【導(dǎo)讀】溫度控制，在工業(yè)自動(dòng)化控制中占有非常重要的地位。將模糊控制方法運(yùn)用到溫度。礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。提出了一種完全不同于傳統(tǒng)數(shù)學(xué)與控制理論的模糊集合理論。在短短的30年里,以模糊。在現(xiàn)今的模糊控制領(lǐng)域中，經(jīng)典模糊控制理論已經(jīng)在很多方面取得了一大批有實(shí)?？刂埔驳玫搅讼鄳?yīng)的改善，如模糊集成系統(tǒng)、模糊自適應(yīng)系統(tǒng)、神經(jīng)模糊控制等。出爐的鋼鐵進(jìn)行熱處理，才能達(dá)到性能指標(biāo)，塑料的定型過(guò)程中也要保持一定的溫度［2］。設(shè)計(jì)一個(gè)基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)具體化技術(shù)指標(biāo)如下。模糊集合的引入可將人的判斷、合人類思維方式的處理成為可能，為經(jīng)典模糊控制器的形成奠定了基礎(chǔ)［３］。以后，各大學(xué)相繼招開模糊控制的國(guó)際學(xué)術(shù)交流會(huì)，大大促進(jìn)了模糊控制的發(fā)展。整模糊系統(tǒng)方面的研究受到各國(guó)學(xué)者的重視。目前，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)相互結(jié)。圍，或者在不同程度上具有某種特有屬性的所有元素的總和稱為模糊集合。

　　

【正文】 缺的作用。在硬件的實(shí)現(xiàn)上，采用串行接口，由一個(gè) 74HC164，其 8 個(gè)輸出口作為矩陣鍵盤的列線，再由89C2051 的 、 作為行線組成，每根線上都加一個(gè)上拉電阻，用于減小干擾。整個(gè)鍵盤共設(shè) 16 個(gè)鍵，見圖 。其鍵名和功能如表 。 圖 顯示電路 圖 鍵盤電路 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 29 鍵 名 個(gè)數(shù) (標(biāo)號(hào) ) 功 能 數(shù)字鍵 10（ 0~9） 輸入 0~100℃的溫度數(shù)值，不設(shè)小數(shù)，但可顯示。 下限溫度 1（ 15） 設(shè)定上限溫度，正常顯示時(shí)輸入有限，數(shù)據(jù)輸入時(shí)無(wú)效，且報(bào)錯(cuò) 上限溫度 1（ 14） 設(shè)定 下限溫度，正常顯示時(shí)輸入有限，數(shù)據(jù)輸入時(shí)無(wú)效，且報(bào)錯(cuò) 設(shè)定恒溫 1（ 13） 設(shè)定恒溫溫度，正常顯示時(shí)輸入有限，數(shù)據(jù)輸入時(shí)無(wú)效，且報(bào)錯(cuò) 停機(jī)鍵 1（ 11） 使其停止加熱，正常顯示時(shí)有限，停機(jī)時(shí)停止顯示，停止測(cè)量。 確認(rèn)鍵 1（ 10） 確定輸入的數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)時(shí)有效，其它情況下報(bào)警。 下翻 1（ 12） 循環(huán)顯示設(shè)定、上限、下限溫度，按下顯示 2 秒，不按則顯示溫度 3 報(bào)警電路 為使系統(tǒng)的人機(jī)交互界面更好，設(shè)置了兩路報(bào)警信號(hào)，分別為兩路紅色的發(fā)光二極管，用于顯示越限報(bào)警和誤輸入報(bào)警。 當(dāng)電爐中水 溫高于工作人員所設(shè)定的上限溫度或者低于設(shè)定的下限溫度時(shí)，則認(rèn)為發(fā)生了越限，越限報(bào)警燈 (LED1)點(diǎn)亮，提示操作出現(xiàn)了越限報(bào)警，提醒工作人員注意是否有意外情況發(fā)生。值得一提的是，當(dāng)系統(tǒng)從低溫開始加熱，到下限溫度以前系統(tǒng)都會(huì)出現(xiàn)越限報(bào)警。當(dāng)出現(xiàn)越限報(bào)警時(shí)，工作人員應(yīng)該注意是不是此種情況，此情況可以忽略。 誤輸入報(bào)警 (LED2)主要用于鍵盤管理中，當(dāng)用鍵盤進(jìn)行恒溫設(shè)定、上、下限溫度設(shè)定時(shí)工作人員如果沒(méi)有按說(shuō)明中所要求的步驟進(jìn)行操作的話就是所謂的誤操作。當(dāng)出現(xiàn)誤操作時(shí)誤輸入報(bào)警燈點(diǎn)亮，此時(shí)工作人員應(yīng)進(jìn)行輸入檢查，查 看說(shuō)明并更正。 越限報(bào)警和誤輸入報(bào)警分別由 和 口引出，其表 鍵盤設(shè)置與功能設(shè)定 圖 報(bào)警電路 R9200R10200LED1LED2 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 30 上接的電阻為限流電阻，用于防止電流過(guò)大而引起的發(fā)光二極管燒毀 [12]。 