基于MCU的水溫智控系統設計

董雷剛　蔡朝暉　崔曉微　馬英瑞　李梓　董驍

摘要：以STC89C52單片機為核心，采用模糊控制算法設計了一種溫度控制系統，包括模塊控制的主要構成、系統參數及，硬件模塊和相應的軟件模塊，該溫控系統可實現對溫度的有效控制。

關鍵詞：MCU;模糊控制;溫控系統

模糊控制作為以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制，其主要特點是能表示出常識及規則，且可以用語言來表述上述內容。如“溫度上升過快，則稍微降低升溫速度”就是一種基于經驗表達的語言。模糊控制實質上是用計算機去執行操作人員的控制策略，因而可以避開較復雜的數學理論，從而具有比較理想的控制狀態。文章將MCU與模塊控制理論相聯系，設計一種模糊溫控系統。

1模糊控制器設計

1.1基本結構

作為模糊控制系統的核心，模糊控制器的選擇至關重要。為了對溫度實現穩定且精確的控制，我們采用二維模糊控制器，通過計算設定溫度與當前溫度的差值e，以及溫度誤差變化量ec，并對這兩類數據實施模糊化計算，從而獲得其隸屬度，并推導出模糊推理的輸入EC和E。然后，制定基于以往操作的控制量表格，并以IF-THEN的格式在規則庫中進行存儲，從而在實施控制過程中對模糊推理進行查詢。然后對于輸出量采用模糊判決處理，獲得對應的控制參數信息，再通過去模糊化的方式對控制參數進行計算，進而獲得精確值用于實際控制過程，使受控溫度得到有效調節。

1.2確定輸入/出變量

模糊控制器采用雙input和單output模式。Input包括：變化前的水溫、自定義的偏差和溫度變化率;output：加熱時間的提前量。

溫控系統的控制器Input的語句值設定為5個，分別為NB（負大）、NS（負?。?，Z（零）、PS（正?。?，PB（正大）。相應的論域為：溫度誤差E={-2，-1，0，1，2}，溫度誤差變化率EC={-2，-1，0，1，2}。輸出控制量U的語言值也設定為5個，論域為U={-2，-1，0，1，2}。

1.3確定控制規則

模糊控制規則一般采用表格的方式進行描述，其實就是通過對控制過程進行推理總結，從而產生模糊條件語句。通常情況下，對于雙input單output類型的控制系統，會使用“if A and B then C”語句來表示。例如，當溫度誤差為正的前提下，當誤差為正大且誤差變化為負時，則表示誤差在逐步減小，故要設置較小的控制量。如果誤差變化為正大，就不能增大控制量，以免會導致正誤差，故應該設置控制量變化為負大。當誤差為正小時，整個控制系統比較平穩。當誤差變化為正，則要設置控制量變化為負大，從而調整誤差方向;當誤差變化為負時，這只控制量變化為正小?？傊?，控制量的選取要以趨向平穩為主，目的是讓控制系統更穩定。

1.4模糊判決及清晰化

根據表1的控制規則，按下面兩個式子進行模糊推理：

uRk（ U）=min{uEi（E），uEcj（Ec），uUk（ U）}

uRk（ U）=max{uRk（ U）}

采用下面的公式進行加權平均判決計算，對每個模糊子集R進行清晰化，得出對應于每組E、EC的U，并對計算值進行優化。

2系統硬件設計

溫控系統基于STC89C52處理器芯片，采用模糊控制方法實現溫度調整。主要硬件是電阻爐，加熱功率1000W，電壓0～220V（AC），溫度范圍為常溫～100oC，控制精細度為±2oC。

整個系統分為五個模塊：MCU模塊、顯示模塊、溫度檢測通道、按鍵模塊、輸出控制通道。通過安靜模塊設定要控制的溫度，數值會在LCD上顯示出來，然后溫度傳感器也將測得的溫度顯示在LCD上。接下來，對于當前溫度和預定溫度的差值，采用模塊控制理論，通過PWM信號控制繼電器的通電時間，從而控制加熱器的平均加熱功率，最終達到控制水溫的效果。

3系統軟件設計

程序采用的是中斷方式，主程序首先進行單片機最小系統和各外部設備的初始化，然后根據功能鍵SET判斷接下來的工作方式，當定時器完成計數時產生中斷。在中斷服務程序中，實現對溫度的讀取和顯示，并根據讀取的溫度值進行模糊運算，從而得到控制結果來實現對水溫的控制。

4總結

本文介紹了一種采用模糊控制技術實現控制水溫的系統。系統采用單片機為核心，通過傳感器得到水的溫度，并運用模糊控制方法將輸出控制結果作用于加熱裝置，從而實現對水溫的模糊控制。該方法以提高控制的實時性、穩定性和精確度，并且實現了操作過程的簡化。

參考文獻：

[1]任新瑞，馬立新.負荷跟蹤型主蒸汽溫度智能控制系統研究[J].控制工程：1-7[2021-03-26].

[2]林芳.基于單片機的電爐溫度控制系統設計與優化分析[J].電子測試，2019（24）：12-13.

[3]莫中凱.基于單片機的鍍液溫度智能控制系統設計方法淺談[J].電子測試，2018（19）：21-22.

[4]張少杰.基于模糊PID的電熱爐溫度智能控制系統[J].科技與創新，2018（13）：96-97.

[5]李巧俠.基于嵌入式系統的智能溫度控制研究[J].微型電腦應用，2018，34（10）：84-86.

基金項目：黑龍江自然科學基金項目（LH2019F039）。