大棚模糊温度控制器的设计
1.绪论
随着人们生活水平的提高，蔬菜的需求量和种类不断增加，只要大棚内温度控制合理，即可生产出任意时节的蔬菜，而不必再顾忌季节的交替给人们带来的不便。本课题正是基于此目的，利用模糊控制理论实现了大棚温度控制器的设计。
温度测控技术包括温度测量和温度控制两个方面。温度控制技术可分为动态温度跟踪与恒值温度控制，动态温度控制是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化；恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一数值上，本课题就是要实现恒值温度控制的要求，故下面仅对恒值温度控制进行讨论。
从工业温度控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分为;定值开关控温法，PID线性控温法和智能温度控制法，三种方法各有优劣，综合比较，本设计采用智能温度控制方法，设计了模糊温度控制器，可以对被控对象的滞后性进行调整。
2.模糊控制系统概况
2.1模糊控制系统的基本原理
模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统。
是一种对模型要求低、在线计算方便、控制综合质量好的算法。
图1模糊逻辑控制系统的基本任务
模糊逻辑控制系统的基本结构如图1所示,它具备下列三个重要功能：(1)把系统的输入从数字量转化为模糊量(模糊化过程、数据库两部分完成)；(2)对模糊量由给定的规则进行模糊推理(规则库、推理决策完成)；(3)把推理结果的模糊输出量转化为实际系统能够接受的精确数字量或模拟量。
因此，模糊控制器的设计问题就是模糊化过程、知识库、推理决策和清晰化过程四部分的设计问题。
2.1.1模糊化过程
这个过程通过传感器把控制对象相关物理量转换成电量,再转换成输入论域上的模糊矢量，即用语言表示的某一限定码的序数，每一个限定码表示模糊论域内的一个模糊子集，并由其隶属度函数来定义。在模糊控制中主要采用以下两种模糊化方法。
1)单点模糊集合
适用于输入量精确的情况，只有在χ0点处的隶属度为1，其他输入值对应的隶属函数值都为0，设该模糊集合用A表示，则有：
μA(χ)
1χ≠χ0 0χ≠χ0χ
其隶属度函数如图2所示。
2)三角形模糊集合
如果输入数据存在随机测量噪声，可以取模糊量的隶属度函数为三角形，如图3所示。它给出了输入变量χ0在给定限定码模糊子集A'中具有最大隶属程度。
2.1.2推理决策和清晰化过程
推理决策是利用知识库的信息模拟人类的推理决策过程，给出适合的控制量。它的实质是模糊推理,也就是根据实现已经制定好的一组模糊条件语句对输入的一系列条件进行综合评估，以得到一个定性的用语言表示的量，这个结果只给出了一个确定的输出范围，即所谓模糊输出量。模糊推理是模糊决策的前提，也是模糊控制规则生产的理论依据。
图2单点模糊集合的隶属度函数图图3三角模糊集合的隶属度函数通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合。但在模糊控制中，必须要有一个确定的值才能去控制或驱动执行机构。在推理得到的模糊集合中取一个能最佳代表这个模糊推理结果可能性的精确值的过程就是精确化过程。
2.2大棚温控系统模糊控制算法的实现
模糊控制器的输入量为电压偏差E和偏差变化量Ec(文中用小写表示精确变量，大写表示模糊变量)，本控制系统的输入为A/D转换后的温度信号T i,设定的温度为T0，令偏差e=T i-T0，编程时离散为: e(k)=T i(k)-T0(k),e c(k)=e(k)-e(k-1)（2-1）本设计中，模糊化过程用三角函数实现。在温度范围设定上，把大棚内温度设定为25℃-0℃,这个温度比较适合一般蔬菜的生长温度，对于种植特别喜低温的蔬菜我们可以再自行设定温度。在本设计中，用单片机进行模糊温度控制，当温度在25℃-0℃附近±1℃之内时，认为系统正常，若超过这个范围的话系统将自行调节，以保证合适的温度环境，近而取得最优效益。
3.模糊温度控制器的硬件系统设计
3.1硬件总体设计
本系统的硬件设计分为两大部分，分别以单片机PICI8F252与AT89C52为核心控制器，主要包括控制电路，测温电路，LED显示电路，键盘电路等等。
其硬件总体结构框图如图4所示。此控制器的控制对象是一个温度传感器，信号经温度传感器检测并经测温电路放大至0-5V电压，送入PIC18F252单片机的A/D转换端口AN0，PIC18F252一方面将所得的值通过串行通信接口传给AT89C52;另一方面将该温度值与被控制值进行比较，采用模糊控制算法进行运算，根据其偏差值的大小，控制固态继电器在控制周期内的通断占空比进而达到温控的目的。单片机AT89C52把接收过来的信号用LED数码管显示出来，键盘中断用来设定需要控制的温度值。
