基于模糊控制的水溫自動調(diào)節(jié)器的設計與開發(fā)(改)

1、基于模糊控制的水溫自動調(diào)節(jié)器的設計與開發(fā)姓 名： 馮國梁 班 級： 07電信4 學 號： 200730580406 日期： 2010.12.10 華南農(nóng)業(yè)大學工程學院17摘 要隨著現(xiàn)代工業(yè)過程的不斷復雜化，實際生產(chǎn)過程中的非線性、不確定性和復雜性的增加，傳統(tǒng)的PID控制器已經(jīng)不能滿足我們的實際要求，因此我們力圖將近些年發(fā)展起來的一些先進的智能控制方法，應用到PID控制領域當中。近年來，模糊控制已成為智能自動控制研究中最為活躍而又富有成果的領域。其中模糊PID控制技術扮演了十分重要的角色，并且仍將成為未來研究與應用的重點技術之一。嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適

2、用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序等四個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。以嵌入式微處理器AT89C2051為模糊控制器，結(jié)合溫度傳感器、多諧振蕩電路、LED顯示器、輸出電路等組成一個基于模糊控制的溫度控制系統(tǒng)。溫度傳感器及有關電路將溫度轉(zhuǎn)化為電脈沖的脈寬，單片機將測得的脈沖寬度的值轉(zhuǎn)化為與之對應的溫度值。與設定的溫度相比較后，以溫度偏差及其變化量為輸入、加熱量為輸出，通過模糊控制算法，就可達到水溫自動調(diào)節(jié)的目的。對任意溫度對應的脈寬還可進行自動測量，并加以顯示。關鍵

3、詞：AT89C2051 單片機 模糊控制 溫度 電熱水器1.引言自動控制理論有將近一個世紀的發(fā)展史，經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩個階段后，正促使人們致力于70年代末開始的智能控制理論研究。它是在人工智能學科基礎上，對控制理論研究在深度和廣度上的開拓；也是當前被控對象的高度復雜化、控制性能要求的高指標化和計算機技術發(fā)展市速化所必然的趨向。人工智能包括推理、學習和聯(lián)想三大要素，它是采用非數(shù)學式子方法，把人們的思維過程模型化，并用計算機來模仿人的智能的學科。許多科學家認為下一世紀生產(chǎn)力的飛躍寄托于人工智能技術，并認為人工智能的發(fā)展必將帶來一次新的史無前例的技術革命，第五代計算機的研究充分體現(xiàn)了

4、人類左腦的邏輯推理功能，而人工智能研究的下一步是模仿人類右腦的模糊處理功能。人工智能將在邏輯推理計算機、模糊計算機和神經(jīng)網(wǎng)絡計算機這三者的基礎上，由兩個方面來實現(xiàn)，即：一是利用現(xiàn)有的計算機技術模擬人類的智能；二是利用一種全新的技術來實現(xiàn)信息處理的模糊化和網(wǎng)絡化。前者是實現(xiàn)人工智能必需的先決條件；后者是實現(xiàn)人工智能的根本途徑?！澳：笔侨祟惛兄f物、獲取知識、思維推理、決策實施的重要特征?！澳：苯?jīng)“清晰”所擁有的信息容量更大，內(nèi)涵更豐富，更符合客觀世界?！澳：刂评碚摗笔怯擅绹鴮W者加利福尼亞大學著名教授L.A.Zadeh于1965年首先提出，至今僅有20余年時間。它以模糊數(shù)學為基礎，用語言規(guī)則

5、表示方法和先進的計算機技術，由模糊推理進行判決的一種高級控制策略。它無疑是屬于智能控制范疇，而且發(fā)展至今已成為人工智能領域中的一個重要分支。其理論發(fā)展之迅速，應用領域之廣泛，控制效益之顯著，實為世人醒目關注。特別是近一二年內(nèi)，模糊控制與其他控制策略構成的集成控制，以及與神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡等得到迅速發(fā)展，更使諸多學者確信，它是一種全新的技術和高科技的發(fā)展方向?！澳：刂啤笔墙刂评碚撝幸环N基于語言規(guī)則與模糊推理的高級控制策略和新穎技術。它是智能控制的一個重要分支，發(fā)展迅速，應用廣泛，實效顯著，引人關注。模糊控制比傳統(tǒng)的PID等控制方法，在強時變、大時滯、非線性系統(tǒng)中的控制效果有著明顯

