模糊控制的水温自动调节器的设计方案与开发.docx
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模糊控制的水温自动调节器的设计方案与开发
基于模糊控制的水温自动调节器的设计与开发
摘要
随着现代工业过程的不断复杂化，实际生产过程中的非线性、不确定性和复杂性的增加，传统的PID控制器已经不能满足我们的实际要求，因此我们力图将近些年发展起来的一些先进的智能控制方法，应用到PID控制领域当中。
近年来，模糊控制已成为智能自动控制研究中最为活跃而又富有成果的领域。
其中模糊PID控制技术扮演了十分重要的角色，并且仍将成为未来研究与应用的重点技术之一。
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
以嵌入式微处理器AT89C2051为模糊控制器，结合温度传感器、多谐振荡电路、LED显示器、输出电路等组成一个基于模糊控制的温度控制系统。
温度传感器及有关电路将温度转化为电脉冲的脉宽，单片机将测得的脉冲宽度的值转化为与之对应的温度值。
与设定的温度相比较后，以温度偏差及其变化量为输入、加热量为输出，通过模糊控制算法，就可达到水温自动调节的目的。
对任意温度对应的脉宽还可进行自动测量，并加以显示。
关键词：
AT89C2051单片机模糊控制温度电热水器、
1.引言
自动控制理论有将近一个世纪的发展史，经历了经典控制理论和现代控制理论两个阶段后，正促使人们致力于70年代末开始的智能控制理论研究。
它是在人工智能学科基础上，对控制理论研究在深度和广度上的开拓；也是当前被控对象的高度复杂化、控制性能要求的高指标化和计算机技术发展市速化所必然的趋向。
人工智能包括推理、学习和联想三大要素，它是采用非数学式子方法，把人们的思维过程模型化，并用计算机来模仿人的智能的学科。
许多科学家认为下一世纪生产力的飞跃寄托于人工智能技术，并认为人工智能的发展必将带来一次新的史无前例的技术革命，第五代计算机的研究充分体现了人类左脑的逻辑推理功能，而人工智能研究的下一步是模仿人类右脑的模糊处理功能。
人工智能将在逻辑推理计算机、模糊计算机和神经网络计算机这三者的基础上，由两个方面来实现，即：
一是利用现有的计算机技术模拟人类的智能；二是利用一种全新的技术来实现信息处理的模糊化和网络化。
前者是实现人工智能必需的先决条件；后者是实现人工智能的根本途径。
“模糊”是人类感知万物、获取知识、思维推理、决策实施的重要特征。
“模糊”经“清晰”所拥有的信息容量更大，内涵更丰富，更符合客观世界。
“模糊控制理论”是由美国学者加利福尼亚大学著名教授L.A.Zadeh于1965年首先提出，至今仅有20余年时间。
它以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的计算机技术，由模糊推理进行判决的一种高级控制策略。
它无疑是属于智能控制范畴，而且发展至今已成为人工智能领域中的一个重要分支。
其理论发展之迅速，应用领域之广泛，控制效益之显著，实为世人醒目关注。
特别是近一二年内，模糊控制与其他控制策略构成的集成控制，以及与神经网络相结合的模糊神经网络等得到迅速发展，更使诸多学者确信，它是一种全新的技术和高科技的发展方向。
“模糊控制”是近代控制理论中一种基于语言规则与模糊推理的高级控制策略和新颖技术。
它是智能控制的一个重要分支，发展迅速，应用广泛，实效显著，引人关注。
模糊控制比传统的PID等控制方法，在强时变、大时滞、非线性系统中的控制效果有着明显的优势。
将模糊控制技术应用于家电产品在国外已是很普遍的现象。
单片机是家用电器常用的控制器件，把二者结合起来，可是控制器的性能指标达到最优的目的。
基于模糊控制技术的单片机控制的电热水器，是对传统的电热水器开关控制的改造，具有达到设定温度时间短、稳态温度波动小、反应灵敏、抗干扰能力强、节省电能等优点。
2.系统分析<功能、性能、要求、特点）
（一>嵌入式系统概述
随着计算机技术的发展，一种不为人们所熟悉但却被广泛应用的计算机系统逐渐发展壮大，那就是嵌入式系统。
对于嵌入式系统，至今没有确切的定义，多指置于电子设备内部，完成某种特定功能的计算机系统，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点。
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。
硬件包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。
软件部分包括操作系统软件有时设计人员把这两种软件组合在一起。
应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。
嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。
嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点：
1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。
2）具有功能很强的存储区保护功能。
这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。
3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足最高性能的嵌入式微处理器。
嵌入式软件可测试性研究
4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级。
（二>嵌入式系统特点
Ⅰ、嵌入式计算机系统特点：
1）嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。
2）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。
3）嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。
4）嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。
5）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。
6）嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。
Ⅱ、嵌入式软件的特点：
1）开发调试困难，需要使用交叉开发环境。
一般嵌入式软件的开发平台和运行平台是不同的，开发完成后需要倒入运行平台，使用交叉开发环境进行调试，这就增大了开发和调试的难度。
2）满足实时性要求。
一般的嵌入式软件是连续运行的，对外部事件的触发给予实时响应，满足时限要求。
3）具有处理异步并发事件的能力。
嵌入式系统多为事件驱动的，所处理的事件多是随机的、并发的事件，一般提供多任务处理机制来处理复杂的环境。
4）具有快速启动、自动复位等功能。
由于嵌入式系统的实时性要求较高，所以系统多具有快速启动的功能，在出现故障时一般具有容错能力和自动修复能力。
3．总体设计
电热水器水温自动调节器以AT89C2051单片机为核心，有多谐振荡电路、温度设定电路、单片机。
设定温度显示电路、控制信号隔离输出电路等几部分组成，结构框图如图1显示：
①多谐振荡电路。
由G1、G2、G3、G4、Rt、Rs、C组成。
具体电路如图2。
其中Rt是具有负温度系数的热敏电阻<0～100℃时，阻值在3～1kΩ之间变化），是本电路中的温度传感器，用环氧树胶涂于其外表后置于热水中。
Rs是限流电阻，限值很小，只有100Ω。
G1、G2、G3、G4四个非门采用TTL门74LS04电路，振荡周期T≈2.2RtC，脉宽为1.1RtC。
可见，脉宽与Rt有一一对应关系，因此，温度与脉宽也就有一一对应关系。
②AT89C2051单片机。
是本控制器核心器件，模糊控制就是靠它控制软件来实现。
③温度设定电路。
通过按键产生脉冲从INT1输入单片机来调节水温。
④设定温度显示电路。
单片机将设定的温度值通过动态扫描的方法输出，数码管上可直接显示设定温度。
在自动测定各温度对应的T0的计数值时，还可用来显示TL0的值。
⑤控制信号隔离输出电路。
通过光耦将加热强电电路与单片机隔离，防止其干扰单片机的工作。
单片机的输出控制信号控制两电热丝的断通，从而调节水温。
图1硬件原理框图
3.1多谐振荡电路
图2多谐振荡器电路图
3..2工作原理
INT1先用于各温度值对应的脉宽计数器值的测量显示。
中断1的中断服务程序先固化自动测量、显示的中断服务程序如图3所示。
主程序不变，主程序如图4所示。
从INT1输入的设定温度用的脉冲将引起中断，中断服务程序可对与一定水温对应的电脉冲宽度的计数值然后，INT1再用于温度的设定，将中断1的服务程序换为预温温度的程序，如图5所示。
让定时器T1定时中断，配合软件计数器，每隔5s测量1次温度的当前值。
将测得的脉宽转化为温度值是这样实现的：
先让脉冲从INT0进入单片机，T0在INT0为高电平时开始定时，变为低电平时停止，于是在TL0中得到脉宽对应的定时计数值，查找与“温度表”中与计数值一一对应关系的温度。
将用的脉冲将引起中断，中断服务程序可对与一定水温对应的电脉冲宽度计数值然后，INT1再用于温度的设定，将中断1的服务程序换为预置温度的程序，如图5所示。
让定时器T1定时断，配合软件计数器，第隔5s测量1次温度的当前值。
将测得的脉宽转化为温度值是这样实现的：
