基于模糊控制的水温自动调节器的设计与开发

1、基于模糊限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限制器已经不能满足我们的实际要求, 因此我们力图将 近些年开展起来的一些先进的智能限制方法, 应用到PID限制领域当中.近年来, 模糊限制已成为智能自动限制研究中最为活泼而又富有成果的领域.其中模糊 PID限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'o嵌入式系统是以应用为中央,以计算机技术为根底,并且软硬件可裁剪,适 用于应用系统对功能、可靠性、本钱、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

2、件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序 等四个局部组成,用于实现对其他设备的限制、监视或治理等功能.以嵌入式微处理器AT89C2051为模糊限制器,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限制的温度限制系统.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.与设定的温度相比拟后,以温度偏差及其变化量为输入、加 热量为输出,通过模糊限制算法,就可到达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单片机模糊限制温度电热水器、1 .引言自动限制理论有将近一个世纪

3、的开展史,经历了经典限制理论和现代限制理 论两个阶段后,正促使人们致力于 70年代末开始的智能限制理论研究.它是在 人工智能学科根底上,对限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、限制性能要求的高指标化和计算机技术开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,并认为人工智能的开展必将带来一次新 的史无前例的技术革命,第五代计算机的研究充分表达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

4、.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根底上,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“清楚所拥有的信息容量更大,内涵更丰富,更符合客观世界.“模糊限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.它以模糊数学为根底,用语言规那么表示方法和先进 的计算机技术,由模糊推理进行判决的一种高级限制策略.它无疑是

5、属于智能控 制范畴,而且开展至今已成为人工智能领域中的一个重要分支.其理论开展之迅速,应用领域之广泛,限制效益之显著,实为世人醒目关注.特别是近一二年内, 模糊限制与其他限制策略构成的集成限制,以及与神经网络相结合的模糊神经网 络等得到迅速开展,更使诸多学者确信,它是一种全新的技术和高科技的开展方 向.“模糊限制是近代限制理论中一种基于语言规那么与模糊推理的高级限制策 略和新奇技术.它是智能限制的一个重要分支,开展迅速,应用广泛,实效显著, 引人关注.模糊限制比传统的PID等限制方法,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.将模糊限制技术应用于家电产品在国外已是很普遍的现 象

6、.单片机是家用电器常用的限制器件, 把二者结合起来,可是限制器的性能指 标到达最优的目的.基于模糊限制技术的单片机限制的电热水器, 是对传统的电 热水器开关限制的改造,具有到达设定温度时间短、稳态温度波动小、反响灵敏、 抗干扰水平强、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开展,一种不为人们所熟悉但却被广泛应用的计算机系统 逐渐开展壮大,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央,以计算机技术为根底,并且软硬件可

7、裁剪,适 用于应用系统对功能、可靠性、本钱、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 等四个局部组成,用于实现对其他设备的限制、监视或治理等功能.嵌入式系统一股指非PC系统,它包括硬件和软件两局部.硬件包括处理器 / 微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形限制器等.软件局部包括操作系 统软件OS 要求实时和多任务操作和应用程序.有时设计人员把这两种软 件组合在一起.应用程序限制着系统的运作和行为；而操作系统限制着应用程序 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

8、实时多任务有很强的支持水平,能完成多任务并且有较短的中断响应时 问,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,而为了预防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mV6至nW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

9、的嵌入式 CPUf通用型的最大不同就是嵌 入式CP以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, 移动水平 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为了提升执行速度和系统可靠性,嵌入式系统中的软

10、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水平, 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.n嵌入式软件的特点：D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水平. 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

11、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水平和自动修复能 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、限制信号隔离输出电路等几局部组成, 结构框图如图1显示：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0100c时,阻值在31kQ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1

12、00Q.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I.IRtC.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.AT89C2051单片机.是本限制器核心器件,模糊限制就是靠它限制软 件来实现.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.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.限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,预防其干扰单片机的工作.单片机的输出限制信号限制两电热丝的

13、断通,从而调节水图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的中断效劳 程序先固化自动测量、显示的中断效劳程序如图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,中断效劳程序可对与 一定水温对应的电脉冲宽度的计数值TL0进行测量并显示,记下其数值后便 可制定“温度表与一定温度对应的TL0值并存放于程序存储器中的表,将 “温度表固化于程序存储器中.然后,INT1再用于温度的设定,将中断1的 效劳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5

