CN103616905A - 基于80c552型单片机的模糊水温控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是基于80C552型单片机的模糊水温控制器及控制方法。包括80C552型单片机，还包括与80C552型单片机互联的前向通道模块、后向通道模块、系统扩展模块及串行通讯模块。将初始水温、设定水温及控制后实际水温作为电动调节阀控制模型的输入，通过控制电动调节阀的开度来实现水温控制；将控制后的实际水温与设定水温相比较，其偏差量与电动调节阀开度值作为基于模糊推理的水温控制器的输入，对其进行模糊推理后，得到控制后的实际水温，通过不断反馈的过程对水温进行不断修正至达到预期设定温度。本发明具有模糊逻辑推理能力以及对模拟量和输出量的控制功能，兼容性好，采用模糊算法实现水温控制。

Description

基于80C552型单片机的模糊水温控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种水温控制器，特别是一种基于单片机的模糊水温控制器。

背景技术

模糊控制技术作为自动控制领域的重要组成部分，其研究与应用在近几十年来取得了长足进步。水温控制器普遍采用温度传感器作为测量装置，且对测量量的偏差信号采取PID控制来实现水温控制。目前的控制器所采用的控制策略是在已知被控对象精确数学模型的基础上实现的。这种方法在稳定之后具有较好的控制性能，但在无法获取被控对象准确数学描述时具有很强的局限性，因而使得上述策略的设计存在一定的不适应性，也因此影响了水温控制的精度及可行性。

随着模糊控制器的发展与完善，将模糊控制算法与水温控制系统相结合也取得了一定的进展。为此可设计一款能够在未知被控对象数学模型情况下快速调节水温的控制单元，其功能包括水温的恒温控制、加热控制及制冷控制。为此，水温信号的实时提取及快速运算成为设计水温控制器所应着重考虑的问题。

目前在核心期刊与专利查询中与本发明相关的专利及论文情况如下：雷声勇的论文《基于PID算法的智能水温控制器的设计》（机床电器，2010-04-12）中，设计了以AT89S52单片机为控制核心，软件上采用PID算法来进行水温控制，但在被控对象准确数学描述无法获取时，PID控制算法往往存在不适应性；申请号为201220565169.8，名称为《水温恒温模糊控制器》的专利文件中中，设计的水温模糊控制器采用模糊算法针对恒温情况进行控制；申请号为200810233118.3，名称为《一种发动机冷却循环系统的水温调节机构》的专利文件中，采用冷却循环系统的大、小循环及暖通循环实现水温的控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用范围广，能够实现水温的精确控制的基于80C552型单片机的模糊水温控制器。本发明的目的还在于提供一种基于80C552型单片机的模糊水温控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的基于80C552型单片机的模糊水温控制器包括80C552型单片机，还包括与80C552型单片机互联的前向通道模块、后向通道模块、系统扩展模块及串行通讯模块；

所述前向通道模块的组成包括：80C552型单片机的AV_ss、AV_dd管脚接电源POWER，第一电容C₁与POWER并联，80C552型单片机的P5.0～P5.7管脚分别与一个RC容阻滤波器相接；

所述后向通道模块的组成包括：80C552型单片机的P4.0～P4.5管脚分别与7406的管脚A₁～A₆相接，7406的GND管脚接地，7406的V_cc管脚接+5V电源，7406的Y₁～Y₆管脚分别通过一个反相器与两个电阻相连，其中一个电阻的另一端与固态继电器相接，另一个电阻的另一端与+5V电源相接。

所述系统扩展模块包括外扩64Kbyte的程序存储器EPROM27512和8K字节的外部数据存储器RAM6264，系统定时和数据掉电保护电路采用时钟芯片DS1216。

本发明的基于80C552型单片机的模糊水温控制方法为：将初始水温u₀、设定水温θ₀及控制后实际水温

作为电动调节阀控制模型的输入，通过控制电动调节阀的开度来实现水温控制；将控制后的实际水温

与设定水温θ₀相比较，其偏差量

与电动调节阀开度值θ作为基于模糊推理的水温控制器的输入，对其进行模糊推理后，得到控制后的实际水温

通过不断反馈的过程对水温进行不断修正至达到预期设定温度。

所述模糊推理具体分为以下步骤：

步骤一，确定控制量及偏差，控制量为电动调节阀开度，偏差为水温偏差；

步骤二，定义变量的论域，控制量θ变化范围为[0，10]mm，对应的直流电压信号为[0，10]V，对应的D/A转换器DAC0832的输入为[00H，FFH]，控制量论域为[00H，FFH]；