先让脉冲从INT0进入单片，T0在INT0为高电平时开始定时，变为低电平时停止，于是在TL0中得到脉宽对应的定时计数值，查找与“温度表”中与计数值一一对的温度。
将温度的测量值及前次测得的值分别存于一个存储单元，通过模糊控制程序以决定两电热丝的断情况。
3.3AT89C2051单片机介绍
AT89C系列单片机是Atmel公司1993年开始研制生产的，优越的性能价格比使其成为颇受欢迎的8位单片机。
AT89C2051提供以下标准功能：
2k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15个I／O口线，两个16位定时／计数器，—个5向量两级断结构，一个全双工串行通信口，内置—个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C2051可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
AT89C系列与MCS-51系列单片机相比有两大优势：
第一，片内程序存储器采用闪速存储器，使程序的写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片AT89C系列单片机有4种型号：
AT89C51、AT89C52、AT89C1051、AT89C2051，其中AT89C2051/1051以较小的体积、良好的性能价格比倍受青睐，在家电产品、工业控制、计算机产品、医疗器械、汽车工业、智能仪器等应用方面成为用户降低成本的首选器件。
下面以AT89C2051为代表对AT89C系列单片机做简要阐述。
AT89C2051是Atmel公司生产的带2KB闪速可编程可擦除只读存储器（1）与MCS-51兼容；
（2）内部带2KB可编程闪速存储器；
（3）寿命为1000次擦/写循环；
（4）数据保留时间为10年；
（5）工作电压范围为2.7V~6V；
（6）全静态工作频率为0Hz~24Hz；
（7）两级程序存储器锁定；
（8）128×8为内部RAM；
（9）15条可编程I/O线；
（10）2个16位定时器/计数器；
（11）5个两级中断源
（12）可编程全双工串行UART通道；
（13）直接对LED驱动输出；
（14）片内精确的模拟比较器；
（15）片内振荡器和时钟电路；
（16）低功耗的休眠和掉电模式。
AT89C2051单片机的内部结构如图：
3.4单片机显示电路
利用74LS164扩展16位输出线的电路。
图中的16输出装置是两位共阳极七段LED显示器，采用静态显示方式。
静态显示的优点是软件设计简单，显示时没有像动态显示方式时有闪烁出现。
串行口的数据通过RXD引脚加到74LS164的输入端，串行口的输出移位时钟通过TXD引脚加到74LS164的时钟端。
使用另一条I/O线P1.0控制74LS164的CLR复位信号端。
电路中74LS164是8位的串入/并出移位寄存器，
串行数据由RXD送出，移位时钟由TXD送出。
在移位时钟作用下，存放显示器段码的串行发送缓冲器数据逐位由A，B端移入74LS164中，再由Q0~Q7并行输出至显示数码管相应的LED上。
程序如下：
4.模糊控制的原理及PID算法
4.1模糊控制原理
模糊控制工程的发展大致要经历如下四个阶段；
1．模糊控制盛行阶段在这一阶段，把人类具有的比较单纯的宏知识移植到被控对象上来，这将比现有的自动化机械具有更好的功能。
目前，模糊控制就处于这样的兴盛阶段。
2．模糊专家系统阶段把更复杂的宏知识带给计算机，实现智能机器人或模糊控制专家系统，在这里不是无判别地把什么样的熟练操作者的知识都收集起来，而是要用它来分析问题，提高宏系统的结构，也就是用“模糊”来表示宏系统工程。
日本“国际模糊工程研究所”如他们所研究的外汇兑换交易支持系统、图像识别、自然语言解释系统、自治式机器人等，而且将在设备管理、医疗诊断、经营支持、安全评价等系统上普及。
3．实现人与计算机间的自然语言通信阶段它不同于前两个阶段的非常单纯的通信。
它差具有对意图进行推理和状态判断的能力；和由计算机承担针对相应场合变更时的询问及解答能力。
虽然要构成这样的通用系统似乎没有可能，但是缩小到某种程度的用途还是可能的。
例如特定用途的智能机器人或针对某一问题的对话型决策系统等。
这些系统，也许在近几年内可以实现。
4．模糊人工智能系统阶段它是把人——人工智能——神经网络这三者联系起来，实现综合信息处理的系统。
也就是对原来型式的人工智能只作纯粹的逻辑处理；简单的学习机能由神经元承担；而创造性的思维和感知问题，以及综合判断、综合评价问题只能由人来实现。
“模糊人工智能”介于它们之间，最大限度地发挥人的智慧和能力。
这样的系统就有可能成为外语翻译、论文摘录、辅助设计、经营支持等需要独创的高度的脑力行为支持系统。
