基于MCU的水溫智控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董雷剛　蔡朝暉　崔曉微　馬英瑞　李梓　董驍

摘要：以STC89C52單片機(jī)為核心，采用模糊控制算法設(shè)計(jì)了一種溫度控制系統(tǒng)，包括模塊控制的主要構(gòu)成、系統(tǒng)參數(shù)及，硬件模塊和相應(yīng)的軟件模塊，該溫控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的有效控制。

關(guān)鍵詞：MCU;模糊控制;溫控系統(tǒng)

模糊控制作為以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，其主要特點(diǎn)是能表示出常識(shí)及規(guī)則，且可以用語(yǔ)言來(lái)表述上述內(nèi)容。如“溫度上升過(guò)快，則稍微降低升溫速度”就是一種基于經(jīng)驗(yàn)表達(dá)的語(yǔ)言。模糊控制實(shí)質(zhì)上是用計(jì)算機(jī)去執(zhí)行操作人員的控制策略，因而可以避開(kāi)較復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論，從而具有比較理想的控制狀態(tài)。文章將MCU與模塊控制理論相聯(lián)系，設(shè)計(jì)一種模糊溫控系統(tǒng)。

1模糊控制器設(shè)計(jì)

1.1基本結(jié)構(gòu)

作為模糊控制系統(tǒng)的核心，模糊控制器的選擇至關(guān)重要。為了對(duì)溫度實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且精確的控制，我們采用二維模糊控制器，通過(guò)計(jì)算設(shè)定溫度與當(dāng)前溫度的差值e，以及溫度誤差變化量ec，并對(duì)這兩類數(shù)據(jù)實(shí)施模糊化計(jì)算，從而獲得其隸屬度，并推導(dǎo)出模糊推理的輸入EC和E。然后，制定基于以往操作的控制量表格，并以IF-THEN的格式在規(guī)則庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)，從而在實(shí)施控制過(guò)程中對(duì)模糊推理進(jìn)行查詢。然后對(duì)于輸出量采用模糊判決處理，獲得對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)信息，再通過(guò)去模糊化的方式對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而獲得精確值用于實(shí)際控制過(guò)程，使受控溫度得到有效調(diào)節(jié)。

1.2確定輸入/出變量

模糊控制器采用雙input和單output模式。Input包括：變化前的水溫、自定義的偏差和溫度變化率;output：加熱時(shí)間的提前量。

溫控系統(tǒng)的控制器Input的語(yǔ)句值設(shè)定為5個(gè)，分別為NB（負(fù)大）、NS（負(fù)小），Z（零）、PS（正小），PB（正大）。相應(yīng)的論域?yàn)椋簻囟日`差E={-2，-1，0，1，2}，溫度誤差變化率EC={-2，-1，0，1，2}。輸出控制量U的語(yǔ)言值也設(shè)定為5個(gè)，論域?yàn)閁={-2，-1，0，1，2}。

1.3確定控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則一般采用表格的方式進(jìn)行描述，其實(shí)就是通過(guò)對(duì)控制過(guò)程進(jìn)行推理總結(jié)，從而產(chǎn)生模糊條件語(yǔ)句。通常情況下，對(duì)于雙input單output類型的控制系統(tǒng)，會(huì)使用“if A and B then C”語(yǔ)句來(lái)表示。例如，當(dāng)溫度誤差為正的前提下，當(dāng)誤差為正大且誤差變化為負(fù)時(shí)，則表示誤差在逐步減小，故要設(shè)置較小的控制量。如果誤差變化為正大，就不能增大控制量，以免會(huì)導(dǎo)致正誤差，故應(yīng)該設(shè)置控制量變化為負(fù)大。當(dāng)誤差為正小時(shí)，整個(gè)控制系統(tǒng)比較平穩(wěn)。當(dāng)誤差變化為正，則要設(shè)置控制量變化為負(fù)大，從而調(diào)整誤差方向;當(dāng)誤差變化為負(fù)時(shí)，這只控制量變化為正小。總之，控制量的選取要以趨向平穩(wěn)為主，目的是讓控制系統(tǒng)更穩(wěn)定。

1.4模糊判決及清晰化

根據(jù)表1的控制規(guī)則，按下面兩個(gè)式子進(jìn)行模糊推理：

uRk（ U）=min{uEi（E），uEcj（Ec），uUk（ U）}

uRk（ U）=max{uRk（ U）}

采用下面的公式進(jìn)行加權(quán)平均判決計(jì)算，對(duì)每個(gè)模糊子集R進(jìn)行清晰化，得出對(duì)應(yīng)于每組E、EC的U，并對(duì)計(jì)算值進(jìn)行優(yōu)化。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

溫控系統(tǒng)基于STC89C52處理器芯片，采用模糊控制方法實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)整。主要硬件是電阻爐，加熱功率1000W，電壓0～220V（AC），溫度范圍為常溫～100oC，控制精細(xì)度為±2oC。

整個(gè)系統(tǒng)分為五個(gè)模塊：MCU模塊、顯示模塊、溫度檢測(cè)通道、按鍵模塊、輸出控制通道。通過(guò)安靜模塊設(shè)定要控制的溫度，數(shù)值會(huì)在LCD上顯示出來(lái)，然后溫度傳感器也將測(cè)得的溫度顯示在LCD上。接下來(lái)，對(duì)于當(dāng)前溫度和預(yù)定溫度的差值，采用模塊控制理論，通過(guò)PWM信號(hào)控制繼電器的通電時(shí)間，從而控制加熱器的平均加熱功率，最終達(dá)到控制水溫的效果。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序采用的是中斷方式，主程序首先進(jìn)行單片機(jī)最小系統(tǒng)和各外部設(shè)備的初始化，然后根據(jù)功能鍵SET判斷接下來(lái)的工作方式，當(dāng)定時(shí)器完成計(jì)數(shù)時(shí)產(chǎn)生中斷。在中斷服務(wù)程序中，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的讀取和顯示，并根據(jù)讀取的溫度值進(jìn)行模糊運(yùn)算，從而得到控制結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。

4總結(jié)

本文介紹了一種采用模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制水溫的系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單片機(jī)為核心，通過(guò)傳感器得到水的溫度，并運(yùn)用模糊控制方法將輸出控制結(jié)果作用于加熱裝置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的模糊控制。該方法以提高控制的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和精確度，并且實(shí)現(xiàn)了操作過(guò)程的簡(jiǎn)化。

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基金項(xiàng)目：黑龍江自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LH2019F039）。