图4模糊温度控制系统的整体结构框图
3.2主控模块的器件选型与设计
控制电路使用的继电器为SSR-H380D75固态电器。控制电路原理
大棚模糊温度控制器的设计
黄河科技学院李文方李伟
［摘要］大棚蔬菜在人们生活中占据重要地位。在控制大棚蔬菜生产的各种因素中，温度的监测与控制是最重要的一个指标。文中详细介绍了大棚模糊温度控制器的硬件和软件设计。此控制器主控部分以Microchip公司的8位单片机PIC18F252为控制核心，采集测温电路输出电压，实现模糊控制；在软件方面，以模糊控制为核心的控制算法，实现恒温控制功能，用C语言完成整个控制系统的软件编程。此系统占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。与传统装置相比，具有结构简单，成本低，可靠性和测温精度高、应用面广等特点。
［关键词］模糊控制温度控制
PIC18F252
AT89C52
PIC18F252
TX
RX
I/O
A/D
LED显示电路
键盘
测温电路
继电器
控制对象TX RX 92
——
如下:从测温电路的OUT口输出的经过分压电阻获得的电压信号送入单片机AN0口进行A/D转换,单片机约每400毫秒采样一次。ULN2003在这里驱动继电器。如图5所示，从单片机输出的电平为高电平时，从ULN2003输出的信号为低电平，则继电器导通，控制回路导通，控制对象被加热。反之，被控对象冷却。单片机利用采到的数据决定控制量，通过调节RC3口输出的电平的占空比来控制继电器的通断，从而控制被控对象的温度。
图5控制电路
图6由AD592和运算放大器构成的测温电路
3.3测温电路设计
温度传感器种类比较繁杂，各种不同的传感器由于构成材料、构成方式及测温原理的不同，使得测量温度的范围、测量精度也不同。在本系统中选用AD592作为测温电路中的传感器。它是美国模拟器件公司继AD590之后推出的一种电流输出式模拟集成温度传感器，利用硅PN结的基本特性实现温度—电流转换。
由AD592和运算放大器构成测温电路如图6，利用一片M C1403型带隙基准电源，提供2.5v的基准电压。
3.4显示和键盘电路设计
显示电路采用动态显示，显示需要的信号从PIC18F252的串行通信接口到AT89C52的可编程串行UART通道。
本控制器使用了六个共阳极的LED数码管。用三位显示当前温度，另三位显示设定的目标温度，采用动态显示。
键盘电路采用行列式键盘控制P1.4,P1.5,P1.6,P1.7端口，并通过与门接入外部中断（P3.2）,当任一键按下时，P3.2检测到一个下降沿，即触发系统外部中断,进入键盘中断处理程序。在中断处理程序中，由软件读入P1.4,P1.5,P1.6,P1.7状态，根据状态不同改变设定温度，并通过显示电路对设定的温度值进行显示。
4.模糊温度控制器的软件设计
软件部分设计采用模块化设计方案。本设计中计算机之间的通信方式为串口通信。
4.1主程序设计
PICl8F252系统与AT89C52系统的主程序流程图相同。如图7所示。系统初始化完成后，执行通讯部分，然后等待中断，完成中断子程序的处理。
PIC18F252系统初始化主要是完成A/D模块初始化、I/O口初始化以及定时器初始化等工作。本课题中需要采集控制对象的温度信号。经过电阻分压得来的电压信号，输入PIC的片内A/D模块，因此需要对A/D转换模块相关寄存器进行初始化。PIC的大多数UO引脚与其它功能引脚复用，UO端口初始化目的就是对这些端口的引脚和数据传输方向进行定义。
4.2控制程序设计
控制程序流程图8。其中模糊控制子程序设计主要是按照式（2-1）的模糊算法进行计算。具体程序略。
图7主程序流程
图8控制程序流程图
5.结论
本课题完成了模糊温度控制器的硬件与软件的设计开发。通过分析研究，本系统具有良好的恒温控制功能。在不改变参数的情况下，达到了较好的控制效果。
参考文献
［1］李士勇.模糊控制、神经控制和自能控制论.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998
［2］余永权，曾碧.单片机模糊逻辑控制.北京：北京航空航天大学出版社，1990
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［5］诸静.模糊控制理论与系统原理.北京：机械工业出版社，
2005
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