2022年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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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 基于模糊掌握的水温自动调剂器的 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 掌握器已经不能满意我们的实际要求,因此我们力图将近些年进展起来的一些先进的智能掌握方法,应用到 PID 掌握领域当中；近年来,模糊掌握已成为智能自动掌握讨论中最为活跃而又富有成果的领域；其中模糊 PID 掌握技术扮演了特别重要的角色,并且仍将成为将来讨论与应用 的重点技术之一；嵌入式系统是以应用为中心,以运算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、牢靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用运算

2、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掌握、监视或治理等功能；以嵌入式微处理器AT89C2051为模糊掌握器,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掌握的温度掌握系统；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,通过模糊掌握算法,就可达到水温自动调剂的目的；对任意温度对应的脉宽仍可进行自动测量,并加以显示；关键词： AT89C2051 单片机 模糊掌握 1. 引

3、言温度 电热水器、自动掌握理论有将近一个世纪的进展史,经受了经典掌握理论和现代掌握理论两个阶段后,正促使人们致力于70 岁月末开头的智能掌握理论讨论；它是在人工智能学科基础上,对掌握理论讨论在深度和广度上的开拓；也是当前被控 对象的高度复杂化、掌握性能要求的高指标化和运算机技术进展市速化所必定 的趋向；人工智能包括推理、学习和联想三大要素,它是采纳非数学式子方法,把人 们的思维过程模型化,并用运算机来仿照人的智能的学科；很多科学家认为下 一世纪生产力的飞跃寄托于人工智能技术,并认为人工智能的进展必将带来一1 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 15 页精选学习资料

4、 - - - - - - - - - 次新的史无前例的技术革命,第五代运算机的讨论充分表达了人类左脑的规律 推理功能,而人工智能讨论的下一步是仿照人类右脑的模糊处理功能；人工智 能将在规律推理运算机、模糊运算机和神经网络运算机这三者的基础上,由两 个方面来实现,即：一是利用现有的运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、猎取学问、思维推理、决策实施的重要特点；“ 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；“ 模糊掌握理论” 是由美国学

5、者加利福尼亚高校闻名教授L.A.Zadeh 于 1965 年第一提出,至今仅有 20 余年时间；它以模糊数学为基础,用语言规章表示方法 和先进的运算机技术,由模糊推理进行判决的一种高级掌握策略；它无疑是属 于智能掌握范畴,而且进展至今已成为人工智能领域中的一个重要分支；其理 论进展之快速,应用领域之广泛,掌握效益之显著,实为世人醒目关注；特殊 是近一二年内,模糊掌握与其他掌握策略构成的集成掌握,以及与神经网络相 结合的模糊神经网络等得到快速进展,更使诸多学者确信,它是一种全新的技 术和高科技的进展方向；“ 模糊掌握” 是近代掌握理论中一种基于语言规章与模糊推理的高级掌握策 略和新奇技术；它是智

6、能掌握的一个重要分支,进展快速,应用广泛,实效显 著,引人关注；模糊掌握比传统的 PID 等掌握方法,在强时变、大时滞、非线性系统中的控 制成效有着明显的优势；将模糊掌握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掌握器件,把二者结合起来,可是掌握器的性 能指标达到最优的目的；基于模糊掌握技术的单片机掌握的电热水器,是对传 统的电热水器开关掌握的改造,具有达到设定温度时间短、稳态温度波动小、反应灵敏、抗干扰才能强、节约电能等优点；2. 系统分析 嵌入式系统概述 随着运算机技术的进展,一种不为人们所熟识但却被广泛应用的运算机系统 逐步进展壮大,那就是嵌入式系统；对于嵌入式系

7、统,至今没有准确的定义,2 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 多指置于电子设备内部,完成某种特定功能的运算机系统,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,以运算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适 用于应用系统对功能、牢靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用运算机系 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掌握、监视或治理等功能；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

8、理器、储备器及外设器件和 I/O 端口、图形掌握器等；软件部分包括操作 系统软件 OS）嵌入式系统特点 、嵌入式运算机系统特点：1）嵌入式系统通常是面对特定应用的嵌入式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中很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,移动才能大大增强,跟网络的耦合也越来越紧密；3 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2）嵌入式系统是将先进的运算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业 的详细应用相结合后的产

9、物；3）嵌入式系统的硬件和软件都必需高效率地设计,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）嵌入式系统和详细应用有机地结合在一起,它的升级换代也是和详细产品同步进行,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牢靠性,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才能,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,必需有一套开发工具和环境才能进行开 发；、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

