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第２０卷第４期 传感技术学报 ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＮＳＯＲＳ ＡＮＤ ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ ｖ０１．２０ Ｎｏ．４ ２００７年４月 Ａｐｒ．２００７ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｈｕｍｉｄｉｔｙ Ｆｕｚｚｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＳＰ４３０ ＭＣＵ ＬＩ Ｘｉｎ 。ＱＵＭｅｎｇ—ｋｅ ，ＲＯＮＧＹｕ。 ，１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＢｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ Ｈｅｂｅｉ ０６６００４，Ｃｈｉｎａ；、 ＼２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｒｒｉｎｇ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ Ｈｅｂｅｉ ０６６００４，Ｃｈｉｎａ ／ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ａｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅｉｒ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏ１． Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｆｕｚｚＹ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｍａｄｅ ｕｐ ｏｆ ＭＳＰ４３０Ｆ４４９ ＭＣＵ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｖ，ｍｅｔｈｏｄ，ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ｅｘｐａｔｉａｔｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕＩｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｈａｓ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｑｕｉｃｋ ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｓｍａｌｌ ｏｖｅｒ— ｓｈｏｏｔ。ａｃｃｕｒａｔｅ ａｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｅａｄｙ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｉｓ ｖｅｒｙ ｗｅｌ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＭＳＰ４３０；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｈｕｍｉｄｉｔｙ ＥＥＡＣＣ：ＴＰ２ｌ２．９ 基于ＭＳＰ４ ３ ０单片机的模糊温湿度控制器的设计＊ 李 昕Ｈ，曲梦可 ，荣 誉 （１．燕山大学生物医学工程系河北秦皇岛，０６００４；２．机械工程学院河北秦皇岛，０６６００４） 摘 要：为了实现对温湿度的智能控制，采用模糊控制技术对温湿度进行控制．