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)為一個(gè)固態(tài)繼電器，程序中采用了模擬的 PWM 變換方法。通過(guò)控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通與關(guān)斷達(dá)到控制電爐的通電和斷電的目的 ［ 5］ 。 R 12R E S 122 0V ~ A C1122S3熱電偶D D Z O U TM2DD Z 2型 熱電偶變送器D S 6O P T O T R I A C4電網(wǎng)R 13100O P E125x p 2C 140. 1U F 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的軟件部分以主程序?yàn)槿肟?，在初始化之后調(diào)用鍵盤管理程序，完成對(duì)鍵盤的掃描，讀入鍵值，并根據(jù)相應(yīng)的鍵值進(jìn)行各類操作。溫度采樣頻率由定時(shí)器控制，在每一次采樣完成之后進(jìn)行模糊控制時(shí)間的計(jì)算和顯示 刷新。 主程序 主程序作為程序的入口，控制各類程序的調(diào)用。在系統(tǒng)中其主要的任務(wù)是調(diào)用鍵盤管理程序。然后其它的功能都由鍵盤管理程序和中斷程序完成。可以說(shuō)主程序起到了重啟動(dòng)后讀入E2PROM 中的設(shè)計(jì)溫度和上、下限溫度；設(shè)計(jì)各類定時(shí)器和開中斷的，并調(diào)用鍵盤管理程序的功能。但這樣處理主程序起到了分散功能的作用，即主程序會(huì)變得很容易編寫，而具體的功能都由功能子程序完成。 圖 執(zhí)行器圖 開始 初始化，開中斷 移入設(shè)定值并顯示 調(diào)用鍵盤管理子程序 結(jié)束 圖 主程序流程 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 31 主程序流程如圖 所示。具體程序見附錄 B。 串行 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的驅(qū)動(dòng)和其輸出值的量化 1 TLC2551 的驅(qū)動(dòng) 前面已經(jīng)說(shuō) 明系統(tǒng)中采用的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片是串行的，所以我們?cè)谑褂闷鋾r(shí)必須按照其時(shí)序一步步的完成，其時(shí)序圖如圖 所示。 從圖上可以看出 A/D 轉(zhuǎn)換的最高位數(shù)據(jù)在 CS 變低以后的第二個(gè)脈沖開始出現(xiàn)，而TLC2551 為 12 位，即其轉(zhuǎn)換結(jié)果在第 14 脈沖時(shí)完全從 TLC2551 出來(lái)進(jìn)入到單片機(jī)內(nèi)部。其使用過(guò)程為先置 CS 為低，將其選通，然后一直發(fā) 14 個(gè)脈沖，從第 2 個(gè)到第 5個(gè)脈沖后將 A/D 轉(zhuǎn)換值存儲(chǔ)于轉(zhuǎn)換結(jié)果的高字節(jié)，從第 6個(gè)到 13個(gè)時(shí)將其值存入到轉(zhuǎn)換結(jié)果的低字節(jié)。其程序見附錄 B。 2 A/D 轉(zhuǎn)換值到溫度的量化子程序 由前面硬件部分的說(shuō)明可以得出，設(shè)計(jì)要求的A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果跟溫度值的關(guān)系是： A/D 值 =溫度 10。正如前面說(shuō)所 ,由于變送器的限制 ,我們只能將 0℃時(shí)所對(duì)應(yīng)的變送器輸出為 ,而 100℃時(shí)對(duì)應(yīng)的變送器輸出是 。而將這些值通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后結(jié)果剛好為 1000 和 2021。要達(dá)到上面所述的關(guān)系，只要將圖 TLC2551的時(shí)序圖 圖 A/D轉(zhuǎn)換和量化流程圖 入口 啟動(dòng) A/D，讀入數(shù)值 A/D 值－ 1000 計(jì)算出溫度值 返回 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 32 A/D 轉(zhuǎn)換值減去 1000 即可滿足。 其量化順序?yàn)椋鹤x入 A/D 轉(zhuǎn)換值、用二進(jìn)制無(wú)符號(hào)除法將轉(zhuǎn)換值減去 1000，再將其結(jié)果用二進(jìn)制無(wú)符號(hào)數(shù)除法除 [13]以 10，取商和余數(shù)。分別作為溫度 的整數(shù)部分和小數(shù)部分，用于四位溫度顯示。 流程圖如圖 所示。其程序見附錄 B。 片外 I2C E2PROM 驅(qū)動(dòng)子程序和空間分布 E2PROM 的作用已在前面說(shuō)明，其內(nèi)部用連續(xù)的 7 個(gè)字節(jié)分別用于存儲(chǔ)首次開機(jī)標(biāo)志、設(shè)定溫度、上限溫度和下限溫度。