步骤三，确定隶属函数，根据隶属函数的中心值经过线性插值计算出偏差和偏差变化量的隶属度，或对控制量进行反模糊化；

步骤四，真值的产生与传递，设实测量

作用的模糊子集分别为A₁′、A₂′和B₁′、B₂′，和

对各自作用模糊子集的隶属度分别为

和

相应的作用模糊控制规则为R′_i(i=1,2,3,4)，实测量

对其作用模糊控制规则前件的真值为

上述各真值沿各自作用模糊控制规律传给后件；

步骤五，真值的接收设作用模糊控制规则的后件为C′_i(i=1,2,3,4)，当控制量模糊子集的隶属函数用单点模糊集表示时，θ^*的作用模糊子集C′_i可表示为C′_i=[C′_i(θ₁),C′_i(θ₂),...,C′_i(θ₇)]，其中，C′_i(θ_j)为隶属度，θ_j(j=1,2,...,7)为第j个模糊子集的中心值；

θ^*的作用模糊子集接收前件传来的真值V_i(θ^*)，除作用模糊子集编码位置处的隶属度不为0外，其余均为0，记作

其中C′_i(θ_j)>0；

步骤六，反模糊化，采用重心进行反模糊化。

本发明针对传统水温PID控制方法在被控对象数学描述无法获得的情况下使用局限性问题，提出了一种基于模糊控制算法的水温控制器及控制方法。

本发明的水温控制器是由80C552型单片机作为硬件核心，同时，配有前向通道模块作为水温检测信号的输入通道、后向通道模块作为对水温进行控制的输出通道。在控制算法的选择上本发明采用以“∧-∨”模糊运算为基础的模糊逻辑控制来实现水温的精确控制。采用模糊控制算法中的“∧-∨”模糊推理方法进行水温加热、恒温、制冷控制；采用控制电动调节阀的开度来实现水温的控制，装置更为简单易实现且成本较低。

本发明具有如下特点：

1.本发明具有模糊逻辑推理能力以及对模拟量和输出量的控制功能；

2.本发明采用80C552型单片机，因此能与Intel公司的MCS-51系列产品完全兼容，并且具有内部A/D转换器、较多中断源等MCS-51单片机所不具备的性能；

3.本发明采用模糊算法实现水温控制。

本发明通过温度传感器对水温信号进行提取、通过模糊控制算法进行水温的控制运算、并将运算的控制指令传输给电动调节阀，以进行水温的加热或制冷的控制，并最终实现水温的控制。系统硬件选用80C552型单片机联合系统扩展、前向通道、后向通道与PC机串行通讯组成模糊控制器；采用SIO₀全双工异步通讯口实现与PC机的串行通讯功能。

与常规的水温控制器相比，本发明所考虑的被控对象范围更加广泛，因此具有较强的适用性，同时系统结构简单且造价低廉。

附图说明

图1基于80C552型单片机的模糊水温控制器的硬件组成。

图2基于80C552型单片机的模糊水温控制器前向通道电路原理图。

图3（a）-图3（b）基于80C552型单片机的模糊水温控制器后向通道电路原理图。

图4基于80C552型单片机的模糊水温控制器“∧-∨”模糊推理示意图。

图5（a）-图5（c）水温偏差、水温偏差变化量及控制量的隶属函数。

图6基于80C552型单片机的模糊水温控制器控制算法原理框图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述，需要说明的是该系统所用的80C552型单片机为常规型号，并且复位电路、电源电路及时钟模块等的电路连接均为典型电路连接故不再对其原理图进行描述：