设计了一种基于ＭＳＰ４３０Ｆ４４９单片机的温湿 度模糊控制器，对温湿度进行实时监测和自控控制．阐述了这种模糊控制的原理方法及硬件电路组成．对整个控制过程进行 了仿真，证明采用本模糊控制器进行控制，动态响应好、上升时间快、超调小、控制精度高、对温湿度的控制非常好． 关键词：模糊控制；ＭＳＰ４３０；温度；湿度 中图分类号：ＴＰ２１２．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４・１６９９（２Ｏ０７）Ｏ４ ８Ｏ５ ４ 模糊控制是应用模糊集合理论和模糊推理逻辑 的一种技术．它是以人的经验和知识为依据，模仿人 的思维方式和人的控制经验来实现的一种控制．模 糊控制不需要对控制对象进行精确的数学描述，只 １变量的模糊化和模糊控制规则 本模糊控制器是一个多输人多输出控制器．输 入变量为温度和湿度；输出变量为加湿器和除湿器 需进行粗略的知识描述，可直接使用专家的经验知 识来灵活地控制被控对象Ｌ１ｊ． 随着单片微机技术的发展，单片机性能在不断 提高，可以完成复杂的控制．在模糊控制中专家的经 验知识是一系列含有语言变量的条件语句和规则， 而模糊集合理论又能十分恰当地表达具有模糊性的 语言变量和条件语句．将单片机与模糊集合理论相 的工作状态、空调的制冷和制热．模糊控制的核心部 分是模糊控制器，它包括模糊化、模糊推理和解模糊 （反模糊化）３部分Ｌ３Ｊ． １．１ 温湿度和温湿度变化率的模糊化 温度偏差记为ＥＴ，湿度偏差记为正 ，分别指实 测温度和湿度的值与其设定值的差．对于温度控制， 温度偏差在设定值的±２５℃以内为模糊控制区，模 糊控制系统按模糊控制规则自动调节温度．对于湿 度控制，湿度偏差在设定值的±２５％（相对湿度） 以内为模糊控制区，模糊控制系统按照模糊控制 规则自动调节湿度．将温度偏差分为５个模糊子 结合，用模糊集合理论对语言变量模糊化，再用模糊 推理对系统的输入状态进行处理，产生相应的控制 策略，以实现对那些难以建立数学模型的系统进行 有效控制［２］． 基金项目：国家自然科学基金资助（６０３０４００９） 收稿日期：２００６—０６－１３ 修改日期：２００６—０７—２３ 维普资讯 http://www.cqvip.com
８０６ 传感技状态，分别为：Ｐ （丁）（温度过高），Ｐｓ（Ｔ）（温度略 高），Ｚ（Ｔ）（零温度偏差），Ｎｓ（Ｔ）（温度略低），ＮＬ （Ｔ）（温度过低）．同样将湿度偏差也分为５个模糊 子状态，分别为：Ｐ （Ｈ）（湿度过高），Ｐｓ（Ｈ）（湿度 略高），Ｚ（Ｈ）（零湿度偏差），Ｎｓ（Ｈ）（湿度略低）， Ｎ （Ｈ）（湿度过低）．温度变化率为：△Ｅ —ｄＥＴ／ｄｔ， 湿度变化率为：ＡＥ 一ｄＥ ／ｄｔ，它们反映了现场状 态的温度偏差和湿度偏差的变化方向．将温度变化 率和湿度变化率分别分为５个模糊子状态，即Ｐ （△Ｔ），Ｐｓ（ＡＴ），Ｚ（ＡＴ），Ｎｓ（ＡＴ），ＮＬ（ＡＴ）；ＰＬ （△Ｈ），Ｐｓ（／ｘＨ），Ｚ（△Ｈ），Ｎｓ（ＡＨ），ＮＬ（△Ｈ）． １．２输出变量的模糊化 将温度控制器输出状态分为５个模糊子输出状 态，具体对应如下：ＰＱ（ （全功率加温）空调全功率 加热；ＰＢ（ （半功率加温）空调半功率加热；Ｚ（Ｔ） （不加温、不降温）空调不工作；ＮＢ（Ｔ）（半功率降温） 空调半功率降温；ＮＱ（ （全功率降温）空调全功率 降温．将湿度控制器输出状态分为５个模糊子输出状 态，具体对应如下：ＰＱ（Ｈ）（全功率增湿）加湿器全功 率运行；ＰＢ（Ｈ）（半功率增湿）加湿器半功率运行； Ｚ（Ｈ）（不增湿、不去湿）加湿器和除湿器都不工作； ＮＢ（Ｈ）（半功率去湿）除湿器半功率运行；ＮＱ（Ｈ） （全功率去湿）除湿器全功率运行． １．３模糊控制规则 当温度偏差 为Ｎ （Ｔ）（温度过低）时，温度 和设定值相差负的最大，温度下降最低，此时为尽快 消除偏差，无论温度变化如何，应使控制量增加较 快，所以模糊控制系统取较大的控制量．