这就是“模糊控制工程”，也就是未来“人类友好系统”的成功关键。
模糊控制该方法首先将操作人员或专家经验编成模糊规则，然后将来自传感器的实时信号模糊化，将模糊化后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，将推理后得到的输出量加到执行器上。
模糊控制的基本组成框图如图六所示。
它的核心部分为模糊控制器，如图中点画线框中部分所示，模糊控制器的控制律由计算机的程序实现。
实现一步模糊控制算法的过程描述如下：
微机经中断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，一般选误差信号E作为模糊控制器的一个输入量。
把误差信号E的精确量进行模糊化变成模糊量。
误差E的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到误差E的模糊语言集合的一个子集eu=e。
R
4.2模糊控制PID算法
在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式。
而这类控制器都是以系统误差E和误差变化EC为输入语句变量，因此它具有类似于常规PID控制器的作用，由线性控制理论可知，采用该类模糊控制器的系统有可能获得良好的动态特性，但无法消除静态误差，所以引入模糊控制PID算法。
模糊控制器的输入为测得温度与设定温度的偏差Et0为设定的温度，t为测得的水温。
）以及偏差的变化量△E<△E=t本-t前，其中t前为前次测得的温度,t本为本次测得的温度），输出为电热丝加热量U。
将E分为四个模糊子集B<大）、M<中）、S（小>、N<负），对应温度的偏差为：
t0-t>TM1℃、TM2℃＜t0-t＜TM1℃、0℃＜t0-t＜TM2℃、t0-t＜0℃（TM1>TM2>0>。
△E分为3个模糊子集P<正）、Z<零）、N<负），对应的偏差变化量为：
t本-t前>A0、-A0＜t本-t前＜AO、t本-t前＜-A0电热丝加热量分为四个模糊子集B<大）、M<中）、S<小）、Z<零），对应于二极电热丝的四种状态的组合：
电热丝1电热丝2都加热、电热丝1加热、电热丝2加热、电热丝1电热丝2都不加热<电热丝1的功率大于电热丝2的功率）。
模糊控制规则如表1
表1
P
Z
N
B
B
B
B
M
M
M
S
S
S
S
Z
N
Z
Z
Z
表2
△E
1
0
-1
6
7
6
5
3
4
3
2
1
2
1
0
-1
0
-1
-2
5.系统软件设计
5.1系统软件流程图
图3自动测量、显示的中断服务程序
图4主程序图5调整设定温度的程序
5.2系统软件程序
初始化程序如下：
MAIN：
MOVTMOD，#1AH；T1工作于方式1，定时100ms；<配合软件计数器定时5s）；T0工作于方式2，使用门控位，定时
MOVTM0，#20；TM0为设定温度存储单元，设定初始温度为20℃
MOVTH0，#0
MOVTL0，#0
MOVTH1，#3CH；T1置产生100ms定时的初值MOVTL1，#0B0H
MOVTMER，#50；TMER为软件计数器单元；50×100ms=5s
SETBTR1；启动定时器T1
SETBEA；开CPU中断
SETBEX1；开外部中断1
SETBIT1；设定为边沿触发。
SETBPX1；设定温度的中断优先级为高级中断。
SETBET1；开T1中断
SETBP3.7；不加热
SETBP1.7
DISP：
SETBRS0；保护现场
PUSHACC
PUSHDPH
PUSHDPL
MOVR2，03H
MOVR0
MOVA，@R0
MOVDPTR，#TAB
MOVCA，@A+DPTR
MOVSBUF，A
DL1：
JNBTI，DL1
CLRTI
DECR0
DJNZR2，DL0
CLRRS0
POPDPL
POPDPH
POPACC
RET
TAB：
DBC0H，F9H，A4H，B0H，99H
DB92H，82H，F8H，80H，90H
图6模糊控制框图
6．模糊控制程序
由单片机对温度进行测量,将本次测量的温度与设定的温度相减得到温度偏差E，并存储到存储单元TMS；将本次测得的温度减前次测得的温度,得到温度偏差的变化量△E并存储到存储单元TMCB；根据温度偏差与偏差的变化量由模糊控制表决定电热丝的断闭，如果将E的四个模糊子集B、M、S、N分别用数字-1、1、3、6表示，△E的三个模糊子集N、Z、P分别用数字-1、0、1表示，可根据表1得到表2中的E+△E。
将表2与表1对照可看出：
当E+△E≤0时，加热量为Z；当1≤E+△E＜3时，加热量为S；当3≤E+△E＜5时，加热量为M；当E+△E≥5时，加热量为B。
故可编制所求的模糊控制程序。
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