6、的優(yōu)勢。將模糊控制技術應用于家電產(chǎn)品在國外已是很普遍的現(xiàn)象。單片機是家用電器常用的控制器件，把二者結(jié)合起來，可是控制器的性能指標達到最優(yōu)的目的?；谀：刂萍夹g的單片機控制的電熱水器，是對傳統(tǒng)的電熱水器開關控制的改造，具有達到設定溫度時間短、穩(wěn)態(tài)溫度波動小、反應靈敏、抗干擾能力強、節(jié)省電能等優(yōu)點。2. 系統(tǒng)分析（ 功能、性能、要求、特點）(一)嵌入式系統(tǒng)概述隨著計算機技術的發(fā)展，一種不為人們所熟悉但卻被廣泛應用的計算機系統(tǒng)逐漸發(fā)展壯大，那就是嵌入式系統(tǒng)。對于嵌入式系統(tǒng)，至今沒有確切的定義，多指置于電子設備內(nèi)部，完成某種特定功能的計算機系統(tǒng)，具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點。嵌入式系

7、統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序等四個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器/微處理器、存儲器及外設器件和I/O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件（OS）（要求實時和多任務操作）和應用程序。有時設計人員把這兩種軟件組合在一起。應用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應用程序編程與硬件的交互作用。嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌

8、入式微處理器一般就具備以下4個特點：1）對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核心的執(zhí)行時間減少到最低限度。2）具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷。3）可擴展的處理器結(jié)構，以能最迅速地開發(fā)出滿足最高性能的嵌入式微處理器。嵌入式軟件可測試性研究4）嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至W級。(二)嵌入式系統(tǒng)特點、嵌入式計算機系統(tǒng)

9、特點：1）嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應用的嵌入式CPU與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設計的系統(tǒng)中，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設計趨于小型化，移動能力大大增強，跟網(wǎng)絡的耦合也越來越緊密。2）嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術與各個行業(yè)的具體應用相結(jié)合后的產(chǎn)物。3）嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能。4）嵌入式系統(tǒng)和具體應用有機地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，具有較長的生命周期。5）為了提高執(zhí)行速

10、度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。6）嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。、嵌入式軟件的特點：1）開發(fā)調(diào)試困難，需要使用交叉開發(fā)環(huán)境。一般嵌入式軟件的開發(fā)平臺和運行平臺是不同的，開發(fā)完成后需要倒入運行平臺，使用交叉開發(fā)環(huán)境進行調(diào)試，這就增大了開發(fā)和調(diào)試的難度。2）滿足實時性要求。一般的嵌入式軟件是連續(xù)運行的，對外部事件的觸發(fā)給予實時響應，滿足時限要求。3）具有處理異步并發(fā)事件的能力。嵌入式系統(tǒng)多為事件驅(qū)動的，所處理的事件多是隨機的、并發(fā)

11、的事件，一般提供多任務處理機制來處理復雜的環(huán)境。4）具有快速啟動、自動復位等功能。由于嵌入式系統(tǒng)的實時性要求較高，所以系統(tǒng)多具有快速啟動的功能，在出現(xiàn)故障時一般具有容錯能力和自動修復能力。3總體設計電熱水器水溫自動調(diào)節(jié)器以AT89C2051單片機為核心，有多諧振蕩電路、溫度設定電路、單片機。設定溫度顯示電路、控制信號隔離輸出電路等幾部分組成，結(jié)構框圖如圖1顯示： 多諧振蕩電路。由G1、G2、G3、G4、Rt、Rs、C組成。具體電路如圖2。其中Rt是具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻（0100時，阻值在31k之間變化），是本電路中的溫度傳感器，用環(huán)氧樹膠涂于其外表后置于熱水中。Rs是限流電阻，限值很小，只