其中標(biāo)志占一個(gè)字節(jié)，其余各占 2 個(gè)字節(jié)。其時(shí)序圖如圖 從上圖我們很容易看出 I2C 總線的時(shí)序。使用時(shí)最開始發(fā)起始位，然后是器件地址，接著是從地址、數(shù)據(jù)最后是結(jié)束位，中間還夾 著應(yīng)答位。 AT2401 在電路中的器件地址為 1010000（前 4 位為 I2C 協(xié)議規(guī)定的 E2PROM 的地址，后 3 位為其類地址，由圖 可知其類地址為 000）。因?yàn)橹挥玫搅似渲械?10H~16H 單元，其余單元空閑，所以SUBADD（圖中的第二個(gè) ADDESS）為 00000010。其讀寫程序見附錄 B。 溫度及設(shè)定值的顯示子程序 要顯示的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于連續(xù)的四個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之中。由圖 可知其采用了串行口方式 0，所以要用時(shí)只要將串行口設(shè)置為方式 0，然后在脈沖的配合下從高位到低位一個(gè)個(gè)的移入 SUBF 寄存器中即可。其要 顯示的數(shù)據(jù)共四位位于從 TEMPDATA 開始的四個(gè)連續(xù)存儲(chǔ)空間中。流程如圖 ，具體程序見附錄 B。 圖 I2C總線的時(shí)序圖 ［ 9］ 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 33 鍵盤管理子程序 鍵盤管理程序包括鍵盤掃描程序（用于將輸入的鍵值讀入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中）、鍵值判斷轉(zhuǎn)移程序（判斷輸入的數(shù)值并根據(jù)數(shù)值的異同做出相應(yīng)的處理）。 1 鍵盤掃描子程序 由圖 可知同顯示接口一樣，鍵盤接口同樣使用了串行口的方式 0。當(dāng)檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，程序?qū)z測(cè)是在第 0 行或者是在第 1 行，然后通過(guò)串行輸出不同的列值來(lái)掃描按下的鍵在哪一列。最后將鍵值讀入到 keyboard 存儲(chǔ)器中。鍵值 =行值 8+列值。 2 鍵值判斷轉(zhuǎn)移子程序 由硬件部分可知鍵盤中除了幾個(gè)數(shù)字鍵外，還有幾個(gè)功能鍵。此程序用于判斷輸入的鍵是功能鍵還是數(shù)字鍵，如果是功能鍵則選擇相應(yīng)的功能或者在誤輸入的情況下報(bào)警，提醒操作者。其流程圖見圖 鍵盤管理程序見附錄 B。 圖 鍵盤管理程序流程 調(diào)用功能鍵處理程序 Y 入口 將二進(jìn)制數(shù)化為小數(shù)、個(gè)、十、百四位數(shù)，存儲(chǔ)于四個(gè)單元中 設(shè)置串行口 到個(gè)位？ 輸出顯示 置 小數(shù)點(diǎn) N 到四位？ 報(bào)錯(cuò) 入口 有輸入？ 清緩沖區(qū) 功能鍵 ? N N Y Y 圖 顯示程序流程 返回 返回 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 34 定時(shí)中斷應(yīng)答子程序 1 定時(shí)中斷 0 中斷服務(wù)子程序 定時(shí)中斷 0 用于等周期的進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換（即溫度的采樣點(diǎn)數(shù)固定），并將采樣后的值作為模糊輸入量，再由模糊控制程序?qū)崿F(xiàn)由輸入量到輸出量的計(jì)算，再將計(jì)算出的控制量存儲(chǔ)在 fuzztime 寄存器中 。并調(diào)用顯示程序刷新當(dāng)前系統(tǒng)的溫度。整個(gè)程序?yàn)轫樞驁?zhí)行。流程圖如圖 ，具體程序見附錄 B。 2 定時(shí)器 1 中斷服務(wù)子程序 同定時(shí)器 0 類似，定時(shí)器實(shí)現(xiàn)了模擬的 PWM 變換。即定時(shí)器 1 中存在一個(gè)周期時(shí)間（為 20MS）。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)定時(shí)器 1 在 fuzztime 個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)將執(zhí)行器通電，使加熱器加熱，其余的周期時(shí)間（ 20fuzztime） 執(zhí)行器不通電。 整個(gè)程序采用順序執(zhí)行，流程圖如圖 。具體程序見附錄 B。 圖 定時(shí)中斷 0服務(wù)程序流程圖 中斷入口 存儲(chǔ)斷點(diǎn) A/D 轉(zhuǎn)換 模糊運(yùn)算 顯示刷新 返回 輸出 20fuzztime 個(gè)負(fù)周期 中斷入口 輸出 fuzztime 個(gè)正周期 圖 定時(shí)中斷 1服務(wù)程序的流程圖 返回 重置計(jì)數(shù)器 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 35 模糊運(yùn)算子程序 模糊運(yùn)算程序?qū)崿F(xiàn)了由 A/D 轉(zhuǎn)換值到模糊控制值的運(yùn)算。