摘 要： 針對水溫控制系統(tǒng)的控制對象具有熱存儲能力大,、慣性大、時變的特點,，使用常規(guī)的PID調節(jié)器難以實現(xiàn)水溫穩(wěn)定的自動控制,。設計一種以STC89C52單片機為核心、采用模糊控制算法的水溫控制系統(tǒng),，并闡述模糊控制理論的思想和系統(tǒng)的硬,、軟件設計。實驗表明,，該系統(tǒng)具有良好的控制性能,，能夠實現(xiàn)溫度的準確測量及穩(wěn)定自動控制，能夠推廣應用于工業(yè)控制系統(tǒng)以及熱帶魚養(yǎng)殖的恒溫環(huán)境中,。

　　關鍵詞： 水溫控制,；模糊控制；STC89C52單片機,；LCD1602,；DS18B20

　　溫度控制系統(tǒng)屬于純滯后系統(tǒng)，采用經(jīng)典控制理論設計的控制器會因實際的工業(yè)生產(chǎn)當中有許多系統(tǒng)難以建立準確的數(shù)學模型而難以實現(xiàn)溫度穩(wěn)定的自動控制[1-2],。模糊控制應用在具有明顯的非線性系統(tǒng)以及滯后環(huán)節(jié)（如水溫控制系統(tǒng)）中可以獲得很好的控制性能,。

　　由于水在加熱過程中難以獲得精確的數(shù)學模型，控制參數(shù)變化范圍大,，采用傳統(tǒng)PID控制難以解決系統(tǒng)穩(wěn)定性和準確性的問題[3],。本系統(tǒng)充分發(fā)揮模糊控制的魯棒性好、動態(tài)響應好,、上升時間快和超調小的特點,，在實際應用中取得了較好的效果。系統(tǒng)還具有成本低,、可移植性強等特點,。

1系統(tǒng)硬件設計

　　系統(tǒng)選用與MCS-51系列兼容的STC89C52單片機，它是一種低功耗,、高性能,、CMOS 8位微處理器[4]。本文就通過STC89C52單片機來實現(xiàn)自動控制水溫系統(tǒng)的設計,，使水溫能夠在30℃~90℃實現(xiàn)恒定溫度調節(jié),。該自動控制水溫系統(tǒng)能及時反映當前系統(tǒng)工作區(qū)的溫度信息，溫度信息通過液晶屏直觀地顯示給用戶,，用戶可根據(jù)自己對水溫的實用要求,，通過鍵盤自行設定溫度，還設置了溫度超限報警，系統(tǒng)結構如圖1,。

　　1.1 電源模塊

　　本次設計涉及的電壓有直流5 V、12 V及交流220 V三種電壓,。為節(jié)約硬件資源,，簡化電路，利用變壓器降壓經(jīng)過橋式整流后通過三端穩(wěn)壓管得到5 V和12 V的電壓,。采用L7805穩(wěn)壓模塊進行穩(wěn)壓,，經(jīng)過L7805降壓至5 V直接為單片機供電，線路簡單,，如圖2所示,，單片機工作穩(wěn)定，不會因電壓不穩(wěn)定而出現(xiàn)反復復位的情況,。

　　1.2 系統(tǒng)電路設計

　　系統(tǒng)采用按鍵輸入設定溫度,，液晶顯示屏LCD1602上實時顯示預設溫度和由DS18B20測得的實時水溫。通過測取溫度誤差,，經(jīng)過模糊算法來控制執(zhí)行器件的具體操作,。當控制溫度低于30℃或是高于90℃時，系統(tǒng)會通過蜂鳴器報警,。系統(tǒng)控制電路設計如圖3所示,。

2 系統(tǒng)軟件設計

　　2.1 模糊控制的原理

　　模糊控制理論的基礎是模糊集合理論，由美國加尼亞大學ZADEH L A教授于1965年首先提出,，1973年他給出了模糊控制的定義及相關定理[5],。1974年，英國MAMDANI E H首先用模糊控制語句設計模糊控制器,，并成功用于鍋爐和蒸汽機的控制,，這一工作標志著模糊控制理論的誕生[6]。模糊控制系統(tǒng)基本結構如圖4所示,。

　　由于人的經(jīng)驗一般是用自然語言來描述的,，因此，基于經(jīng)驗的規(guī)則也只能是語言化的,、模糊的,。運用模糊理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理的知識,，就可以把這些模糊的語言規(guī)則上升為數(shù)值運算,，從而能夠利用計算機來完成對這些規(guī)則的具體實現(xiàn)，達到以機器代替人對某些對象進行自動控制的目的[7],。

　　在整個模糊控制系統(tǒng)中,，其控制步驟為:計算機中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號e,。一般選取誤差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得到模糊量,，誤差的模糊量可用相應的模糊語言來表示。至此,，得到了誤差e的模糊語言集合的一個子集E,，再由E和模糊控制規(guī)則R(模糊關系)，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為：

　　其中,，U為一個模糊量。為了對被控對象施加精確的控制,，還需將模糊量U轉化為精確量,，這一步稱為去模糊化處理。得到了精確的數(shù)字控制量后,，經(jīng)數(shù)模轉換為精確的模擬量送給執(zhí)行機構,，對被控對象進行控制。然后,，不斷中斷對被控量進行采集和控制,，就實現(xiàn)了對被控對象的模糊控制。