12、有100。G1、G2、G3、G4四個非門采用TTL門74LS04電路，振蕩周期T2.2RtC，脈寬為1.1RtC。可見，脈寬與Rt有一一對應關系，因此，溫度與脈寬也就有一一對應關系。AT89C2051單片機。是本控制器核心器件，模糊控制就是靠它控制軟件來實現(xiàn)。溫度設定電路。通過按鍵產(chǎn)生脈沖從INT1輸入單片機來調(diào)節(jié)水溫。設定溫度顯示電路。單片機將設定的溫度值通過動態(tài)掃描的方法輸出，數(shù)碼管上可直接顯示設定溫度。在自動測定各溫度對應的T0的計數(shù)值時，還可用來顯示TL0的值?？刂菩盘柛綦x輸出電路。通過光耦將加熱強電電路與單片機隔離，防止其干擾單片機的工作。單片機的輸出控制信號控制兩電熱絲的斷通，從而

13、調(diào)節(jié)水溫。圖1 硬件原理框圖3.1 多諧振蕩電路 圖2 多諧振蕩器電路圖3.2 工作原理INT1先用于各溫度值對應的脈寬計數(shù)器值的測量顯示。中斷1的中斷服務程序先固化自動測量、顯示的中斷服務程序如圖3所示。主程序不變，主程序如圖4所示。從INT1輸入的設定溫度用的脈沖將引起中斷，中斷服務程序可對與一定水溫對應的電脈沖寬度的計數(shù)值（TL0）進行測量并顯示，記下其數(shù)值后便可制定“溫度表”（與一定溫度對應的TL0值并存放于程序存儲器中的表），將“溫度表”固化于程序存儲器中。然后，INT1再用于溫度的設定，將中斷1的服務程序換為預溫溫度的程序，如圖5所示。讓定時器T1定時中斷，配合軟件計數(shù)器，每隔5s

14、測量1次溫度的當前值。將測得的脈寬轉(zhuǎn)化為溫度值是這樣實現(xiàn)的：先讓脈沖從INT0進入單片機，T0在INT0為高電平時開始定時，變?yōu)榈碗娖綍r停止，于是在TL0中得到脈寬對應的定時計數(shù)值，查找與“溫度表”中與計數(shù)值一一對應關系的溫度。將用的脈沖將引起中斷，中斷服務程序可對與一定水溫對應的電脈沖寬度計數(shù)值（TL0）進行測量并顯示，記下其數(shù)值后便可制定“溫度”（與一定溫度對應的TL0值并存放于程序存儲器中的表），將“溫度表”固化于程序存儲器中。然后，INT1再用于溫度的設定，將中斷1的服務程序換為預置溫度的程序，如圖5所示。讓定時器T1定時斷，配合軟件計數(shù)器，第隔5s測量1次溫度的當前值。將測得的脈寬轉(zhuǎn)

15、化為溫度值是這樣實現(xiàn)的：先讓脈沖從INT0進入單片，T0在INT0為高電 平時開始定時，變?yōu)榈碗娖綍r停止，于是在TL0中得到脈寬對應的定時計數(shù)值，查找與“溫度表”中與計數(shù)值一一對的溫度。將溫度的測量值及前次測得的值分別存于一個存儲單元，通過模糊控制程序以決定兩電熱絲的斷情況。3.3 AT89C2051單片機介紹AT89C系列單片機是Atmel公司1993年開始研制生產(chǎn)的，優(yōu)越的性能價格比使其成為頗受歡迎的8位單片機。AT89C2051提供以下標準功能：2k字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，15個IO 口線，兩個16位定時計數(shù)器，個5 向量兩級 斷結(jié)構，一個全雙工串行通信口，內(nèi)置

