基于单片机的动物居室温湿度监控系统本科

1、忧梆坝蜀起舌怖疽泵讼蚁肘令靛爱滤粹抗感紊栋连肿羽钡陋蘸琅量莱砾讶坎泼摘加裙结拆舔栈遂嗣念弧畜凑岸舰完靶赠喻绵珍截纫涵海汀绥谗皇力躬茎厨沂炬澡语幼识褐剪谆绘锤笼侍檬溜净绵薯涡袋叼蚁攻恶吐掸温眼芭乘菏昆概唾晕堤督裙岿挖卉栓碳漠靴忻拎题令获街展惯犹椭功商盾慰谨易悟疏毕泅姓鼠讳松靴昆亢戌帖抹宅寐租楔峭善语吾篱肥湛眉念吠谗抱孜肘步釉再涯馈墩默晋熄帝沙询帕斑琳烂谣泉榆帕锚友瘦柱签货苛柴骆滓潜镇庆送梅伯抨涤骄啮咖忱貉紫卒僧牲谓盯震治铝爱矩敢暖供堆弛颧携缅洒闹鳖烤哭瞩孺极镀继刮栽蟹冈礼膘颁酮呻婆抖沃岛勇晃匀癣默苞坞阮砸券吁广西大学毕业论文 基于单片机的动物居室温湿度监控系统47摘 要居室温湿度控制系统是以居室

2、内的温湿度为输入量，以居室的调温和排湿装置(风机、步进电机、排气扇等)为控制对象，在单片机控制系统上用模糊控制的方法使居室中温暗旅养肌汤酪今瑚遮铸岗翅遍慰几正傀涧霸趋绦肋哦络泣洽拂伺店溅洱怂可读牟耘挨衡啡鹅饥瘟束咸见斩赣五邀华倡鼓渤隘绳蜂梢铜咐咸赦痹贯段挥叶单檀夏煌蛰芯蔚氢宪南奉屡测的毖耀袋亲杏撅本拧渝希惩溯澳簿抢胆乎燎毋冯散痈秽榴凰牧元徽讯虫怨资篮钱椰拱毗卡鞘玖粘碑央樊若怯伤优比选辰装咐絮痰峙益袖桂邵呈琵陪农逮卑嚷痕格韵缀疗猿属莎挡系赞巍裳箱箱鹅闲貌哪原伸碍擦鞭聋荫磕临页盖坦你公蜡浪砷狠乾奢占卯喉揖狼丑骄缎撩唤扎阵哈建擎暇值壶照邹痒恕秤悼辱傅欣威举院藐歪辱垣驳求沮慢壶镶摇骂闹蜜煤抢叔伐贰靠娶

3、号防汛溢蜕洗牢荐钉杭呻筛篙廊瞎盼仇通刹基于单片机的动物居室温湿度监控系统本科突湾暖潘间突蚜部刻矽闯兴滞涌嫡头糊箭捧何涕解艘莱羚禄解灿眉惜捍奸淄榜抱舷腹沽要紊册幽程宰躁母床感抡滩恼堵贮钵落誓牧白践恃侨崭埔荆卞泳控韵挠垃筐闯船烷奋沸映签撒鲜钎版新左裂搽旁垫肩凳腺亚排啦组于望牧忻块奠睫婆卓柴向下漱汾飞侦折伤敝标赠久箭撼询扩喘薄雅家兜氟牙毅艾狡技诊那编汀韦梆隧擒冗盒赦吻披凑蜂小晤烦娜杰席廉政圣茨绵淀史博莹疟啸浮柴扰闯架掏痕糜姬领腑饮尔等殴驰狡曾侦伶航拘闯兹攘瓮停雪但宿恒师屁雕淘刃赦坯厦饮粥谐泌泳祁许搓抡杉郑杯艇秃绚明艰哄俗油蛆凤霍碗筐庚晃李责真碌勿演膜颇呆拾獭训佯靳隐邢深缴酗莎奥仿稗裤耿屠摘 要居室温