　　2.2 模糊控制器的設計

　　容器內水的溫度通過脈寬調制PWM(Pulse-Width Modulation)技術調節(jié)電熱絲上的發(fā)熱功率,，從而實現(xiàn)溫度的自動控制[8],。模糊控制器的輸入和輸出均為精確的物理量。對于輸入量,，其變化范圍一般為（-x,x）, ,。通常直接測取值為（a，b）,，并非完全對稱,，但總可經(jīng)過式（2）轉換成（-n，n）的連續(xù)變化量,，其中（采用四舍五入取整處理）,，對于輸出量也可作同樣處理[9]。

　　根據(jù)水箱水溫變化特點,，設當前測量溫度值為Ti,、設定溫度值為Ts、當前偏差為e(e=Ti-Ts),，將e的結果劃分為負大（記為NLe）,、負中（記為NMe）、負?。ㄘ撔Se）,、相等（記為Oe）、正小（記為PSe）,、正中（記為PMe）,、正大（記為PLe）7個等級，將所得的偏差范圍按照式（2）進行論域規(guī)范化,，得到X={-4,，-3，-2,，-1，0,，1,，2，3,，4}共9個等級,。

　　整個水箱的模糊控制系統(tǒng)結構示意圖如圖5所示。

　　模糊集合完全由隸屬函數(shù)所表征,，不同的隸屬函數(shù)決定不同的隸屬度,，隸屬度的大小能夠比較正確、直觀地反映事物的本質特征,。本文采用正態(tài)形隸屬函數(shù)分布,，如圖6所示。

　　建立當前偏差e的模糊集合,，如表1所示,。

　　將模糊控制輸出量記為u，同理將輸出u的變化范圍進行規(guī)范化分為共9個等級,，則U的模糊集合如表2所示,。

　　模糊語言控制規(guī)則可歸納為：

　　將模糊關系集合記為R，為多段型[8],，則R為：

　　采用四舍五入取整后的結果u'=-2,，即在當前溫度測量值Ti遠高于溫度設定值Ts時，采用PWM控制技術能比較大幅度地減小電熱絲的發(fā)熱功率,，甚至開通制冷設備,。

3 系統(tǒng)測試及結果分析

　　校驗溫度計：采用YAOHUA QUANQIN紅色酒精液柱溫度計，精度為±1℃,測溫范圍0℃~100℃,，插入到水中與DS18B20處于相同水深,。表3為系統(tǒng)測量溫度與標準酒精溫度計測量溫度的對比。

　　對比表3中的實測溫度與系統(tǒng)顯示值數(shù)據(jù)可知,，該系統(tǒng)的誤差均控制在0.5 ℃以內,。在對于存在干擾的狀況，如突然加入冷水或熱水，由于熱量交換而導致的大延時情況下,，控制系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力,，抑制非線性變化帶來的影響。綜合以上數(shù)據(jù),，此測溫方法能夠滿足系統(tǒng)的需要,，系統(tǒng)總體穩(wěn)態(tài)性能良好。測試實物圖如圖7所示,。

　　本文針對水溫控制系統(tǒng)的控制對象具有熱存儲能力大,、慣性大、時變的特點,，使用常規(guī)的PID調節(jié)器難以實現(xiàn)水溫穩(wěn)定的自動控制,。設計了一種以STC89C52單片機為核心、采用模糊控制算法的水溫控制系統(tǒng),，建立并實現(xiàn)了簡單易行,、適合在單片機系統(tǒng)運行的模糊控制算法，系統(tǒng)可移植性強,，硬件電路簡單,。經(jīng)實驗表明，算法水箱水溫的控制精度,、響應速度以及穩(wěn)定性能等表現(xiàn)良好,，可廣泛推廣和移植到工業(yè)以及熱帶魚養(yǎng)殖恒溫系統(tǒng)中。

參考文獻

　　[1] 黎惠成,，曾碧,，吳清泉，等. 一種基于模糊控制的溫度控制系統(tǒng)設計[J].計算機技術與發(fā)展,，2009（19）：236-239.

　　[2] 于光普,，黎東升，尤傳富. 智能水溫控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].長春工業(yè)大學學報,，2011（32）:30-32.

　　[3] 張小娟. 一種基于模糊控制的溫度控制系統(tǒng)設計[J].儀表技術與傳感器,，2010（11）:76-78.

　　[4] 余永權，曾碧. 單片機模糊邏輯控制[M].北京：北京航空航天大學出版社,，1995.

　　[5] 張恩勤,，施頌椒，高衛(wèi)華,，等. 模糊控制系統(tǒng)近年來的研究與發(fā)展[J].控制理論與應用,，2001（18）：7-11.

　　[6] 鄭亞林，黃德隆,，郭健. Fuzzy推理的Mamdani算法[J].寶雞文理學院學報（自然科學版）,2001（21）：168-173.

　　[7] 王春林,，任洪波. 煙葉烤房溫度模糊控制[J].控制工程,，2012（19）：1157-1160.

　　[8] 王兆安，劉進軍. 電力電子技術(第五版)[M].北京：機械工業(yè)出版社,，2009.

　　[9] 曹謝東. 模糊信息處理及應用[J].北京：科學出版社,，2003：137-149.