当温度偏差 ＥＴ为Ｎｓ（Ｔ）（温度略低）或Ｚ（Ｔ）（零温度偏差）时， 主要工作为稳定问题．为了防止超调，使温度尽快稳 定，这时就要根据温度变化的具体情况来确定控制 量的变化，选择相应的控制规则．温度模糊控制规则 如表１．湿度控制模糊规则的制定方法与温度相同， 同样根据湿度变化的具体情况来确定控制量的变 化，选择相应的控制规则．根据模糊控制规则计算出 各种输入状态的控制输出Ｃ，最后用最大隶属度法 进行模糊决策，使模糊量转化为精确量 ． 表１ 温度模糊规则 术学报 ２００７正 ２ 硬件电路设计 模糊温湿度控制器硬件部分主要包括单片机、 温度传感器、湿度传感器、显示器、变频空调、两台加 湿器和两台除湿器等部分，其中微处理器采用单片 机ＭＳＰ４３０Ｆ４４９芯片作为温湿度模糊控制器的核 心．控制器电路如图１． 简单工作过程：湿度传感器和温度传感器输出 的信号通过模数转换模块转换成数字信号，由单片 机经过相应的软件算法把数字信号转换成湿度值和 温度值．单片机将实测值与其内设温度、湿度值相比 较，计算出偏差，再调用模糊控制算法程序，由模糊 器输出控制量，从而驱动空调、加湿器和除湿器调节 温度和湿度，同时显示温度和湿度． 图１温湿度模糊控制器电路 ２．１单片机的选择 ＭＳＰ４３０微控制器ＭＣＵ是ＴＩ公司推出的一 款具有丰富片上外围的超低功耗１６位ＦＬＡＳＨ型 混合信号处理器．本系统使用的ＭＳＰ４３０Ｆ４４９有一 个串口通信接口，一个基本定时器，两个１６位定时 器，看门狗，一个模拟电压比较器，模数转换模块， ＬＣＤ液晶驱动模块［５］．由于ＭＳＰ４３０Ｆ４４９微处理器 有ＣＰＵＯｆｆ和ＯｓｃＯｆｆ两种省电模式，一颗电池可工 作１Ｏ年．ＭＳＰ４３０系列单片机以其超低功耗的特点 在仪器仪表、工业控制等方面广泛的应用． ２．２温湿度测量电路设计 温度测量使用温度传感器ＴＭＰ３７，属于线性电 压输出模拟集成温度传感器，输出电压与摄氏温度 成正比，电压温度系数Ｋｖ为２０ ｍＶ／℃．低电压供 电，电源电压范围是＋２．７～＋５．５ Ｖ，低功耗［引．温 度测量电路如图２． 维普资讯 http://www.cqvip.com
第４期 李昕，曲梦可等：基于ＭＳＰ４３０单片机的模糊温湿度控制器的设计８０７ 工作 关断 图２温度测量电路 在环境温度为２５℃时，ＴＭＰ３７输出电压与温 度的关系为： ＵＯＵＴ—Ｋｖｔ （１） 式中： 岍为ＴＭＰ３７的线性电压输出；Ｋｖ为 电压温度系数；ｔ为温度（℃）． 湿度测量使用湿度传感器ＨＩＨ一３６１０，属于线 性电压输出集成湿度传感器，输出电压的范围＋Ｏ．８ ～＋３．９ Ｖ．采用＋４～＋５．８ Ｖ电源供电．湿度测量 电路如图３． 图３湿厦测量电路 在环境温度为２５℃时，ＨＩＨ－３６１０输出电压与 湿度的关系为： ＵｏＵＴ＝：＝Ｕｃｃ（Ｏ．００６ ２ＲＨ＋０．１６） （２） 式中： ＵＴ为ＨＩＨ一３６１０的线性电压输出； 为 ＨＩＨ一３６１０的电源电压；ＲＨ为相对湿度（％）． 由式（２）可知，输出电压不仅与相对湿度成线性 关系，而且与电源电压成正比；若电源电压固定为５ Ｖ，则其值仅由相对湿度值决定．另外，ＨＩＨ一３６１０测 量的湿度值还与环境温度有关，式（２）是在２５￣Ｃ时 传感器输出与湿度的关系，当环境温度改变时应进 行温度补偿，补偿公式为： ＲＨ 一 面 ｌ＿丽 （３） 式中：Ｔ为环境摄氏温度值；ＲＨ为相对湿度测 量值；ＲＨ 为实际相对湿度值． 温湿度测量电路把温度和湿度的电压信号送到 单片机的模数转换模块，片上的模数转换模块能实 现１２位精度的模数转换，通过软件选择输入通道， 选择模数转换模块提供的参考电源２．５ Ｖ．模数转 换模块提供单通道单次、序列通道单次、单通道多 次、序列通道多次４种转换模式，由于采用中断方式 采集温度和湿度数据，所以选择序列通道单次转换． 这样温度和湿度传感器产生的信号经过采样公式计 算转换成温度和湿度值． ２．