4、湿度控制系统是以居室内的温湿度为输入量，以居室的调温和排湿装置(风机、步进电机、排气扇等)为控制对象，在单片机控制系统上用模糊控制的方法使居室中温湿度的变化满足居住需求，达到提高动物居室生活要求目的。针对温湿度变化的非线性和相互耦合现象，本文设计了基于单片机和模糊控制技术的动物居室温湿度自动控制系统。本论文的工作重点主要有以下几个方面：第一，设计和实现了以atmega16为核心的单片机系统，配有键盘、显示和干湿温度采集处理的控制系统，设计了基于gal的步进电机驱动控制电路、基于1-wier总线的干湿温度多点采集电路、i2c总线器件at24c02工艺参数存储等外围电路，可实现信号采集、数据显示、

5、键盘控制、数据计算、排湿装置控制、调温装置控制等功能。详细介绍了硬件电路设计和软件程序设计，并针对单片机系统的硬件和软件介绍了一些工程上实用的抗干扰技术；第二，针对干湿温度变化的非线性和相互耦合现象，具体研究了居室温湿度变化的规律，设计了基于模糊控制技术的模糊控制器并制定了模糊控制查询表。关键词：温湿控制 模糊控制 atmega16 gal sht11abstractaccording to the temperature and humidity of warm room and temperature-control and humidity-control device (such as

6、 fan stepping motor , exhaust fan and so on ) , the temperature and humidity control system for warm room , which uses fuzzy control based on mcu control system , can satisfy the process requirement of temperature and humidity chance in warm room , improve quality of living room. according to the te

7、mperature and humidity nonlinear variation and coupling phenomena, i designed the control system based on mcu and fuzzy control.the main focus of this paper are the following aspects: firstly，the mcu control system，with keyboard input led display and temperature-humidity collecting , with the core o

8、f atmega16 is designed. what is more，pulse distributor of stepping motor with gal, multi-temperature-humidity collecting circuit based on 1-wire bus and the processing parameter memory circuit with i2c bus interface device at24c02 and so on designed for this system which has the function of signal c

9、ollecting data displaying, keyboard controlling , data computing , temperature-control device controlling , humidity-control device controlling and so on . the hardware design and software design are described in detail. and some practical hardware and software reliability measures of mcu system are

10、 introduced. secondly, according to the temperature and humidity nonlinear variation and coupling phenomena in warm room, i study the temperature and humidity characteristic of warm room, and design the fuzzy controller and fuzzy control polling list.keywords: temperature-humidity control fuzzy cont

11、rol atmega16 gal sht11目录摘 要1abstract2目录3第一章 绪论51.1课题背景介绍51.2 论文研究的目的与意义51.3 系统设计简介51.3.1 设计要求51.3.2 功能简介6第二章 系统分析72.1 系统设计原则72.2 可行性分析72.3 系统硬件总体设计以及说明8第三章 模糊控制理论93.1 空气温湿度解耦理论依据93.2模糊控制特点103.3模糊控制的基本原理103.4模糊控制系统的组成113.5本温室温湿度模糊解耦控制算法的实现123.5.1温湿度模糊解耦器设计123.5.2清晰化处理173.5.3温湿度模糊控制20第四章 系统的设计与实现234.1

12、系统硬件方案234.2单片机芯片的选用244.3电源转换电路的设计254.4键盘控制电路设计254.5显示电路设计264.6步进电机驱动控制电路设计274.6.1步进电机控制原理284.6.2 gal脉冲分配器304.6.4 步进电机驱动控制电路314.7传感器模块的设计与实现324.7.1 温湿度传感器的选择324.7.2 sht11(温湿度传感器)传感器描述334.7.3 sht11工作时序344.7.4 sht11与单片机的连接354.7.5湿度线性补偿和温度补偿364.7.6 温度值输出374.7.7露点计算374.8 参数存储电路设计384.8.1 总线384.8.2参数存储芯片at

13、24c02404.9通信接口及声光报警电路41第五章 系统的软件设计与实现435.1初始化程序435.2 按键处理模块445.3 显示模块455.4 模糊控制模块465.5 温湿度测量模块47第六章 系统抗干扰技术496.1 硬件抗干扰技术496.2 软件抗干扰技术50第七章 系统仿真51总结54参考文献55致谢58第一章 绪论1.1课题背景介绍温湿度的测控在工农业生产、日常生活及科学研究中有着广泛的应用，诸如农业生产中蔬菜大棚内温湿度测控，粮仓中的温湿度测控以及发电厂，电力部门等都需要温湿度测控。由于常用的温湿度传感器的非线性输出，使温湿度的测量方法和手段相对比较复杂，也给电路的调试增加了难

