利用Vague集理论实现基于AT89S51和DSl8B20的数字温度控制器的设计
温度控制在工业应用领域占有重要的地位，对温度控制的技术水平高低直接影响到产品的质量。现在对温度控制的技术方法多种多样，有pid控制技术、模糊控制技术等。这些控制技术在实际应用中都表现出各自的技术优势，显示出对温度控制的超凡能力。模糊控制相比传统pid等控制方法，在强时变、大时滞、非线性系统中控制效果有着明显优势。然而模糊控制对隶属函数的选择具有一定的难度，不易确定。自从1993年gau和buehrer提出了vague集理论（fuzzy集理论的扩展和推广），便在模式识别、人工智能、故障诊断等领域迅速得到应用，并且取得显著成果。vague集用一个真隶属度和一个假隶属度表示，这比fuzzy集描述的信息容量要更大些。将vague集理论应用于温度控制，隶属函数值是一个区间值范围，比fuzzy集理论的隶属函数更易于确定。vague集理论的模糊推理精度比fuzzy集理论要精确得多。本文将vague集理论应用于温度控制器设计中，发挥vague集理论的优点，以简化温度控制器的设计过程。选用at89s51单片机作为核心部件，dsl8b20数字温度传感器作为温度检测器，单片机的软件算法以vague集理论的模糊推理方法构造实现，设计一种新型的温度控制器，并给出实验结果。
1 vague集理论知识
定义1 设论域u={u1，u2，u3，…，un}，其中元素ui（i=1，2，3，…，n）为讨论对象。u上一vague集a由真隶属度ta和假隶属度fa所描述。
vague集在模式识别中，使用相似度来判别，设p1，p2，p3，…，pn是n个vague集，它们分别代表着n个模式。有一个待测样本b，其特征使用vague集描述，要确定b对应属于哪一个pi（i=1，2，3，…，n）模式，分别计算t（b，pi），选取max{t（b，pi）}，则样本b属于对应的模式。
2 基于vague集的控制器
2．1 温度检测值的vague值化
使用vague集理论设计温度控制器，关键的环节是将测量的温度精确量进行vague值化，再利用这个vague值和设定好的控制模式进行相似性度量，寻找匹配控制模式，选择最佳输出量以控制温度的恒定。
设温度检测点u为论域，u={u1，u2，u3，…，un}，n为温度传感器的个数。a是论域上的一个vague集表示检测温度与恒定温度的距离程度，那么a的真隶属度和假隶属度可由以下函数表示：
2．2 控制器的控制模式vague值数据
根据温度偏差按从大到小设置12级控制模式，具体如表1所列。
表中的数据为一个检测点时，利用式（4）和（5），调节量m设定为100时，预先计算所得。如果是多个检测点，那么vague集特征值将使用矩阵描述。控制模式级数可以任意设置，级数越大，控制效果在精度、稳定性上越好。输出量为数字量，并且是清晰量，用于控制外围的数字化电路，实现控制对象的升温或降温。因此，此种方法设计的温度控制电路无需模糊判决，结构简单，实现方便。
3 控温系统结构
3．1 硬件设计
整个系统的硬件结构如图1所示。数字温度传感器dsl8820检测温度变化，把温度的数字量输送到单片机中。单片机执行计算和进行最佳控制模式匹配，从数据存储中寻找最佳输出量。当检测到的温度和预设定的温度差值为正时，输出升温量；为负时输出降温量，使系统维持在恒定温度当中。整个系统的功能包括：数据存储、按键电路、数据显示、数据输入、控温电路。
（1）数据存储
存储电路是用来存储温控系统进行工作的温度和时间，以及vague集控制模式数据。发生掉电时能及时保存数据，下次重启时可继续使用原有数据。使用eefrom芯片作为存储器。
（2）按键电路
按键电路设置4个按键，分别是设置键、确定键、数据加和数据减键，主要是用来设置和修改控制的温度值。
（3）数据显示
使用ampire 128×64液晶显示器件作为控制系统的数据显示器。它可以显示中文信息，方便系统的操作。ampire 128×64和51系列单片机的连接很简单，不需要其他的驱动元件。
（4）数据输入
温度值检测由数字温度传感器dsl8820获取，所得数据为数字量，不需要转换电路。dsl8820的数据可以直接输入单片机中，两者直接相连，电路极其简单。
（5）控温电路
升温和降温构成了控温电路。升温，可以利用加热电阻或加热丝实现，加热的变化量可根据控制模式的输出数字量，利用可控硅或其他电路控制加热功率，使对应温差较大时，能够大幅度加热，而温差较小、或接近恒定温度时微调升温。降温，可以利用风扇或制冷片，改变了自然降温的方式。降温变化量的控制电路和升温变化量控制电路相同。
3．2 软件程序设计
单片机软件程序流程如图2所示。当at89s51单片机上电后，首先执行本身的初始化处理程序以及接口电路的参数设定，然后进行按键扫描。如果有键值出现，则执行键值处理，完成控制温度设定；如果没有键值处理，则执行温度检测。数字温度传感器dsl8820为串行输出温度值，分为9位、10位、11位和12位，不同位对温度的分辨精度不同。12位的分辨精度为o．062 5，可实现高精度温度检测。本文选择12位，其转换时间最长为750 ms。程序每隔800ms给dsl8b20发指令读取数据。系统设定的温度控制数据和当前检测的温度值，由ampire 128×64液晶显示器件显示；接着将检测所得的温度值进行vague值化，并分别和表1中每一种模式的vague值计算vague集相似度，寻找匹配最佳控制模式。把单片机的p3端口分为2个4位数字量输出端口，输出控制量以驱动控温电路执行相应的升温或降温动作。
