Ứng dụng Neurofuzzy trong Điều khiển Nhiệt độ sử dụng Kit AT89C52

SƠ LƯỢC VỀ LOGIC MỜ

• Quá trình phát triển của logic mờ
• Cơ sở tốn học của logic mờ

Cơ bản là không có một nhà sản xuất điện tử giải trí nào của Mỹ có mặt trên thị trường thế giới; việc dùng logic mờ trong camcorder, camera, hifi chỉ là nhằm tăng thêm khả năng cạnh tranh giữa các công ty Nhật mà thôi. Và trong một phiên tòa, chánh án phải quyết định số ngày phạt tù của tên trộm dựa trên mức độ rượu trong người, trước đây có tiền án hay tiền sự không, … từ đó kết hợp lại đưa ra một quyết định công bằng.

CÁC KHÁI NIỆM DÙNG TRONG LOGIC MỜ

Vì vậy, nếu ta mô tả những mong muốn của mình đối với hệ thống trong những trường hợp cụ thể vào luật thì logic mờ sẽ tạo ra giải pháp dựa trên tất cả những mong muốn đó. Khác với tốn học cổ điển – nơi mà hàm phụ thuộc chỉ xác định duy nhất một phần tử có thuộc hay không, hàm phụ thuộc trong logic mờ cho phép xác định một phần tử phụ thuộc tập hợp nhiều hay ít, tức là biờn giới giữa “rất núng” và “rất lạnh” khụng phải là một đường phõn biệt rừ ràng mà là một vùng các giá trị liên tục.

TÍNH TỐN MỜ

• Suy luận mờ

Tính từng luật : xét riêng rẽ từng luật mờ, dựa trên độ phụ thuộc của các tập mờ đầu vào và liên từ kết hợp chúng để tạo ra độ phụ thuộc chung cho các đầu vào, và cũng là kết quả của riêng luật đó. Phương pháp trung bình theo trọng số (CoM – Center of Maximum) : là một biến dạng của phương pháp trọng tâm khi thay dấu tích phân bằng dấu sigma, được dùng nhằm đơn giản hóa sự tính tốn, phù hợp với các điều khiển nhỏ.

VI ĐIỀU KHIỂN AT89C52

Bằng cách nối 1 CPU 8 bit với một Flash trên một chip đơn, AT89C52 là một vi điều khiển mạnh (có công suất lớn), cung cấp một sự linh động cao và giải pháp về giá cả đối với nhiều ứng dụng vi điều khiển. Chú rằng khi kết thúc chế độ lười bằng cách reset phần cứng thì thông thường vi điều khiển sẽ gọi lại chương trình mà nó vừa thốt, cho đến hai chu kỳ máy trước khi thuật tốn reset chiếm quyền điều khiển.

SƠ LƯỢC VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI AD

• Biến đổi AD dùng bộ biến đổi DA

Bộ biến đổi loại này là một trong những bộ có thời gian biến đổi chậm nhất (thường là từ 10 đến 100ms) nhưng có lợi điểm là giá cả tương đối rẻ không dùng các thành phần chính xác như bộ biến đổi AD hoặc bộ biến đổi áp sang tần số. Do khoảng thời gian xả tỷ lệ với điện áp trên tụ lúc trước khi xả nên ở cuối thời điểm xả, counter sẽ chứa một giá trị tỷ lệ với điện áp trên tụ trước khi xả, tức là tỷ lệ với điện áp vào vA.

SƠ LƯỢC VỀ CÁC DỤNG CỤ ĐO NHIỆT ĐỘ

• Các loại cảm biến hiện tại

Tầm đo Rankine (°R) đơn giản là tương đương của Fahrenheit theo tầm Kelvin, đặt tên theo W. Tùy theo lĩnh vực đo và điều kiện thực tế mà có thể chọn một trong bốn loại cảm biến : thermocouple, RTD, thermistor, và IC bán dẫn.