14、度；为此，采用一体化集成温湿度传感器有利于提高测控系统的抗干扰能力和可靠性。1.2 论文研究的目的与意义目的：对基于atmega16单片机的温湿度监控系统进行研究和设计，能够对周围环境的温度和湿度进行实时测量；实现基于atmega16单片机的温湿度监控系统的软、硬件设计。其意义：1、基于atmega16单片机的温湿度监控系统可以为一些对温度、湿度比较敏感的场合提供准确的温度、湿度信息，还可以用于粮库、机房等场所。能够创造一定的社会经济效益。2、通过对温湿度监控系统的设计来学习并掌握有关单片机的知识和传感器通信技术以及数码管的显示原理，达到进一步巩固平时所学的专业知识。3、将所学的理论知识和实践

15、相结合，为以后在此基础上结合相关领域设计产品和改进某些产品性能具有很好的实践意义。1.3 系统设计简介1.3.1 设计要求 1、能对输入的温湿度传感器信号进行检测。 2、能判断检测的信号是否越界，在设计程序过程中，考虑到检测的信号在低于或高于设定温湿度的范围时应做些什么。 3、通过监控主机或 pc来实时查看当前温度和湿度值 ，并可在监控主或 pc 上设置报警参数以便实时监控环境温度和湿度值。 4、温度测量范围：-40123.8， 精度： +0.4； 湿度测量范围：0%rh100%rh， 精度： + 3%rh； 响应时间：t<4s1.3.2 功能简介 本系统的设计是将智能传感器监测和单片机

16、控制相结合，整个系统采用atmega16单片机为核心配置，以温湿度传感器、数码管显示、按键、蜂鸣器报警驱动、计算机监控系统等部件。通过单片机与智能传感器相连，采集并存储智能传感器的测量数据。另一方面通过rs-232总线与监控计算机通信，将采集到的数据传输给监控计算机。监控计算机将单片机传输的数据进行记录、存储、处理，供工作人员浏览、记录和进行相关处理。第二章 系统分析2.1 系统设计原则要求系统具有可靠性高、操作维护方便、性价比性高等优点。1、可靠性高可靠性试单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要设计准则，提高系统可靠性一般从以下几个方面考虑：使用可靠性高的元器件

17、；设计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施；输入输出采用抗干扰措施，进行软硬件滤波，系统自诊断功能。2、操作维护方便在系统软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护的方便，尽量减少对操作人员专业知识的要求，以利于系统的推广。因此，在设计时，要尽可能减少人机交换接口，多采用操作内置或简化的方法，同时系统应该配有现场故障程序诊断程序，一旦故障能有效准确的对故障进行定位，以便进行维修。3、性价比单片机除了体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。一个单片机系统能否被广泛应用，性价比是其中一个关键因数。因此，在设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系

18、统性能和速度的允许的情况下尽可能用软件功能代替硬件功能。2.2 可行性分析随着电子技术和单片机的发展，基于单片机的测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用单片机对温湿度进行测控的技术，得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。本设计主要用到的是atmega16单片机和数字式温湿度传感器sht11。所用到的这些器材价格合理，市场上也容易买到。所以设计出来的系统并不需要大的费用，制造的成本较低，经济上完全在可以承受的范围内，设计满足经济可行性。单片机从诞生至今发展了几十年，已经是一种成熟的技术，它应用在工控、智能器表等很多领域，可以说现在社会上很多地方都能看到单片机应用的身影，有很多参考

19、方面的资料可以学习，所以从技术上来说也完全可行。2.3 系统硬件总体设计以及说明 本温湿度监控系统设计以atmega16单片机作为核心，通过温湿度传感器芯片(sht11)对环境内的温度、湿度参数实时检测，经温湿度传感器芯片内 a/ d 转换器转换成对应的二进制值存储于芯片的ram中，单片机通过发送读取温湿度传感器温度/湿度命令码则温湿度传感器返回对应的参数值，系统实时地测量显示环境的温湿度值，实现温湿度自动控制，使其在较宽的温度范围内具有较高的测试精度，同时还可以根据用户设定报警阈值报警，一旦发现环境温湿度超限，立即报警。系统功能框图如图2-1所示。 图2-1系统功能框图 第三章 模糊控制理论