1.本发明采用80C552型单片机作为硬件核心，联合前向通道模块、后向通道模块、系统扩展模块及串行通讯模块组成模糊水温控制器的硬件系统。结合附图1，附图1所示为基于80C552型单片机的模糊水温控制器的硬件设计组成。为了使当前检测的水温信号输出到单片机数据总线中，设计了前向通道模块，包括信号采集、I/V转换、阻容滤波、A/D转换、数字滤波及标度变换等；为了将控制信号输出到电动调节阀以实现水温的调节，设计了后向通道模块，包含开关量控制通道和模拟量控制通道；为了弥补了80C552型单片机仅有内部RAM而无内部ROM的缺陷，设计了系统扩展模块，包括外扩64Kbyte的程序存储器EPROM（27512）和8K字节的外部数据存储器RAM（6264），系统定时和数据掉电保护电路采用时钟芯片DS1216。

2.本发明为使当前检测的水温信号输出到单片机数据总线中，设计了前向通道模块，并在其检测模块中设置了可以提高信噪比的RC容阻滤波器。结合附图2，附图2所示为基于80C552型单片机的模糊水温控制器前向通道电路原理图，其中80C552单片机内部有一个A/D转换器，不需外设A/D转换器，并且80C552的P₅口为专门的A/D转换输入通道，控制器前向通道设为8路，不再扩展。基于80C552型单片机的模糊水温控制器要求传感器的输出为4～20mA电流信号。由250Ω高密电阻完成I/V的转换，得到80C552型单片机所要求的0～5V电压。在检测模块中，常常有来自环境的高频噪声干扰，为了提高信号的信噪比，本发明在前向通道中设置了RC容阻滤波器。

各元件间连接方式如下：电源POWER的正、负极分别于80C552型单片机的AV_ss、AV_dd管脚相接，且将电容C₁与POWER并联；80C552型单片机的STADC管脚接地；80C552型单片机的P5.0管脚与一个RC容阻滤波器相接，该RC阻容滤波器由一端接地、另一端接P5.0管脚的电容C₂及一端接信号采集装置、另一端接接P5.0管脚的电阻R₁组成，同时RC容阻滤波器的另一端与高密电阻R₂相连，R₂另一端接地，80C552型单片机的P5.1～P5.7管脚都分别与一个RC容阻滤波器相接，且每个RC容阻滤波器均与一个高密电阻相连，连接方法均与上述方法相同，不再赘述，其中与P5.1管脚相接的RC容阻滤波器由电阻R₃、电容C₃组成，与RC容阻滤波器相连的高密电阻为R₄，与P5.2管脚相接的RC容阻滤波器由电阻R₅、电容C₄组成，与RC容阻滤波器相连的高密电阻为R₆，与P5.3管脚相接的RC容阻滤波器由电阻R₇、电容C₅组成，与RC容阻滤波器相连的高密电阻为R₈，与P5.4管脚相接的RC容阻滤波器由电阻R₉、电容C₆组成，与RC容阻滤波器相连的高密电阻为R₁₀，与P5.5管脚相接的RC容阻滤波器由电阻R₁₁、电容C₇组成，与RC容阻滤波器相连的高密电阻为R₁₂，与P5.6管脚相接的RC容阻滤波器由电阻R₁₃、电容C₈组成，与RC容阻滤波器相连的高密电阻为R₁₄，与P5.7管脚相接的RC容阻滤波器由电阻R₁₅、电容C₉组成，与RC容阻滤波器相连的高密电阻为R₁₆。各元件参数选取如下：R₂=R₆=R₁₀=R₁₄=250Ω，R₁=R₃=R₅=R₇=R₉=R₁₁=R₁₃=R₁₅=10KΩ，C₁=2500μf，C₂=C₃=C₄=C₅=C₆=C₇=C₈=C₉=1592μf，POWER取0～+5V。

3.本发明为将控制信号输出到电动调节阀以实现水温的调节，设计了后向通道模块，并针对输出功率信号较小的问题在后向通道模块中加入了功率放大模块。结合附图3，附图3所示为基于80C552型单片机的模糊水温控制器后向通道电路原理图。后向通道是对控制对象实现控制操作的输出通道，根据单片机的输出和被控对象对控制信号的要求，它具备小信号输出、大功率控制的特点。由于单片机输出功率有限，不能直接输出被控对象所要求的功率信号，因此本发明加入了功率放大模块。附图3（a）所示开关量控制通道是由P4.0～P4.5、反相驱动器7406和外接固态继电器组成。其中7406含有6个集电极开路输出的反相驱动器，驱动电流为40mA。在使用时外界集电极上拉电阻R₂₁，如附图3（b）所示。光电耦合器输入端的电流一般为10～15mA，发光二极管压降约为1.2～1.5V，以此确定R₂₂阻值为