14、s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,中断效劳程序可对与一 定水温对应的电脉冲宽度计数值TL0进行测量并显示,记下其数值后便可制 定“温度与一定温度对应的TL0值并存放于程序存储器中的表,将“温度 表固化于程序存储器中.然后,INT1再用于温度的设定,将中断1的效劳程 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

15、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,通过模糊限制程序以决定两电热丝的断情况.3.3 AT89C2051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 比使其成为颇受欢送的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,一个5向量两级 断结构, 一个全双

16、工串行通信口,内置一个精密比拟器,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(AT89C2051/1051),使整个硬件电路的体积更小.AT89C系列单片机有4种型 号：AT89C51、AT89C52、AT89C10

17、51 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、工业限制、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本钱的首选器件. 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(PEROM)的8位单片机,它具有如下主要特性：(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) 数据保存时间为10年；(5) 工作电压范围为2.7V6V;(6) 全静态工彳频率为0Hz

18、24Hz;(7) 两级程序存储器锁定；(8) 128X8 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 UART1道；(13) 直接对LED§区动输出；(14) 片内精确的模拟比拟器；(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.用行口的数据通

19、过RXD引脚加到74LS164的输入端,用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限制74LS164的CLR复位信号端.电路中74LS164 是8位的用入/并出移位存放器,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Q0Q7并 行输出至显示数码管相应的LED上.程序如下：AT89C2051区 二 d SXI1 一心 自 1 & 'E! HgDpD3|r-一E-1ZT H1c d ef gQp a b c( LED2LJB1_Lg E

20、1i1 *c s一:KP LU o _| qE174.模糊限制的原理及 PID算法4.1 模糊限制原理模糊限制工程的开展大致要经历如下四个阶段；1 .模糊限制盛行阶段在这一阶段,把人类具有的比拟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,模糊限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限制专家系统,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,提升宏系统的结构,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(LIFE-Laboratory for Internat

21、ional FuzzyEngineering researc)目前正全力以赴从事这方面工作.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 备治理、医疗诊断、经营支持、平安评价等系统上普及.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水平；和由计算机承当针对相应场合变更时的询问及解答水平.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

22、它是把人一一人工智能一一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当； 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 地发挥人的智慧和水平.这样的系统就有可能成为外语译、 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“模糊限制工程,也就是未来“人类友好系统的成功关键.模糊限制(fuzzy control)是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为 根底的一种智能限制方法,它从行为上模仿人的模糊推理和决策过程. 该方法首 先将操

23、作人员或专家经验编成模糊规那么,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那么的输入, 完成模糊推理,将推理后得到的输出量 加到执行器上.模糊限制的根本组成框图如图六所示. 它的核心局部为模糊限制器,如图中 点画线框中局部所示,模糊限制器的限制律由计算机的程序实现. 实现一步模糊 限制算法的过程描述如下：微机经中断采样获取被限制量的精确值, 然后将此量 与给定值比拟得到误差信号E, 一般选误差信号E作为模糊限制器的一个输入量. 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e (e是一个模糊矢量),再

24、由e和模糊关系R根据推理的合成规那么进行模糊决策,得到模糊限制量 u即u=e.R4.2 模糊限制PID算法在一般的模糊限制系统中,考虑到模糊限制器实现的简易性和快速性,通常采用二维模糊限制器结构形式.而这类限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限制器的作用,由线性限制理论 可知,采用该类模糊限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,所以引入模糊限制PID算法.模糊限制器的输入为测得温度与设定温度的偏差EE=t0-t;t0为设定的温度,t为测得的水温.以及偏差的变化量 E £工本-1前,其中t前为前次测得的 温度,t本为本

25、次测得的温度,输出为电热丝加热量Uo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 C、TM2 C <t0-t<TM1C、0C<t0-t <TM22、t0-t < 0C 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 A0> 0;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.模糊限制规那么如表1表1PZNBBBBMMMSSSSZNZZZ表2 E10-1676534321210-10-1-2系统软件设计5.1系统软件流程图图3自动测量、显示的中断效劳程序a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 :MOV TMOD , #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MOV TM0 , #20 ; TM0为设定温度存储单元,设定初始温度为