基于MCU的水温智控系统设计

董雷刚　蔡朝晖　崔晓微　马英瑞　李梓　董骁

摘要：以STC89C52单片机为核心，采用模糊控制算法设计了一种温度控制系统，包括模块控制的主要构成、系统参数及，硬件模块和相应的软件模块，该温控系统可实现对温度的有效控制。

关键词：MCU;模糊控制;温控系统

模糊控制作为以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制，其主要特点是能表示出常识及规则，且可以用语言来表述上述内容。如“温度上升过快，则稍微降低升温速度”就是一种基于经验表达的语言。模糊控制实质上是用计算机去执行操作人员的控制策略，因而可以避开较复杂的数学理论，从而具有比较理想的控制状态。文章将MCU与模块控制理论相联系，设计一种模糊温控系统。

1模糊控制器设计

1.1基本结构

作为模糊控制系统的核心，模糊控制器的选择至关重要。为了对温度实现稳定且精确的控制，我们采用二维模糊控制器，通过计算设定温度与当前温度的差值e，以及温度误差变化量ec，并对这两类数据实施模糊化计算，从而获得其隶属度，并推导出模糊推理的输入EC和E。然后，制定基于以往操作的控制量表格，并以IF-THEN的格式在规则库中进行存储，从而在实施控制过程中对模糊推理进行查询。然后对于输出量采用模糊判决处理，获得对应的控制参数信息，再通过去模糊化的方式对控制参数进行计算，进而获得精确值用于实际控制过程，使受控温度得到有效调节。

1.2确定输入/出变量

模糊控制器采用双input和单output模式。Input包括：变化前的水温、自定义的偏差和温度变化率;output：加热时间的提前量。

温控系统的控制器Input的语句值设定为5个，分别为NB（负大）、NS（负小），Z（零）、PS（正小），PB（正大）。相应的论域为：温度误差E={-2，-1，0，1，2}，温度误差变化率EC={-2，-1，0，1，2}。输出控制量U的语言值也设定为5个，论域为U={-2，-1，0，1，2}。

1.3确定控制规则

模糊控制规则一般采用表格的方式进行描述，其实就是通过对控制过程进行推理总结，从而产生模糊条件语句。通常情况下，对于双input单output类型的控制系统，会使用“if A and B then C”语句来表示。例如，当温度误差为正的前提下，当误差为正大且误差变化为负时，则表示误差在逐步减小，故要设置较小的控制量。如果误差变化为正大，就不能增大控制量，以免会导致正误差，故应该设置控制量变化为负大。当误差为正小时，整个控制系统比较平稳。当误差变化为正，则要设置控制量变化为负大，从而调整误差方向;当误差变化为负时，这只控制量变化为正小。总之，控制量的选取要以趋向平稳为主，目的是让控制系统更稳定。

1.4模糊判决及清晰化

根据表1的控制规则，按下面两个式子进行模糊推理：

uRk（ U）=min{uEi（E），uEcj（Ec），uUk（ U）}

uRk（ U）=max{uRk（ U）}

采用下面的公式进行加权平均判决计算，对每个模糊子集R进行清晰化，得出对应于每组E、EC的U，并对计算值进行优化。

2系统硬件设计

温控系统基于STC89C52处理器芯片，采用模糊控制方法实现温度调整。主要硬件是电阻炉，加热功率1000W，电压0～220V（AC），温度范围为常温～100oC，控制精细度为±2oC。

整个系统分为五个模块：MCU模块、显示模块、温度检测通道、按键模块、输出控制通道。通过安静模块设定要控制的温度，数值会在LCD上显示出来，然后温度传感器也将测得的温度显示在LCD上。接下来，对于当前温度和预定温度的差值，采用模块控制理论，通过PWM信号控制继电器的通电时间，从而控制加热器的平均加热功率，最终达到控制水温的效果。

3系统软件设计

程序采用的是中断方式，主程序首先进行单片机最小系统和各外部设备的初始化，然后根据功能键SET判断接下来的工作方式，当定时器完成计数时产生中断。在中断服务程序中，实现对温度的读取和显示，并根据读取的温度值进行模糊运算，从而得到控制结果来实现对水温的控制。

4总结

本文介绍了一种采用模糊控制技术实现控制水温的系统。系统采用单片机为核心，通过传感器得到水的温度，并运用模糊控制方法将输出控制结果作用于加热装置，从而实现对水温的模糊控制。该方法以提高控制的实时性、稳定性和精确度，并且实现了操作过程的简化。

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基金项目：黑龙江自然科学基金项目（LH2019F039）。