10、,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）满意实时性要求；一般的嵌入式软件是连续运行的,对外部大事的触发 赐予实时响应,满意时限要求；3）具有处理异步并发大事的才能；嵌入式系统多为大事驱动的,所处理的 大事多是随机的、并发的大事,一般供应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,在显现故障时一般具有容错才能和自动修复才能；3总体设计电热水器水温自动调剂器以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、掌握信号隔离输出电路等

11、几部分组成,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；详细电路如图 2；其中 Rt是具有负温度系数的热敏电阻0100时,阻值在 31k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4 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 电阻,限值很小,只有 100；G1、G2、G3、G4四个非门采纳 TTL 门74LS04电 路,振荡周期 T2.2RtC,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；

12、AT89C2051单片机；是本掌握器核心器件,模糊掌握就是靠它掌握软 件来实现；温度设定电路；通过按键产生脉冲从INT1输入单片机来调剂水温；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,仍 可用来显示 TL0的值；掌握信号隔离输出电路；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；单片机的输出掌握信号掌握两电热丝的断通,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5 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 15 页精选学习资料 - -

13、- - - - - - - 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肯定水温对应的电脉冲宽度的计数值TL0）进行测量并显示,登记其数值后便可制定 “温度表 ” 与肯定温度对应的 TL0值并存放于程序储备器中的表）,将“温度表 ”固化于程序储备器中；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,协作软件计数器,每隔 5s测量1次温度的当前值；将测得

14、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为高电平常开头定时,变为低电平常停止,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肯定水温对 应的电脉冲宽度计数值 TL0）进行测量并显示,登记其数值后便可制定“温度 ”与肯定温度对应的 TL0值并存放于程序储备器中的表）,将“温度表 ”固化于程序储备器中；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,协作软件计数器,第隔 5s测量 1次温度的当前值；将测得的脉宽转化

15、为温度值是这样实现的：先让脉冲从 INT0 进入单片, T0在INT0为高电平常开头定时,变为低电平常停止,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 分别存于一个储备单元,通过模糊掌握程序以打算两电热丝的断情形；3.3 AT89C2051单片机介绍 AT89C系列单片机是 Atmel 公司1993年开头研制生产的,优越的性能价格比 使其成为颇受欢迎的 8位单片机；AT89C2051供应以下标准功能： 2k字节 Flash 闪速储备器, 128字节内部 RAM ,15个IO 口线,两个 16位定时计数器, 个5 向量两级断结

16、构,一个全双工串行通信口,内置个精密比较器,片内振荡器准时钟电路；同时,AT89C2051可降至 0HZ 的静态规律操作,并支持两种软件可选的节电工作模式；闲暇方式停止 CPU 6 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 的工作,但答应 RAM ,定时计数器,串行通信口及断系统连续工作；掉电方式储存 RAM 中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它全部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,片内程序储备器采纳闪速储备器,使程序的写入更加便利；其次,供应了更小尺寸的芯

17、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、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、工业掌握、运算机产品、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储备器 PERO M）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

18、速储备器；（3） 寿命为 1000次擦 /写循环；（4） 数据保留时间为 10年；（5） 工作电压范畴为 2.7V6V；（6） 全静态工作频率为 0Hz24Hz；（7） 两级程序储备器锁定；（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；7 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 15 页精选学习资料 - - - -

19、 - - - - - 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,采纳静态显示方式；静态显示的优点是软件设计简洁,显示时没有像动态显示方式时有闪耀显现；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掌握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

20、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：8 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4. 模糊掌握的原理及 PID 算法4.1 模糊掌握原理 模糊掌握工程的进展大致要经受如下四个阶段；1模糊掌握盛行阶段 在这一阶段,把人类具有的比较单纯的宏学问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,模糊掌握就处于这样的兴盛阶段；2模糊专家系统阶段 把更复杂的宏学问带给运算机,实现智能机器人或模糊掌握专家系统,在这里不是无判别地把什

21、么样的娴熟操作者的学问都收集起来,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“国际模糊工程讨论所 ” LIFELaboratory for International Fuzzy Engineering research）目前正全力以赴从事这方面工作；如他们所讨论的外汇兑换交易支持 系统、图像识别、自然语言说明系统、自治式机器人等,而且将在设备治理、医疗诊断、经营支持、安全评判等系统上普及；3实现人与运算机间的自然语言通信阶段 9 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 它