THERMOCOUPLE

Điều này nói lên rằng chúng ta không thể biết nhiệt độ tại J1 nếu chúng ta không biết nhiệt độ tại J2, tức là để biết được nhiệt độ tại đầu đo thì chúng ta cũng cần phải biết nhiệt độ môi trường nữa. Khối này cách điện nhưng dẫn nhiệt rất tốt nên xem như J3 và J4 có cùng nhiệt độ (bằng bao nhiêu thì không quan trọng bởi vì hai hiệu điện thế sinh ra luôn đối nhau nên luôn triệt tiêu nhau không phụ thuộc giá trị của nhiệt độ). Bù nhiệt của môi trường. Như trên đã phân tích, khi dùng thermocouple thì giá trị hiệu điện thế thu được bị ảnh hưởng bởi hai loại nhiệt độ : nhiệt độ cần đo và nhiệt độ tham chiếu. Cách gán 0°C cho nhiệt độ tham chiếu thường chỉ làm trong thí nghiệm để rút ra các giá trị của thermocouple và đưa vào bảng tra. Thực tế sử dụng thì nhiệt độ tham chiếu thường là nhiệt độ của môi trường tại nơi mạch hoạt động nên không thể biết nhiệt độ này là bao nhiêu và do đó vấn đề bù trừ nhiệt độ được đặt ra để sao cho ta thu được hiệu điện thế chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ cần đo mà thôi. Bù trừ nhiệt độ không có nghĩa là ta ước lượng trước nhiệt độ môi trường rồi khi đọc giá trị hiệu điện thế thì trừ đi giá trị mà ta đã ước lượng. Cách làm này hồn tồn không thu được kết quả gì bởi hai lý do :. • Nhiệt độ môi trường không phải là đại lượng cố định mà thay đổi theo thời gian theo một qui luật không biết trước. • Nhiệt độ môi trường tại những nơi khác nhau có giá trị khác nhau. Bù nhiệt môi trường là một vấn đề thực tế và phải xét đến một cách nghiêm túc. Có nhiều cách khác nhau, về phần cứng lẫn phần mềm, nhưng nhìn chung đều phải có một thành phần cho phép xác định nhiệt độ môi trường rồi từ đó tạo ra một giá trị để bù lại giá trị tạo ra bởi thermocouple. Các loại thermocouple. Về nguyên tắc thì người ta hồn tồn có thể tạo ra một thermocouple cho giá trị ra bất kỳ bởi vì có rất nhiều tổ hợp của hai trong số các kim loại và hợp kim hiện có. Tuy nhiên để có một thermocouple dùng được cho đo lường thì người ta phải xét đến các vấn đề như : độ tuyến tính, tầm đo, độ nhạy, … và do đó chỉ có một số loại dùng trong thực tế như sau :. Loại J : kết hợp giữa sắt với constantan, trong đó sắt là cực dương và constantan là cực õm. Loại T : kết hợp giữa đồng với constantan, trong đó đồng là cực dương và constantan là cực õm. Loại K : kết hợp giữa chromel với alumel, trong đó chromel là cực dương và alumel là cực õm. Loại E : kết hợp giữa chromel với constantan, trong đó chromel là cực dương và constantan là cực õm. R) cực dương dùng dây 87% platinum và 13% rhodium, cực âm dùng dây thuần platinum.

KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM

Như vậy, khi truy xuất dữ liệu bên ngồi thì đầu tiên trên Port0 sẽ là byte thấp của địa chỉ, ALE sẽ tác động cạnh xuống khi các giá trị đã ổn định ⇒ lúc này cần một IC để chốt các giá trị này lại thông qua tác động của ALE ⇒ dùng IC 74HCT573, ALE nối đến chân C. Sau đó, giá trị trên Port0 sẽ là dữ liệu (nhập hay xuất tùy theo read hay write thông qua tác động của chân RD hay WR, chân PSEN thay thế vai trò của chân RD khi đọc chương trình ngồi).

PHÂN VÙNG ĐỊA CHỈ

Do dùng các thiết bị ngoại vi nên Port0 và Port2 dùng trong chế độ địa chỉ và dữ liệu : Port0 vừa là byte thấp của địa chỉ, vừa là byte dữ liệu (AD0÷AD7). Tuy nhiên, việc truy xuất thiết bị ngoại vi (đọc hay ghi) đòi hỏi phải kết hợp 2 tín hiệu : tín hiệu phân vùng địa chỉ và tín hiệu RD hay WR (tùy theo đọc hay ghi) qua tổ hợp cổng logic thích hợp.

KHỐI BỘ NHỚ VÀ NGUỒN BACKUP

Tín hiệu chọn vùng CS0 là tín hiệu chọn RAM nên được nối đến chân CS1 của RAM, chân CS2 của RAM cho nối lên mức tích cực +5V. Diode D1 và điện trở R4 hình thành nên mạch sạc cho pin BT1 (pin sạc 3.6V) : khi có điện cung cấp cho mạch thì D1 dẫn cung cấp điện cho RAM, đồng thời sạc điện cho pin.

KHỐI HIỂN THỊ

Có một số ký tự thể hiện sự gượng ép (rất khó nhìn ra đó là ký tự) bởi vì led 7 đoạn khụng cú khả năng hiển thị ký tự. Nhưng khi đó việc lập trình càng khó hơn nữa, đôi khi không đáng vì chức năng chính của mạch là điều khiển nhiệt độ!.

KHỐI BIẾN ĐỔI AD

OR để tạo ra tín hiệu LBEN kích hoạt việc xuất byte thấp, tương tự tín hiệu RD và CS2 được kết hợp qua cổng OR để tạo ra tín hiệu HBEN kích hoạt việc xuất byte cao. Thông qua biến trở để chỉnh sao cho điện áp tham chiếu bằng 2,048V bởi vì 2 lần điện áp tham chiếu là giá trị của điện áp tồn tầm.

KHỐI CẢM BIẾN VÀ GIA CÔNG

Các biến trở nên dùng loại biến trở tinh chỉnh (hay biến trở đo lường) có cấu tạo gồm nhiều vòng dây điện trở xoắn bên trong (chỉnh nhiều vòng mới hết giá trị),. Các OPAMP dùng loại OP07 hoặc tương đương, có mức offset thấp để phù hợp với các đại lượng đo có giá trị nhỏ, các chân 1 và 8 dùng để chỉnh offset không dùng trong thiết kế này.