4 实验测量结果
使用加热电阻作为控制对象，在实验室环境下多次测量表明：测量范围为25～100℃，控制器控制精度在±o．1℃左右。在温差较大时（10℃以上）升温动作速度快，无超调量，稳态误差小。图3为控制器在200 s内从室温25℃开始作4次温度调整的过程中，监控软件实时检测到的温度变化曲线。这4次温度变化分别为90℃、50℃、90℃、40℃。
结 语
利用vague集理论设计温度控制器，系统设计过程简单。设计系统在稳定性、超调量、鲁棒性、稳态误差、控制精度等方面都有较为理想的控制效果，比其他控制技术实现的温度控制器要有优越性。vague集理论在温度控制中的应用是一种新的尝试，有很大的研究和应用空间。
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定义1 设论域u={u1，u2，u3，…，un}，其中元素ui（i=1，2，3，…，n）为讨论对象。u上一vague集a由真隶属度ta和假隶属度fa所描述。
vague集在模式识别中，使用相似度来判别，设p1，p2，p3，…，pn是n个vague集，它们分别代表着n个模式。有一个待测样本b，其特征使用vague集描述，要确定b对应属于哪一个pi（i=1，2，3，…，n）模式，分别计算t（b，pi），选取max{t（b，pi）}，则样本b属于对应的模式。
2 基于vague集的控制器
2．1 温度检测值的vague值化
使用vague集理论设计温度控制器，关键的环节是将测量的温度精确量进行vague值化，再利用这个vague值和设定好的控制模式进行相似性度量，寻找匹配控制模式，选择最佳输出量以控制温度的恒定。
设温度检测点u为论域，u={u1，u2，u3，…，un}，n为温度传感器的个数。a是论域上的一个vague集表示检测温度与恒定温度的距离程度，那么a的真隶属度和假隶属度可由以下函数表示：
2．2 控制器的控制模式vague值数据
根据温度偏差按从大到小设置12级控制模式，具体如表1所列。
表中的数据为一个检测点时，利用式（4）和（5），调节量m设定为100时，预先计算所得。如果是多个检测点，那么vague集特征值将使用矩阵描述。控制模式级数可以任意设置，级数越大，控制效果在精度、稳定性上越好。输出量为数字量，并且是清晰量，用于控制外围的数字化电路，实现控制对象的升温或降温。因此，此种方法设计的温度控制电路无需模糊判决，结构简单，实现方便。
3 控温系统结构
3．1 硬件设计
整个系统的硬件结构如图1所示。数字温度传感器dsl8820检测温度变化，把温度的数字量输送到单片机中。单片机执行计算和进行最佳控制模式匹配，从数据存储中寻找最佳输出量。当检测到的温度和预设定的温度差值为正时，输出升温量；为负时输出降温量，使系统维持在恒定温度当中。整个系统的功能包括：数据存储、按键电路、数据显示、数据输入、控温电路。
（1）数据存储
存储电路是用来存储温控系统进行工作的温度和时间，以及vague集控制模式数据。发生掉电时能及时保存数据，下次重启时可继续使用原有数据。使用eefrom芯片作为存储器。
（2）按键电路
按键电路设置4个按键，分别是设置键、确定键、数据加和数据减键，主要是用来设置和修改控制的温度值。
（3）数据显示
使用ampire 128×64液晶显示器件作为控制系统的数据显示器。它可以显示中文信息，方便系统的操作。ampire 128×64和51系列单片机的连接很简单，不需要其他的驱动元件。
（4）数据输入
温度值检测由数字温度传感器dsl8820获取，所得数据为数字量，不需要转换电路。dsl8820的数据可以直接输入单片机中，两者直接相连，电路极其简单。
（5）控温电路
升温和降温构成了控温电路。升温，可以利用加热电阻或加热丝实现，加热的变化量可根据控制模式的输出数字量，利用可控硅或其他电路控制加热功率，使对应温差较大时，能够大幅度加热，而温差较小、或接近恒定温度时微调升温。降温，可以利用风扇或制冷片，改变了自然降温的方式。降温变化量的控制电路和升温变化量控制电路相同。
3．2 软件程序设计
单片机软件程序流程如图2所示。当at89s51单片机上电后，首先执行本身的初始化处理程序以及接口电路的参数设定，然后进行按键扫描。如果有键值出现，则执行键值处理，完成控制温度设定；如果没有键值处理，则执行温度检测。数字温度传感器dsl8820为串行输出温度值，分为9位、10位、11位和12位，不同位对温度的分辨精度不同。12位的分辨精度为o．062 5，可实现高精度温度检测。本文选择12位，其转换时间最长为750 ms。程序每隔800ms给dsl8b20发指令读取数据。系统设定的温度控制数据和当前检测的温度值，由ampire 128×64液晶显示器件显示；接着将检测所得的温度值进行vague值化，并分别和表1中每一种模式的vague值计算vague集相似度，寻找匹配最佳控制模式。把单片机的p3端口分为2个4位数字量输出端口，输出控制量以驱动控温电路执行相应的升温或降温动作。
4 实验测量结果
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