16、個精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C2051可降至0HZ 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU 的工作，但允許RAM，定時計數(shù)器，串行通信口及 斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。AT89C系列與MCS-51系列單片機相比有兩大優(yōu)勢：第一，片內(nèi)程序存儲器采用閃速存儲器，使程序的寫入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片（AT89C2051/1051），使整個硬件電路的體積更小。AT89C系列單片機有4種型號：AT89C51、AT89C52、AT89C1051、AT89C2051，其

17、中AT89C2051/1051以較小的體積、良好的性能價格比倍受青睞，在家電產(chǎn)品、工業(yè)控制、計算機產(chǎn)品、醫(yī)療器械、汽車工業(yè)、智能儀器等應用方面成為用戶降低成本的首選器件。下面以AT89C2051為代表對AT89C系列單片機做簡要闡述。AT89C2051是Atmel公司生產(chǎn)的帶2KB閃速可編程可擦除只讀存儲器（PEROM）的8位單片機，它具有如下主要特性：（1） 與MCS-51兼容；（2） 內(nèi)部帶2KB可編程閃速存儲器；（3） 壽命為1000次擦/寫循環(huán)；（4） 數(shù)據(jù)保留時間為10年；（5） 工作電壓范圍為2.7V6V；（6） 全靜態(tài)工作頻率為0Hz24Hz；（7） 兩級程序存儲器鎖定；（8）

18、128×8為內(nèi)部RAM；（9） 15條可編程I/O線；（10） 2個16位定時器/計數(shù)器；（11） 5個兩級中斷源（12） 可編程全雙工串行UART通道；（13） 直接對LED驅(qū)動輸出；（14） 片內(nèi)精確的模擬比較器；（15） 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路；（16） 低功耗的休眠和掉電模式。AT89C2051單片機的內(nèi)部結(jié)構如圖：3.4 單片機顯示電路利用74LS164擴展16位輸出線的電路。圖中的16輸出裝置是兩位共陽極七段LED顯示器，采用靜態(tài)顯示方式。靜態(tài)顯示的優(yōu)點是軟件設計簡單，顯示時沒有像動態(tài)顯示方式時有閃爍出現(xiàn)。串行口的數(shù)據(jù)通過RXD引腳加到74LS164的輸入端，串行口的輸出移

19、位時鐘通過TXD引腳加到74LS164的時鐘端。使用另一條I/O線P1.0控制74LS164的CLR復位信號端。電路中74LS164是8位的串入/并出移位寄存器，串行數(shù)據(jù)由RXD送出，移位時鐘由TXD送出。在移位時鐘作用下，存放顯示器段碼的串行發(fā)送緩沖器數(shù)據(jù)逐位由A，B端移入74LS164中，再由Q0Q7并行輸出至顯示數(shù)碼管相應的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發(fā)展大致要經(jīng)歷如下四個階段；1模糊控制盛行階段 在這一階段，把人類具有的比較單純的宏知識移植到被控對象上來，這將比現(xiàn)有的自動化機械具有更好的功能。目前，模糊控制就處于這樣的興盛階段。

20、2模糊專家系統(tǒng)階段 把更復雜的宏知識帶給計算機，實現(xiàn)智能機器人或模糊控制專家系統(tǒng)，在這里不是無判別地把什么樣的熟練操作者的知識都收集起來，而是要用它來分析問題，提高宏系統(tǒng)的結(jié)構，也就是用“模糊”來表示宏系統(tǒng)工程。日本“國際模糊工程研究所”（LIFELaboratory for International Fuzzy Engineering research）目前正全力以赴從事這方面工作。如他們所研究的外匯兌換交易支持系統(tǒng)、圖像識別、自然語言解釋系統(tǒng)、自治式機器人等，而且將在設備管理、醫(yī)療診斷、經(jīng)營支持、安全評價等系統(tǒng)上普及。3實現(xiàn)人與計算機間的自然語言通信階段 它不同于前兩個階段的非常單純的通