其中包含了求差量化 和查模糊表等子程序。 偏差 e =現(xiàn)行溫度值─設(shè)定溫度值，其模糊集合可以表示為 {負(fù)大（ NB）、負(fù)?。?NS）、零（ Z0）、正?。?PS）、正大（ PB） }并將其大小量化為九個(gè)等級(jí)： 4， 3， 2， 1， 0，+1， +2， +3， +4。其論域 E 為 E={4， 3， 2， 1， 0， +1， +2， +3， +4}。 為簡(jiǎn)化運(yùn)算，可將控制量 U的大小也量化成上述九個(gè)等級(jí)若根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，這些模糊集的隸屬度量化為如表 ： 4 3 2 1 0 +1 +2 +3 +4 PB 0 0 0 0 0 1 1 PS 0 0 0 1 0 ZO 0 0 1 0 0 NS 0 1 0 0 0 0 NB 1 1 0 0 0 0 0 根據(jù)熟練操作人員手工控制經(jīng)驗(yàn)，模糊控制規(guī)則如下： 1） IF E=NB THEN U=PB 2） IF E=NS THEN U=PS 3） IF E=ZO THEN U=ZO 4） IF E=PS THEN U=NS 5） IF E=PB THEN U=NB 上述模糊控制規(guī)則為一多重模糊條件語(yǔ)句，可用誤差論域 E 到控制量論域 U的模糊關(guān)系 R 表示為：? ? ? ? ? ? ? ? ? ?N B uP B eN S eP S eZ O eZ O eP S uN S eP B uN B eR ?????????? 表 模糊集的隸屬度量 語(yǔ)言變量 量化等級(jí) 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 36 接下來(lái)再由講法法則和上述計(jì)算關(guān)系進(jìn)行矩陣運(yùn)算，結(jié)果如表 e 4 3 2 1 0 +1 +2 +3 +4 U +4 +3 +2 +1 0 1 2 3 4 差值 e 與實(shí)際溫度的量化關(guān)系如表 量 化等級(jí) 4 3 2 1 0 +1 +2 +3 +4 實(shí)際溫差℃ 5 3 2 1 0 +1 +2 +3 +5 控制 U與實(shí)際輸出的量化關(guān)系如表 量化等級(jí) 4 3 2 1 0 +1 +2 +3 +4 實(shí)際輸出 20 10 5 3 2 1 0 0 0 注：數(shù)值為每 20 個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通周期數(shù) 實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，可以將 4~4 量化為 0~8，減少符號(hào)數(shù)的運(yùn)算。另外為了減少程 序，可由差值 e? 量化后直接求出控制量，而不必要對(duì)控制量進(jìn)行反量化。 實(shí)際溫差 5℃ ℃ ℃ ℃ 0℃ +℃ +℃ +℃ +5℃ e? 0 1 2 3 4 5 6 7 8 實(shí)際輸出 20 10 5 3 2 1 0 0 0 注：數(shù)值為每 20 個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通周期數(shù) 表 差值與控制量的等級(jí)對(duì)應(yīng)表 表 量化等級(jí)與實(shí)際溫度的對(duì)應(yīng)表 表 控制量的量化等級(jí)與實(shí)際輸出之間的關(guān)系 表 簡(jiǎn)化后的實(shí)際溫差與實(shí)際輸出的關(guān)系表 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 37 分析可知，可以通過(guò)查表程序來(lái)求得其模糊控制值。程序流程圖如圖 。 抗干擾設(shè)計(jì) 與軟件調(diào)試 在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)各種干擾，如信號(hào)不穩(wěn)定、電路板搞干擾能力差、程序跑飛等，也可 能在搬運(yùn)或者使用過(guò)程中對(duì)電路板或者原器件的磨損等。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)做好搞干擾設(shè)計(jì)，以求將干擾對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響降到最低。 硬件抗干擾設(shè)計(jì) 在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中為了減少外部信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響采用了以下幾種抗干擾措施。 1. I/O 口外接濾波電容和上拉電