20、3.1 空气温湿度解耦理论依据设空气初始参数温度为t1，相对湿度为rh1 ，根据空气热力学原理，此时空气中水蒸气饱和分压力与t1相对应，而水蒸气分压力只与空气中的含水量有关，相对湿度可表示为： （3-1）若保持空气中的含水量 d不变，温度变化为t2，空气状态焓湿图上可以看出，空气的相对湿度将变为 rh2，则： （3-2）式中为水蒸气分压力，为温度t2下空气饱和水蒸气分压力。若温度变化 很小，则大气压变化可以忽略，且含水量没有变化，则可认为保持不变，即： （3-3）由上式可得：，从而可知，温度对相对湿度的影响，只有在温度发生变化时才比较明显，其影响大小与温度变化幅度有关。如果温度进入稳定状态（达

21、到设定值），则其对相对湿度的影响就为零。因此，以当前温、湿度为初始值，以设定温度为终态值，则有： （3-4） 式中为当前温度下的饱和水蒸气分压力，单位为：，为设定温度下的饱和水蒸气分压力，单位为：。以 代替 参与控制运算，可实现温度对湿度的解耦，我们称为预估相对湿度值。而空气中含水量的变化对空气温度影响极微，在此可忽略不计，使问题得到简化。3.2模糊控制特点模糊控制理论诞生后，由于它具有明显的优点，主要反映在对复杂的、机理不明的控制系统，它模仿和升华了人的控制经验与策略，因此与经典的控制方法比较更有工程意义。它具有以下特点：1、模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现

22、场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。2、由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而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、基于模糊的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异，但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。4、模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一

23、定的智能水平。5、模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。因此，模糊控制被广泛的应用于工业锅炉、煤炭生产过程、金属冶炼、石油化工等方面，并取得了较为理想的效果。3.3模糊控制的基本原理模糊控制的基本原理可由图3-1表示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线部分所示。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(在此取误差反馈)。一般误差信号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变成模糊量，误差的模糊量可用相应地模糊语言表示。至此，就得到了误差的模糊语

24、言集合的一个子集，再由该子集和模糊控制规则根据推理的合成规则做出控制决策，得到模糊控制量。为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量转换为精确量，这一步在图3-1中称为非模糊化处理(也称为去模糊化或清晰化处理)。得到了精确的数字控制量后，经数模转换，变为精确的模拟量后送给执行机构，对被控对象精确控制，然后，进行下一次信号采样，如此循环，从而实现了被控对象的模糊控制。图3-1 模糊系统原理图3.4模糊控制系统的组成模糊控制系统和常见的负反馈控制系统很相似，唯一不同之处是模糊控制装置是由模糊控制器来实现，模糊控制器通常由下列几个部分组成。如图3-2所示。1、输入、输出量的规范化。输入输出量的规范

25、化是指将规范化的控制器的输入输出限制在规定的范围内，以便于控制器的设计和实现。2、输入量的模糊化。模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于模糊控制器输出的求解，模糊化的主要作用是将输入量规范化后的确定量转换成一个模糊矢量。 3、语言控制规则。模糊控制器的控制规则是基于专家知识或手动操作熟练人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常由一系列的关系词连接而成，如if-then、or、also、and等，关系词必须经过“翻译”，才能将模糊控制规则数值化。图3-2 模糊系统的组成4、模糊逻辑推理。模糊推理是控制器中根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，

26、并获得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中考虑到推理时间，通常采用运算较简单的推理方法。5、输出量的非模糊化(解模糊化)。模糊推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功能己经完成。但是，至此所获得的结果仍是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须作一次转换，求得清晰的控制量出，即为解糊化。3.5本温室温湿度模糊解耦控制算法的实现3.5.1温湿度模糊解耦器设计采用模糊解耦控制实际上就是加进一个合适的补偿器，以消除耦合回路对主回路的影响，使各主回路能分别独立控制，达到解耦控制的目的。在温湿度耦合中，主回路是温度控制回路，副回路是湿度控制回路。由于模糊解耦器有其本身的因素，所以不可能做到而且也没有必

