定的上限温度TH和下限温度TL，显示格式分别为CHXT、H、L。该仪器采用45薄膜膜键盘，参见图39。图中每个键的上面为键名，下面为键值。其中，09为数字键，“”为符号键，ENTER是回车键，ESC为清除控。CHAN是通道选样键。SETHI和SETLO依次为TH、TL设定键。HISO为高分辨力测量控，DTS是显示设定温度键，CYC为巡回检测键。当按下SUM键后可显示温控系统中所包含单线器件的个数。2报警电路为使系统的人机交互界面更好，设置了两路报警信号，分别为两路红色的发光二极管，用于显示越限报警和误输入报警。当游泳池水温高于工作人员所设定的上限温度或者低于设定的下限温度时，则认为发生了越限，越限报警灯LED1点亮，提示操作出现了越限报警，提醒工作人员注意。值得一提的是，当游泳池温度从低温开始上升时，到下限温度以前系统都会出现越限报警。当出现越限报警时，工作人员应该注意是不是此种情况，此情况可以忽略。误输入报警LED2主要用于键盘管理中，当用键盘进行恒温设定、上、下限温度设定时工作人员如果没有按说明中所要求的步骤进行操作的话就是所谓的误操作。当出现误操作时误输入报警灯点亮，此时工作人员应进行输入检查，查看说明并更正。越限报警和误输入报警分别由P25和P26口引出，其上接的电阻为限流电阻，用于防止电流过大而引起的发光二极管烧毁。100H201H302HSETHI03HSUM04H408H509H60AHSETLO0BHCYC0CH710H811H912HCHAN13HDTS14H18H019HENTER1AHESC1BHHISO1CH图310报警电路R9200R10200LED1LED2P10P15图3945薄膜键盘游泳池水温模糊控制系统设计25316看门狗电路为提高系统的可靠性，由硬件和软件组成的两级“百门狗”。由NE555定时器构成的看门狗电路如图311所示。R3、C6为定时元件，由单稳态电路产生的正脉冲宽度为TW11R3C6123S。C5用于滤除高频干扰11。下面分析看门狗电路的工作原理1当系统工作正常时，看门狗电路不起作用。2当系统运行不止常时，80C51不能给定时器送去触发脉冲，NE555中的单稳态触发器就输出脉宽大十4S的负脉冲，经F6反相后加至80C51的复位端，使系统能可靠地复位，迅速恢复正常运行状态。317执行机构执行机构为一个固态继电器。通过控制固态继电器的导通与关断达到控制电炉的通电和断电的目的。P12P17口输出温度控制信号，经达林顿驱动阵列MC1413分别驱动6只固态继电器SSR1SSR6。通过改变加热或致冷系统的工作状态，即可实现对被监测系统的实时控制、固态继电器具有无触点、驱动功耗小、噪声低、抗干扰能力强、开关速度快、体积小、寿命长、能与CMOS、TTL电路兼容等优点，可取代传统购电磁继电器EMR用于自动控制领域。根据负载电源的需要，可选交流固态继电器ACTH_RDTGNDCOOUTF6UCC15342867C6022S复位脉冲IC10CD4071去80C51RESET端R422KC7033S接80C51的P11口NE555R3510UCCC5001S。图311看门狗电路游泳池水温模糊控制系统设计26SSR直流固态继电器DCSSR。当负载电流较大时，应选择固态接触器。32软件设计321主程序主程序流程图如图312，分为以下两部分1初始化初始化8279，设置键盘与显示的各种方式。包括键盘编码、双键万锁、设置时钟分频系数、入门显示。开机时，将8279中的显示RAM置为0FFH，令9只LED数码管显示全亮笔段“8”并延时2S，以判定数码管的质量好坏。调用搜索子程序，对单线总线上所挂接DSL820的识别序号进行搜索和存储，为系统的运行作好准备。调用清除标志位于程序，清除所有的标志位。调用清除显示缓冲区子程序，清除显示缓冲区。清除8279的显示RAM为00H，强迫显示器消隐。令最高位以闪烁状态显示字符“P”，表示准备工作已完成。开中断1。2循环状态调用闪烁于程序，获得所需闪烁效果包括是否闪烁以及哪位数码管闪烁。其目的有两个一是提醒用户注意二是利用键盘输入数据时能起到光标的作用。等待响应键盘中断。判断是否进行巡回温度测控。判断是否选择好测温通道。若已设置好通道，则对该通道近行测量与控制，否则游泳池水温模糊控制系统设计27继续循环等待。322温度巡回测控子程序该子程序的功能是对所有通道进行温度巡回检测与控制。程序流程如图313所示。设置8279工作方式检查数码管全亮笔段延时2S搜索DS1820识别号清除标志位清除显示缓冲区显示器消隐闪烁显示字符“P”，表示系统已经做好准备开中断调用温度测控子程序进入中断处理子程序开始结束有键盘中断YN图312主程序流程图游泳池水温模糊控制系统设计28323单通道温度巡回测控子程序其功能是根据所设定好的通道标志值，选定该通道进行温度测控。程序流程如图314所示。324搜索识别号子程序其功能是让主CPU搜索单线总线上各片DSL820的二进制64位识别号并存储下来，与此同时还记下所搜索到的器件个数，为测控做好准备。搜索过程分三步进行读某一位；读该位的补码；写该位的值。允许主CPU用“消除法来处理所有DSL820的64位ROM编码。主CPU每秒钟能识别75个DSL820芯片。325操作步骤1开机后首先进行系统自检和初始化。此时数码管笔段今亮。2然后该系统闪烁显示“P”，表示已完成初始化工作，等待用户操作。3用户先设定各通道的报警温度。操作方法如下按“CHAN”键，显示闪烁的“C”，再按数字键输入通道号，用“ENTER”键确认输入数据；按“SETHI”键，显示闪烁的“H”，用数字键输入报警温度上限TH值，按“ENTER”键予以确认；按“SETLO”键，显示闪烁的“L”，输入报警温度下限值TL并予以确认。4按“CYC”键确定进行巡回检测与控制。5按“SUM”键显示单线器件的个数“6选择测温通道后，按“DTS”键显示该通道的报警温度值。利用9位数码管中的高位来显示TH值，低位则显示TL值。7按“HISO”键进行高分辨力测温，并显示结果。否则即为低分辨力测温。8按“ESC”键使系统返回“P”状态，