其中，V_cc为5V电源电压，V_F为输入端发光二极管压降，取1.5V，V_CS为7406压降，取0.5V，I_F为输入电流，取0.015A。固态继电器的作用为通过自身光电隔离实现开关量控制通道的信号隔离。OUT₀～OUT₅为6个开关量输出信号。

各元件间连接方式如下：80C552型单片机的管脚P4.0～P4.5分别与7406的管脚A₁～A₆相接，7406的GND管脚接地，V_cc管脚接+5V电源，7406的Y₁管脚通过一个反相器与电阻R₂₃、R₂₉相连，R₂₃另一端与OUT₀相接，R₂₉另一端与+5V电源相接；7406的Y₂管脚通过一个反相器与电阻R₂₄、R₃₀相连，R₂₄另一端与OUT₁相接，R₃₀另一端与+5V电源相接；7406的Y₃管脚通过一个反相器与电阻R₂₅、R₃₁相连，R₂₅另一端与OUT₂相接，R₃₁另一端与+5V电源相接；7406的Y₄管脚通过一个反相器与电阻R₂₆、R₃₂相连，R₂₆另一端与OUT₃相接，R₃₂另一端与+5V电源相接；7406的Y₅管脚通过一个反相器与电阻R₂₇、R₃₃相连，R₂₇另一端与OUT₄相接，R₃₃另一端与+5V电源相接；7406的Y₆管脚通过一个反相器与电阻R₂₈、R₃₄相连，R₂₈另一端与OUT₅相接，R₃₄另一端与+5V电源相接。OUT₀～OUT₅的另一端均接+5V电源。

4.本发明采用∧-∨”模糊推理算法进行水温的控制，在被控对象的数学模型无法获取时也可以对其进行控制。结合附图4，附图4所示为基于80C552型单片机的模糊水温控制器“∧-∨”模糊推理示意图。具体分为以下步骤进行：

步骤一，确定控制量及偏差。本发明中，控制量为电动调节阀开度，偏差为水温偏差；

步骤二，定义变量的论域。本发明中，控制量θ变化范围为[0，10]mm，对应的直流电压信号为[0，10]V，对应的D/A转换器DAC0832的输入为[00H，FFH]，因此，控制量论域为[00H，FFH]，该论域以80H为中心；水温偏差Δ变化范围定为[-2，2]℃，对于10位A/D转换结果，该论域用有符号十六进制数表示为[EBH，16H]，为便于计算，将其转换成以80H为中心的无符号十六进制区间[6bH，96H]；水温偏差变化量

变化范围定为[-1，1]℃，对应有符号十六进制数为[F5H，0BH]，同样地，将其表示为以80H为中心的无符号十六进制区间[75H，8BH]；

步骤三，确定隶属函数。本发明中，控制量θ、水温偏差

及水温偏差变化量

的隶属函数如图5所示。

上述隶属函数的中心值如表1所示，根据各中心值经过线性插值即可计算出偏差和偏差变化量的隶属度，也可对控制量进行反模糊化；

表1隶属函数的中心值

步骤四，真值的产生与传递。设实测量

作用的模糊子集分别为A₁′、A₂′和B₁′、B₂′，

和

对各自作用模糊子集的隶属度分别为

和

相应的作用模糊控制规则为R′_i(i=1,2,3,4)，实测量

对其作用模糊控制规则前件的真值为

上述各真值沿各自作用模糊控制规律传给后件；

步骤五，真值的接收设作用模糊控制规则的后件为C′_i(i=1,2,3,4)，当控制量模糊子集的隶属函数用单点模糊集表示（如表2所示）时，θ^*的作用模糊子集C′_i可表示为C′_i=[C′_i(θ₁),C′_i(θ₂),...,C′_i(θ₇)]，其中，C′_i(θ_j)为表2中的隶属度，θ_j(j=1,2,...,7)为第j个模糊子集的中心值。