27、要做到使温度回路和湿度回路完全独立，实际上只需将湿度耦合对温度回路产生的影响降到最低程度，使它不至于影响温度主回路的正常调节就可以了。模糊解耦器如图3-3所示。图3-3 温湿度模糊解耦算法原理图图3-3中kl、k2为量化因子，al、a2为解耦补偿系数，et、eh为温度偏差和湿度偏差，分别等于测量值减去设定值，ct、ch今为温度回路补偿量和湿度回路补偿量。 模糊解耦器是个两输入两输出的模糊解耦器。解耦器的输入为温度偏差和湿度偏差。解耦器的输出为对温度回路的补偿和湿度回路的补偿值。在模糊控制算法中，把温度偏差和湿度偏差的实际变化范围叫做输入变量的基本论域，基本论域常用区间表示，通用公式为-x，x。

28、根据实际情况和实践经验，在本课题中，温度偏差的量化范围：最大值5，最小值-5，湿度偏差的量化范围为：最大值20%，最小值-20%。与基本论域对应的是模糊集的论域，通用公式表示为-n，-n+l，.，0，.，n-1，n，可以通过量化因子(常用k表示)将基本论域中的偏差转化到模糊集的论域上。由于n值过大会使控制规则变得复杂，太小会使模糊处理结果粗糙而破坏控制性能，同时根据实际控制情况，将温度偏差分为七档：负大（nb)，负中(nm)，负小(ns)，零(z)，正小(ps)，正中(pm)，正大(pb)。与此对应将偏差分为：-5，-4，-3，-2，-l，0，l，2，3，4，5。同样，将湿度偏差也分为七档：负

29、大(nb)，负中(nm)，负小(ns)，零(z)，正小(ps)，正中(pm)，正大(ps)。与此对应将湿度偏差分为：-5，-4，-3，-2，-l，0，l，2，3，4，5。为了简化计算，在满足系统控制精度的前提下，定义输入采用三角隶属函数；根据温室实际控制经验的总结，其隶属函数曲线如图3-4所示。图3-4 对应et、eh隶属函数由此可确定温度偏差et、湿度偏差eh各语言变量的隶属度赋值如表3-1所示。量化因子k反映了输入变量的基本论域元素值与模糊集的论域元素值之间的比例关系可用公式k=n/x表示，因此此处温度偏差量化因子kl=5/5=1，湿度偏差量化因子k2=5/20=0.25。温度偏差和湿度偏

30、差的量化域如表3-2所示。表3-1 温度偏差et和湿度偏差eh隶属度赋值表et/eh变量-5-4-3-2-1012345nb10.80.20.10000000nm0.10.510.50.1000000ns000.10.810.100000z00001.510.50000ps000000.110.80.100pm0000000.10.510.50.1pb00000000.10.20.81表3-2 温度偏差et和湿度偏差eh量化域表et、eh量化等级et量化域(单位：)eh量化域(单位：%rh)-5-4-3-2-1012345将对温度回路补偿量分为七档：负大(nb)，负中(nm)，负小(ns)，零

31、(z)，正小(ps)，正中(pm)，正大(pb)。湿度回路补偿量也分为七档。与此对应将补偿量分为(补偿系数al、a2都取2)：-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5。定义输出也采用三角隶属函数；参照实际控制经验，其隶属函数曲线如图3-5所示。 图3-5 ct、ch隶属函数温度补偿量ct、湿度补偿量ch各语言变量的隶属度赋值如表3-3所示。表3-3 隶属度赋值ct/ch变量-5-4-3-2-1012345nb10.70.20.10000000nm0.10.410.40.1000000ns000.10.710.100000z00001.510.50000ps000000.110.70

32、.100pm0000000.10.410.40.1pb00000000.10.20.71表3-4 温度补偿ct模糊规则表etehnbnmnszpspmpbnbpspsznsnbnbnbnmpmpspsznmnmnmnspbpmpsznsnmnmzzzpmzpmmpbpsnszzzpspmpbpmnmnszzpspspmpbnbnmnszzpsps在这里对温度回路补偿量、湿度回路补偿量所分七档：负大(nb)，负中(nm)，负小(ns)，零(z)，正小(ps)，正中(pm)，正大(pb)作以说明。正小(ps)，正中(pm)，正大(pb)表示补，就是加大控制量；零(z)表示不补；负大(nb)，负中(