KHỐI BÀN PHÍM

Kết quả trả về thông qua cờ carry : C = 1 nếu có phím bị nhấn và mã hex nằm trong nibble thấp của thanh ghi tích lũy, C = 0 nếu không có phím nào bị nhấn. Sau khi đã phát hiện có phím ấn, IN_HEX sẽ chờ một khoảng thời gian tương ứng 50 lần gọi GET_KEY để đảm bảo rằng không còn rung cho lần gọi GET_KEY kế tiếp.

TRUYỀN THÔNG NỐI TIẾP

• Hoạt động độc lập : một khi giai đoạn thiết kế đã xong, đem ra sản xuất đại trà thì không có lý do gì mà lại kèm máy vi tính theo, tự bản thân board phải điều khiển đối tượng của mình, khi đó chương trình được nạp vào vi điều khiển rồi cho hệ thống hoạt động. Từ sơ đồ mạch trên, ta thấy rằng việc truyền thông diễn ra thông qua 3 dây : TXD, RXD, và GND, tức là không dùng chế độ bắt tay bằng phần cứng (cặp DSR/DTR hay CTS/RTS).

THIẾT KẾ HỆ MỜ

• Các nguyên tắc trong thiết kế
• Thiết kế hệ mờ cho điều khiển nhiệt độ

Nhóm thứ nhất gồm CoG, CoA, CoM dùng cho các ứng dụng mang tính định lượng như phân phối ngân sách hay xác định mức độ ưu tiên của vấn đề … Nhóm thứ hai gồm MoM, LoM, RoM dùng cho các ứng dụng mang tính định tính như phát hiện sự gian lận của giấy tờ hay ước lượng giá trị của trái phiếu. Đối tượng điều khiển là một lò nướng dân dụng có độ quán tính tương đối lớn, trong khoảng thời gian lấy mẫu là 3 giây chỉ tăng hay giảm tối đa 1,3°C nên ta định nghĩa DET với miền xác định là [-2,+2].

THIẾT KẾ HỆ NEUROFUZZY

Khi ta thêm một đại lượng gọi là độ hỗ trợ của luật (có giá trị từ 0 đến 1) thì vai trò của các luật không còn ngang hàng nữa. Giá trị 0 tương ứng với việc loại luật đó ra khỏi tầm ảnh hưởng và giá trị 1 tương ứng với việc luật đó có ảnh hưởng hồn tồn đến kết quả ra.

PHA HOẠT ĐỘNG

• Tính độ phụ thuộc

Bắt đầu từ luật thứ nhất trong hệ luật, khối xử lý mờ sẽ tính độ phụ thuộc của từng tập mờ mô tả trong luật, suy luận theo phương thức Min rồi kết hợp với độ hỗ trợ của luật đó tạo ra độ phụ thuộc chính của phần suy luận. Dễ thấy rằng trong các chương trình tính độ phụ thuộc theo những dạng hàm trên đều gọi hai chương trình con là chương trình tính độ phụ thuộc theo hàm dốc lên và chương trình tính độ phụ thuộc theo hàm dốc xuống.

CHƯƠNG TRÌNH TRÊN KIT AT89C52

• Nhập dữ liệu
• Phân bố tài nguyên

• Chế độ điều khiển nhiệt độ bằng kit có hai lựa chọn : một là sử dụng các tập mờ mặc định đã chứa sẵn trên kit, hay là sử dụng các tập mờ khác thì cần nhập các thông số như số tập mờ trên một biến ngôn ngữ, các điểm đặc trưng cho một tập mờ (sẽ nói sau), và hệ luật (có thể dùng máy tính cho thao tác này thay vì nhập bằng phím : sau khi đã tạo các tập mờ và luật trên máy tính thì cho nó truyền xuống theo chế độ kit điều khiển). Nếu chế độ hoạt động thuộc loại máy tính đo hay máy tính điều khiển thì trong quá trình hoạt động, kit sẽ gửi giá trị nhiệt dộ đo được, còn máy tính thì sẽ gửi byte báo hiệu tằt hay mở lò tùy theo giá trị của byte do người thiết kế qui định.

CHƯƠNG TRÌNH TRÊN MÁY TÍNH

• Qui định kiểu dữ liệu
• Giới thiệu chương trình NF Control
• Giao tiếp giữa NF Control và fuzzyTech

Chỉ gồm các ký tự (chuỗi) chỉ tập mờ nào của ET, DET ở phần if, các ký tự (chuỗi) chỉ tập mờ nào của OUT ở phần Then, và thêm giá trị hỗ trợ (cũng dùng ở dạng các ký tự để dễ hiển thị trên màn hình, nhưng khi tính thì phải chuyển sang giá trị số dùng hàm StrToInt chẳng hạn). Hơn nữa nếu viết chương trình theo hướng của fuzzyTECH thì có thể tận dụng hai thư viện động là fuzzy Runtime Control (ActiveX) và fuzzy Runtime DLL (NF Control viết chương trình điều khiển riêng cho phù hợp kit AT89C52 đã thiết kế, không dùng những thành phần này).