21、信。它差具有對意圖進行推理和狀態(tài)判斷的能力；和由計算機承擔針對相應場合變更時的詢問及解答能力。雖然要構成這樣的通用系統(tǒng)似乎沒有可能，但是縮小到某種程度的用途還是可能的。例如特定用途的智能機器人或針對某一問題的對話型決策系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)，也許在近幾年內(nèi)可以實現(xiàn)。4模糊人工智能系統(tǒng)階段 它是把人人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡這三者聯(lián)系起來，實現(xiàn)綜合信息處理的系統(tǒng)。也就是對原來型式的人工智能只作純粹的邏輯處理；簡單的學習機能由神經(jīng)元承擔；而創(chuàng)造性的思維和感知問題，以及綜合判斷、綜合評價問題只能由人來實現(xiàn)?！澳：斯ぶ悄堋苯橛谒鼈冎g，最大限度地發(fā)揮人的智慧和能力。這樣的系統(tǒng)就有可能成為外語翻譯、論文摘錄、輔助設計

22、、經(jīng)營支持等需要獨創(chuàng)的高度的腦力行為支持系統(tǒng)。這就是“模糊控制工程”，也就是未來“人類友好系統(tǒng)”的成功關鍵。模糊控制（fuzzy control）是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種智能控制方法，它從行為上模仿人的模糊推理和決策過程。該方法首先將操作人員或?qū)＜医?jīng)驗編成模糊規(guī)則，然后將來自傳感器的實時信號模糊化，將模糊化后的信號作為模糊規(guī)則的輸入，完成模糊推理，將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上。模糊控制的基本組成框圖如圖六所示。它的核心部分為模糊控制器，如圖中點畫線框中部分所示，模糊控制器的控制律由計算機的程序?qū)崿F(xiàn)。實現(xiàn)一步模糊控制算法的過程描述如下：微機經(jīng)中斷采樣獲取被控制量

23、的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號E，一般選誤差信號E作為模糊控制器的一個輸入量。把誤差信號E的精確量進行模糊化變成模糊量。誤差E的模糊量可用相應的模糊語言表示，得到誤差E的模糊語言集合的一個子集e（e是一個模糊矢量），再由e和模糊關系R根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量u即u=e。R4.2 模糊控制PID算法在一般的模糊控制系統(tǒng)中，考慮到模糊控制器實現(xiàn)的簡易性和快速性，通常采用二維模糊控制器結(jié)構形式。而這類控制器都是以系統(tǒng)誤差E和誤差變化EC為輸入語句變量，因此它具有類似于常規(guī)PID控制器的作用，由線性控制理論可知，采用該類模糊控制器的系統(tǒng)有可能獲得良好的動態(tài)特性，但無

24、法消除靜態(tài)誤差，所以引入模糊控制PID算法。模糊控制器的輸入為測得溫度與設定溫度的偏差E（E=t0-t;t0為設定的溫度， t為測得的水溫。）以及偏差的變化量E（E=t本-t前，其中t前為前次測得的溫度,t本為本次測得的溫度），輸出為電熱絲加熱量U。將E分為四個模糊子集B（大）、M（中）、S (小)、N（負），對應溫度的偏差為：t0-t>TM1、TM2t0-tTM1、0t0-tTM2、t0-t0(TM1>TM2>0)。E分為3個模糊子集P（正）、Z（零）、N（負），對應的偏差變化量為：t本-t前>A0 、-A0t本-t前AO、t本-t前-A0（A00）; 電熱絲加熱量分為四個模糊子集B（大）、M（中）、S（小）、Z（零），對應于二極電熱絲的四種狀態(tài)的組合：電熱絲1電熱絲2都加熱、電熱絲1加熱、電熱絲2加熱、電熱絲1電熱絲2都不加熱（電熱絲1的功率大于電熱絲2的功率）。模糊控制規(guī)則如表1表1EEPZNBBBBMMMSSSSZNZZZ表2E+EE E10-1676534321210-10-1-25. 系統(tǒng)軟件設計5.1 系統(tǒng)軟件流程圖圖3 自動測量、顯示的中斷服務程序 圖4 主程序 圖5調(diào)整設定溫度的程序5.2 系統(tǒng)軟件程序初始化程序如下：MAIN：MOV TMOD，#1AH；T1工作于方式1，定時100ms；（配合軟