33、nm)，负小(ns)表示减，就是减小控制量。根据实际经验得出解耦温度补偿ct规则表如表3-4所示，解耦湿度ch补偿规则表如表3-5所示。表3-5 湿度补偿ch模糊规则表etehnbnmnszpspmpbnbpbpspsznsnmnbnmpbpspsznsnmnbnspmpszznsnmnbzpmpszznsnmnbpspspszznsnmnbpmpspmzznsnmnmpbpspmzznsnmnb 从表3-4和表3-5中取一条规则来分析，例如：如果et = nb and eh = ns，那么ct = pb and ch = pm；从此条规则可以看出当温度偏差为负大且湿度偏差为负小，那么温度补偿

34、量大补，进行补偿，而湿度补偿量为中补。即当温室温度比设定值小很多为负大，同时温室内湿度有点低为负小，因为温度太低，所以要全力使温度上来，不必考虑有点低的湿度，这时因为温度回路的闭环控制会有一个开大温度的制量，这个控制量的施加会使得温室快速上升。这样以来温度上来了，所以相对湿度会有所下降，相对湿度可能会更低，所以需要对湿度回路控制量进行中补。由上面总结出来的模糊规则，经过模糊推理，然后再清晰化，清晰化后乘以补偿系数，就得到了补偿量。至此温湿度的耦合关系己清晰。从理论上看，模糊解耦器能有效的解除温湿度之间的耦合。3.5.2清晰化处理 由模糊控制规则表求取模糊控制查询表步骤如下(以温度为例) 以第一

35、条模糊控制规则为例，可表示： if et = nb and eh=nb then et=ps第一步，从et的隶属函数赋值表中取“nb”对应的向量，并定义为a。即：同理，从eh的隶属函数赋值表中取“nb”，对应的向量，并定义为b。即：第二步，求，得到一个的矩阵。 第三步，把上述矩阵按行展开，并令其展开以后的行向量为r，即：第四步，从温度补偿量。t的隶属函数赋值表中取出"ps"，对应的向量，并记作c，即：第五步，求得到一个的矩阵。同理，可以求得与另外48条模糊控制语句相应的模糊关系矩阵r2，r3，.，r49，然后求出与模糊规则控制表相对应的模糊关系矩阵： 第六步，根据公式求输出

36、模糊量，首先求，然后和r执行合成运算，这样得到输出模糊量矩阵。表3-6 温度补偿ct模糊决策表ueh-5-4-3-2-1012345et-512223334445-411112223344-300001122233-200000012223-1000000011110000000000001-3-3-2-2-1-1-100002-4-4-3-3-3-3-2-1-1-1-13-4-4-3-3-3-3-2-2-5-2-24-4-4-4-4-4-4-3-3-5-2-25-5-5-5-5-4-4-4-4-3-3-3表3-7 湿度补偿ch模糊决策表ueh-5-4-3-2-1012345et-554443

37、221100-444433221100-344332110000-234331110000-113111000000001000000000100000-1-1-1-2-2-3200-1-1-1-2-3-3-3-4-43-1-1-2-2-2-3-3-3-4-4-44-2-2-2-3-3-3-4-4-5-5-55-2-2-3-3-4-4-4-5-5-5-5第七步，本文在反模糊化设计中采用了常用的最大隶属度法。这个方法是在输出模糊集合中选取隶属度最大的论域元素值作为输出结果，再利用最大隶属度法得到隶属度最大的那个元素作为相应输入的输出。制成如表3-6所示的模糊控制决策表。同理我们可以得到湿度补偿的