22、不同于前两个阶段的特别单纯的通信；它差具有对意图进行推理和状态判定 的才能；和由运算机承担针对相应场合变更时的询问及解答才能；虽然要构成 这样的通用系统好像没有可能,但是缩小到某种程度的用途仍是可能的；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,或许 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；也就是对原先型式的人工智能只作纯粹的规律处理；简洁的学习机能由神经元承担；而制造性的思维 和感知问题,以及综合判定、综合评判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聪明和才能；这样的

23、系统就有可能成为外 语翻译、论文摘录、帮助设计、经营支持等需要独创的高度的脑力行为支持系 统；这就是 “模糊掌握工程 ”,也就是将来 “人类友好系统 ”的胜利关键；模糊掌握 fuzzy control）是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊规律推理为基础的一种智能控 制方法,它从行为上仿照人的模糊推理和决策过程；该方法第一将操作人员或 专家体会编成模糊规章,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章的输入,完成模糊推理,将推理后得到的输出量加到执行器 上；模糊掌握的基本组成框图如图六所示；它的核心部分为模糊掌握器,如图 中点画线框中部分所示,模糊掌握器的掌握律由运算机的程序实现

24、；实现一步 模糊掌握算法的过程描述如下：微机经中断采样猎取被掌握量的精确值,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作为模糊掌握器的一个输入量；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 ee是一个模糊矢量）,再由 e和模糊关系 R依据推理的合成规章进行模糊决策,得到模糊掌握量 u即u=e；R 4.2 模糊掌握 PID算法10 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 在一般的模糊掌握系统中,考虑到模糊掌握器实现的简易

25、性和快速性,通常采纳二维模糊掌握器结构形式；而这类掌握器都是以系统误差 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掌握器的作用,由线性掌握理论可知,采纳该类模糊掌握器的系统有可能获得良好的动态特性,但无法排除静态误差,所以引入模糊掌握 PID算法；模糊掌握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 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、NTM1 、 TM2 t0-t TM1 、 0t0-t TM2、t0-t 0TM1TM2

26、0； E 分为 3 个模糊子集 P正）、 Z零）、 NA0 、-A0t 本-t 前AO、t本-t 前-A0A00）；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）；模糊掌握规章如表 1表 1 EEP Z N B B B B M M M S S S S Z N Z Z Z 表2 EE+EE 0 -1 16 7 6 5 3 4 3 2 11 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页

27、,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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12 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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；协作软件计数器定时 5s）； T0 工作于方式 2,使用门控位,定时MOV TM0 ,#20 ；TM0 为设定温度储备单元,设定初始温度

28、为 20MOV TH0 ,#0 MOV TL0 ,#0 MOV TH1 ,#3CH ；T1置产生 100ms定时的初值 tosc=6MHz）；MOV TL1 ,#0B0H MOV TMER ,#50 ；TMER 为软件计数器单元； 50100ms=5s SETB TR1 ；启动定时器 T1 SETB EA ；开CPU中断13 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - SETB EX1 ；开外部中断 1 SETB IT1 ；设定为边沿触发；SETB PX1 ；设定温度的中断优先级为高级中断；SETB ET1 ；开

29、 T1中断 SETB P3.7 ；不加热 SETB P1.7 DISP：SETB RS0 ；爱护现场 PUSH ACC PUSH DPH PUSH DPL MOV R2,03H MOV R0 MOV A , R0 MOV DPTR ,#TAB MOVC A ,A+DPTR MOV SBUF,A DL1：JNB TI,DL1 CLR TI DEC R0 DJNZ R2,DL0 CLR RS0 POP DPL POP DPH POP ACC RET TAB ： DB C0H, F9H, A4H, B0H, 99H DB 92H, 82H, F8H, 80H, 90H 14 / 15 名师归纳总结

30、- - - - - - -第 14 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图6 模糊掌握框图6模糊掌握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,并储备到储备单元 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 并储备到储备单元 TMCB；依据温度偏差与偏差的变化量由模糊掌握表打算电热丝的断闭,假如将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,可依据表 1 得到表 2 中的 E+ E；将表 2 与表 1 对比可看出：当 E+ E0 时,加热量为 Z；当 1E+ E3 时,加热量为S；当 3E+ E5 时,加热量为M；当 E+ E5 时,加热量为 B；故可编制所求的模糊掌握程序；15 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 15 页