３输出驱动电路及显示器接口电路设计 模糊温湿度控制器对温度的控制通过变频空 调来实现，控制器的输出电路同空调遥控器电路 的键盘相连接，这样可以不改变空调主电路的程 序控制空调工作．当需要对温度进行全、半功率控 制时，通过空调遥控器调节变频空调全、半功率工 作及不工作即可实现对应的５种温度控制．控制 器对湿度的控制通过两台加湿器和两台除湿器来 实现，如何需要半功率加湿，单片机的Ｐ６．２口输 出的控制信号驱动继电器，加湿器１开始工作，当 湿度达到要求单片机的Ｐ６．２口输出低电平，加湿 器１停止工作．如果需要全功率加湿，则加湿器１ 和加湿器２同时工作．加湿结束，加湿器１和加湿 器２均停止工作．除湿的控制过程与加湿相同，通 过Ｐ６．４和Ｐ６．５口控制． 显示电路采用ＲＴ１２８６４ＣＴ图形显示器，它可 以实现图形显示，也可以显示３２个汉字．模块自带 一１Ｏ Ｖ负压，用于显示器的驱动电压．与ＣＰＵ接口 采用８位数据总线和８位控制总线．温湿度值和模 糊温湿度控制器的工作状态都显示到图形显示器． ３软件设计 为了节省内存空间，便于编制、阅读、扩充和修 改程序，软件采用了模块化结构，每个功能模块又由 相应的子程序组成，实现特定功能．程序模块主要包 括主程序模块；键盘、显示模块；实时时钟模块；掉电 处理模块［７］．主程序主要功能是循环读出温度和湿 度值，进行处理．主程序流程图如图４． 模数转换口初始化 二二［定时器口初始化Ｉ 有按键标志？ 键盘处理程序 模数转换结束？ 数据处理程序 图４主程序流程图 维普资讯 http://www.cqvip.com
８０８ 传感技４仿真与实验 对模糊控制进行了计算机仿真 ，温度和湿度 对象采用一阶惯性纯延时环节来近似仿真，其仿真 曲线如图５．用单片机开发板等硬件进行了模糊控 制实物仿真，给定温度为２５￣Ｃ，相对湿度为９０ ＲＨ．仿真曲线如图６． １ ４ ｌ ２ ｌ ０ ８ ０６ ０ ４ ０ ２ ０ ０ ４０ ８０ ｌ２０ ｌ６ｏ ｆ／ｓ 图５计算机仿真曲线 Ｚ — ０一× ０ ９ ８ ７ ６ Ｓ ４ ３ 图６实物仿真曲线 用全部硬件电路在实验室环境进行了实际温湿 度控制实验，绘制了实际测量曲线，如图７．从仿真、 实际测量曲线可见本文所提出的模块控制算法动态 响应好，上升时间快，超调小，控制精度高，对温湿度 的控制非常好． ■ 李副合金换ｅｄ教项ｔ理、Ｌ智 授ｃ昕目论ｎ能 （，：与１博传“９复应７士感０杂一生器用）系，．燕研主现统山究要主中大．研持定”学究性ｙ国ｄ电方家与ｙ气定ｌ向自ｉｘ工为然量ｎ程科信＠学息ｙｓ院融基变ｕ． 术学报 ２００７正 王 ０一× １０ ０ ９ ８ ７ ６ ５ ４ ３ ９ ８ ７ ｐ ６ ５ ４ ３ 图７实际测量曲线 ５ 结束语 ９ ８ ７ ６ ５ ４ ３ ｐｎ×、 本文设计了一个基于模糊变量表达的模糊温湿 度控制器，模拟专家的经验，对居室的温度、湿度进 行智能控制，取得较好的效果．该控制器可用于所有 需要进行温湿度控制的环境． 参考文献： ［１３ 李士勇，模糊控制神经网络控制和智能控制论［Ｍ］，哈尔滨工 业大学出版社，１９９６，２６７—２６９． ［２］ 王学慧，田方成，微机模糊控制理论及其应用［Ｍ］，电子工业出 版社，１９８７：６３—７６． ［３３ 洪文学，韩峻峰，周少敏，基于温湿度的模糊传感器舒适度合成 法研究［Ｊ］，电子科技导报，１９９６，１０（２）：８１—８３． ［４３ 韩峻峰；基于温湿度的模糊传感器舒适度合成法研究［Ｊ］，传感 器技术，２００２，２１（６）：１９—２５． ［５３ 沈建华，杨艳琴，翟骁曙，ＭＳＰ４３０系列１６位超低功耗单片机 原理与应用［Ｍ］，清华大学出版社，２００４：５２—２８０． ［６３沙占友，中夕卜ｊ 茈传感 ｝实用手册［Ｍ３，电子工业出舾 Ｉ土，２０Ｏ５：６６．ｅ ［７３胡大可，ＭＳＰ４３０系列单片机Ｃ语言程序设计与开发［Ｍ］，北 京航空航天大学出版社，２００３：２０—３５． ［８３张国良，曾静，柯熙政，邓方林，模糊控制及其ＭＡＴＬＡＢ应用 ［Ｍ］，西安交通大学出版社，２００２：６－３５．