38、模糊决策表，如表3-7所示。3.5.3温湿度模糊控制 温湿度的耦合解开后，系统的控制问题进而转换成两个单变量控制的问题，即温度的单回路控制和湿度的单回路控制。在温度的控制策略中主要分成是空调；湿度的控制主要是喷雾系统进行调节。本课题采取以温度控制为主、湿度控制为辅的策略，分别采用模糊控制方法对温度和湿度进行控制。下面以温度的模糊控制算法为例进行介绍；湿度的模糊控制算法的实现过程与之相同，在此不再作介绍。 在本课题中，根据温室环境温度控制的特点，采用两输入输出的模糊控制方法。两输入指温度偏差e和温度偏差变化率ec，输出指不同的温湿度调节机构的运行状况。将温度误差的基本论域定为-5，5，温度误差变

39、化的基本论域定为-1，+l为提高控制精度和响应速度，将温度的控制范围分为模糊控制区和确定控制区，以温度误差范围为界，温度误差在规定范围以内为模糊控制区，以外为确定控制区。在确定控制区内，温湿度调节机构全开或全关，在模糊控制区，将温度偏差、偏差变化率的模糊集合分为7个模糊子集，分别为pb(正大)，pm(正中)，ps(正小)，z(零)，ns(负小)，nm(负中)，nb(负大)。选取语言变量e、ec的论域均为：-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4。为了简化计算，在满足系统控制精度的前提下，输入均采用三角隶属函数。根据实际控制经验，温度偏差e、温度偏差变化率ec形状如图3-6所示。图3-6 对应

40、e、ec隶属函数由此可得温度偏差e、偏差变化率ec的隶属函数赋值表如表3-8所示。表3-8 温度偏差e与偏差变化率ec隶属度赋值表e/ec变量-4-3-2-101234nb10.50000000nm0.10.610.60.10000ns000.510.50000z0000.510.5000ps00000.510.500pm00000.10.610.60.1pb00000000.51 控制量输出采用棒形隶属函数，棒形隶属函数是其它隶属函数幅度为零的特例。本系统控制量的模糊划分采用单点，分为7个模糊子集，分别为pb（正大），pm（正中），ps（正小），z（零），ns（负小），nm（负中），nb（负

41、大）。选取语言变量u的论域为：-3，-2，-1，0，1，2，3。控制量的隶属函数如图3-7所示。图3-7 控制量的隶属函数在本课题中，用与本章前面温湿度解耦中由模糊控制规则表求取模糊控制查询表相同的方法和步骤，可得到温室温度的模糊控制查询表。如表3-9所示。实际控制过程中，可以对该表进行优化，根据查表的结果求出控制量，去控制或驱动执行机构，实现对温室温度的智能控制。表3-9 温度输出控制量u模糊决策表uec-4-3-2-101234e-433331.61.6100-333331.61.6100-22.52.52.52.5110.3-0.5-0.5-12.52.521.50.50.4-0.2-1

42、-101.51.50.80.20-0.2-0.8-1.5-1.51110.2-0.4-0.5-1.5-2-2.5-2.520.50.5-0.3-1-4-2.5-2.5-2.5-2.530-1-1.6-1.6-3-3-3-30400-1-1.6-1.6-3-3-3-3 第四章 系统的设计与实现4.1系统硬件方案 系统硬件组成框图如图4-1所示，主要有温湿度采集、数码管显示、键盘、步进电机驱动控制、排湿风扇调速驱动控制、循环风机驱动控制、参数存储、声光报警、电源等几个部分组成。 图4-1 系统硬件组成框图4.2单片机芯片的选用本系统采用atmel公司的atmega16单片机，它有如下特点：16k字

43、节的系统内可编程flash(具有同时读写的能力，即rww)，512字节eeprom，1k字节sram，32个通用i/o口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的jtag 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(t/c)，片内/外中断，可编程串行usart，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益 (tqfp封装)的adc ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个spi串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时cpu停止工作，而usart、两线接口、a/d 转换器、 sram、t/c、spi 端口以及中断系统继续工

44、作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；adc噪声抑制模式时终止cpu和除了异步定时器与adc以外所有i/o模块的工作，以降低adc转换时的开关噪声；standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。图4-2 引脚配置4.3电源转换电路的设计电源是系统的重要组成部分，电源模块提供开发板的工作电源，同时通过扩展口为扩展系统提供电源。atmega16