表2控制量模糊子集的单点隶属函数表

θ^*的作用模糊子集接收前件传来的真值V_i(θ^*)，除作用模糊子集编码位置处的隶属度不为0外，其余均为0，记作

其中C′_i(θ_j)>0。

步骤六，反模糊化，采用重心进行反模糊化。

5.本发明将初始水温与设定水温作为输入，调节后的实际水温作为输出，设计了电动阀控制模型及基于模糊推理的水温控制器以实现水温的控制。结合附图6，附图6所示为基于80C552型单片机的模糊水温控制器控制算法原理框图，图中u₀为初始水温，

为控制后实际水温，θ₀为设定水温，

为水温偏差，θ为电动调节阀的开度。将初始水温u₀、设定水温θ₀及控制后实际水温

作为电动调节阀控制模型的输入，通过控制电动调节阀的开度来实现水温控制。将控制后的实际水温

与设定水温θ₀相比较，其偏差量

与电动调节阀开度值θ作为基于模糊推理的水温控制器的输入，对其进行模糊推理后，得到控制后的实际水温通过不断反馈的过程对水温进行不断修正，以达到预期设定温度。

Claims (4)

1.一种基于80C552型单片机的模糊水温控制器，其特征是：包括80C552型单片机，还包括与80C552型单片机互联的前向通道模块、后向通道模块、系统扩展模块及串行通讯模块；

所述前向通道模块的组成包括：80C552型单片机的AV_ss、AV_dd管脚接电源POWER，第一电容C₁与POWER并联，80C552型单片机的P5.0～P5.7管脚分别与一个RC容阻滤波器相接；

所述后向通道模块的组成包括：80C552型单片机的P4.0～P4.5管脚分别与7406的管脚A₁～A₆相接，7406的GND管脚接地，7406的V_cc管脚接+5V电源，7406的Y₁～Y₆管脚分别通过一个反相器与两个电阻相连，其中一个电阻的另一端与固态继电器相接，另一个电阻的另一端与+5V电源相接。

2.根据权利要求1所述的基于80C552型单片机的模糊水温控制器，其特征是：所述系统扩展模块包括外扩64Kbyte的程序存储器EPROM27512和8K字节的外部数据存储器RAM6264，系统定时和数据掉电保护电路采用时钟芯片DS1216。

3.一种基于80C552型单片机的模糊水温控制方法，其特征是：将初始水温u₀、设定水温θ₀及控制后实际水温

作为电动调节阀控制模型的输入，通过控制电动调节阀的开度来实现水温控制；将控制后的实际水温

与设定水温θ₀相比较，其偏差量Δ

与电动调节阀开度值θ作为基于模糊推理的水温控制器的输入，对其进行模糊推理后，得到控制后的实际水温

通过不断反馈的过程对水温进行不断修正至达到预期设定温度。

4.根据权利要求3所述的基于80C552型单片机的模糊水温控制方法，其特征是所述模糊推理具体分为以下步骤：

步骤一，确定控制量及偏差，控制量为电动调节阀开度，偏差为水温偏差；

步骤二，定义变量的论域，控制量θ变化范围为[0，10]mm，对应的直流电压信号为[0，10]V，对应的D/A转换器DAC0832的输入为[00H，FFH]，控制量论域为[00H，FFH]；

步骤三，确定隶属函数，根据隶属函数的中心值经过线性插值计算出偏差和偏差变化量的隶属度，或对控制量进行反模糊化；

步骤四，真值的产生与传递，设实测量

作用的模糊子集分别为A₁′、A₂′和B₁′、B₂′，

和

对各自作用模糊子集的隶属度分别为

和

相应的作用模糊控制规则为R′_i(i=1,2,3,4)，实测量对其作用模糊控制规则前件的真值为

上述各真值沿各自作用模糊控制规律传给后件；

步骤五，真值的接收设作用模糊控制规则的后件为C′_i(i=1,2,3,4)，当控制量模糊子集的隶属函数用单点模糊集表示时，θ^*的作用模糊子集C′_i可表示为C′_i=[C′_i(θ₁),C′_i(θ₂),...,C′_i(θ₇)]，其中，C′_i(θ_j)为隶属度，θ_j(j=1,2,...,7)为第j个模糊子集的中心值；

θ^*的作用模糊子集接收前件传来的真值V_i(θ^*)，除作用模糊子集编码位置处的隶属度不为0外，其余均为0，记作

其中C′_i(θ_j)>0；

步骤六，反模糊化，采用重心进行反模糊化。

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