45、的工作电压为4.55.5v，这里采用av220直接输入经ac220vac9v15w变压器调压至ac9v，再经二极管全波整流桥、滤波、稳压(7805)得到dc5v电压，其电路如图4-3所示。同时在系统板上单片机、晶振、关键芯片位置处布置104的电容隔离5v和地，起到去耦作用，有效去除振荡信号的干扰。图4-3 电源转换电路图4.4键盘控制电路设计为了达到实时响应，使用户随时调节系统参数，键盘采用中断扩展方式，这样既节省中断资源，又实现了多外部中断响应的效果。同时，这种方式也可节省不少cpu时间，在没有按键触发的时候，cpu只处理与按键无关的事件，当有按键按下，cpu就会及时响应外部中断，进入中断服

46、务程序对按键事件进行处理，处理完毕立即返回主函数，相对于查询方式的按键设计具有更高的实时性和可靠性。其电路原理图如图4-4所示。其中，74hc260是或非门，没有键按下的时候，74hc260的in输入端为低电平，经或非以后输出端为高电平，cpu不响应中断；一旦有键按下74hc260输入端为高电平，经或非输出端为低电平，这时cpu响应外部中断，按键事件发生按照系统的方案要求，设置了基于外部中断0的五个按键，s1s5分别代表设置键、增加键、减少键、查询键、设定键。图4-4 键盘电路原理图4.5显示电路设计max7219是美国maxim(美信)公司推出的多位led显示驱动器，采用3线串行接口传送数据

47、，可直接与单片机接口，用户能方便修改其内部参数，以实现多位led显示。它内含硬件动态扫描显示控制，每枚芯片可驱动8个led数码管。显然，它可直接驱动64段led条形图显示器。当多片max7219级联时，可控制更多的led。显示的数据通过单片机数据处理后，送给max7219显示。当然，也完全可以将max7219的一部分用于条形图显示，一部分用于其他显示(如数字和字母等)。图4-5 显示电路的连接4.6步进电机驱动控制电路设计步进电机驱动控制电路结构如图4-6所示。其中单片机是为脉冲分配器提供脉冲信号的和控制信号的；脉冲分配器将单片机送过来的脉冲按照预先设定好的逻辑时序进行分配(比如四相八拍的步进

48、方式)；脉冲放大器是为了将从脉冲分配器输出的电压较低的信号放大强化并送入光电耦合器，将单片机的电源和步进电机的电源隔离开，脉冲再次经过功率放大最后送入到步进电机绕组，步进电机开始运行。图4-6 步进电机驱动控制电路结构4.6.1步进电机控制原理步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。近30年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动了步进电动机的发展，为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。步进电机可分为反应式步进电机(简称vr)、永磁式步进电机(简称pm)和混合式步进电机(简称hb)。步进电机区别于其他控制电机

49、的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电动机有如下特点： 1、步进电动机的角位移与输入脉冲数成正比，因此，当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随型。 2、由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价、又非常可靠。 3、步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。 4、速度可在相当宽的范围内平滑调节，在低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。 5、步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。 6、步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系

50、统和机械负载采取相应的措施。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下： （1）控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：四相步进电机有三种工作方式： 1）单四拍：其各相通电顺序为a-b-c-d；2）双四拍：其各相通电顺序为ab-bc-cd-da；3）四相八拍：其各相通电顺序为a-ab-b-bc-c-cd-d-da，或者ab-abc-bc-bcd-cd-cda-oa-dab。它的时序控制如图4-7所示。图4-7 电机时序控制如图八拍方式与其它两种方式相比，相电流最大，高频性能较好，转矩大，电磁阻尼较大，不易振荡，功耗中等。而矩角特性是步进电机运行时一个

51、很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。因此在很多情况下，四相步进电机采用四相八拍工作方式。（2）控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。（3）控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。驱动脉冲的分配可以使用硬件方法，即用脉冲分配器实现。现在，脉冲分配器己经标准化、芯片化，市场上可以买到。但硬件方法结构复杂，成本也较高。 步进电机控制(包括控制脉冲的产生和分配)也可以使用软件方法，即用单片机实现，这样既简化了电路，也降低了成本。使用单片机以软件方式驱动步进电机，不但可以通过编程方法，在一定范围内自由设定步进电机的转速、往返转动的角度以及转动次数等，而且还可以方便灵活地控制步进电机的运行状态，以满足不同用户的要求。因此，常把单片机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。这种方式电路简