Điều khiển nhiệt độ lò ấp trứng ứng dụng logic mờ. SVTH: Bùi Quang Vinh. 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Điều khiển nhiệt độ trong lò ấp trứng ứng dụng logic mờ. GVHD : Bùi Đức Dương. SVTH : Bùi Quang Vinh. MSSV : 46133133. Lớp : 46 th 2. Nha Trang, tháng 8 năm 2008. Điều khiển nhiệt độ lò ấp trứng ứng dụng logic mờ. SVTH: Bùi Quang Vinh. 2 Lời nói đầu: Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, công nghệ thông tin (CNTT) cũng đã có những bước tiến nhanh đến kinh ngạc và ngày càng trở nên phổ biến rộng rãi trong cuộc sống thường ngày. Một trong số những lĩnh vực quan trọng mà CNTT đóng vai trò then chốt đó là lĩnh vực điều khiển mờ. Trong khoảng 20 năm nay, lý thuyết tập mờ đã ra đời và phát triển rất nhanh chóng và đã đặt nền tảng cho một logic toán học mới: logic mờ (fuzzy logic). Logic mờ tỏ ra rất phù hợp với những bài toán nảy sinh từ các hệ thống phức tạp trong thực tế đặc biệt là những suy luận giống như cách mà con người vẫn thường sử dụng. Đồ án này đã vận dụng logic mờ trong điều khiển nhiệt độ của lò ấp trứng gà. Dựa vào những tri thức cung cấp bởi những tài liệu chuyên ngành chăn nuôi và kinh nghiệm thực tế của những hộ chăn nuôi gà_tri thức chuyên gia_em đã xây dựng nên tập luật sử dụng trong hệ thống. Với sự trợ giúp của phần cứng_phần điện tử_em đã mô phỏng một cách cụ thể nguyên lý cũng như hoạt động thực tế của một bộ điều khiển mờ. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Đức Dương đã giúp đỡ em thực hiện đề tài này! Do nhiều hạn chế, nhất là về thời gian và kinh phí nên đồ án còn nhiều khiếm khuyết. Rất mong được sự góp ý của thầy cô để em có thể hoàn thiện hơn nữa đề tài này. Sinh viên thực hiện: Bùi Quang Vinh Điều khiển nhiệt độ lò ấp trứng ứng dụng logic mờ. SVTH: Bùi Quang Vinh. 3 Mục lục: Lời nói đầu 2 Mục lục 3 Phần 1 : Tổng quan về logic mờ và điều khiển mờ… ……………… 4 I.1 Tổng quan về logic mờ… ……………………………… 4 I.1.1 Tập mờ……… … ……………………………… 4 I.1.2 Logic mờ 4 I.2 Tổng quan về điều khiển mờ 5 I.2.1 Quá trình điều khiển với yếu tố mờ, không chắc chắn 5 I.2.2 Phương pháp điều khiển mờ………………………………… .5 Phần 2 : Tổng quan về vi điều khiển AVR ATmega32 6 II.1 Sơ đồ nguyên lý kiến trúc AVR………………………………… 6 II.2 Cấu trúc chân của ATmega32 7 Phần 3 : Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt trong lò ấp trứng gà…… 7 III.1 Xây dựng nguyên lý xử lý bài toán……………………………… 7 III.1.1 Mờ hóa………………………………………………… 8 III.1.2 Lập luận mờ…………………………………………… 9 III.1.3 Giải mờ………………………………………………… 10 III.2 Thiết kế phần cứng 10 III.2.2 Sơ đồ nguyên lý………………………………………… 10 III.2.2.1 Module ATmega32 10 III.2.2.2 Module RS232………………………………… 11 III.2.3 Sơ đồ chi tiết……………………………… …………… 11 III.2.3.1 Module ATmega32…………………… ……… 11 III.2.3.2 Module RS232…………………………… …… 12 III.2.3 3 Giới thiệu linh kiện…………………………… … 13 III.3 Xây dựng phần mềm: III.1 Giới thiệu một số đoạn mã quan trọng trong chương trình… 13 IV/ Giới thiệu thiết bị và chương trình………………………………… 14 IV.1 Giới thiêu thiết bị………………………………………… 14 IV.2 Giới thiệu chương trình…………………………………… 15 IV.3 Kết luận……………………………………… 16 Tài liệu than khảo……………………………………………………… 17 Điều khiển nhiệt độ lò ấp trứng ứng dụng logic mờ. SVTH: Bùi Quang Vinh. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ. Điều khiển nhiệt độ lò ấp trứng ứng dụng logic mờ. SVTH: Bùi Quang Vinh. 5 1.1 Tổng quan về logic mờ : 1.1.1 Tập mờ : Logic mờ được xây dựng dựa vào cơ sở giá trị gần đúng, giá trị này nằm trong khoảng giữa chân trị False và True. Lý tuyết này được giáo sư Lotfi Zadef giới thiệu vào những năm 1960, nội dung của nó tương tự cách nói không chắc chắn trong ngôn ngữ thường ngày. - Theo ông, lý thuyết mờ không chỉ là một lý thuyết riêng lẻ mà chúng ta có thể dùng khái niệm fuzzy cho mọi lý thuyết khác từ các thuyết về khái niệm rời rạc đến liên tục. - Khái niệm logic mờ gắn bó chặc chẽ với khái niệm tập mờ.  Tập rõ (crisp set) : một tập hợp A là tập rõ, một phần tử x có thể có x € A hoặc x € A. Để mô tả khái niệm thuộc về, ta có tể sử dụng hàm µ. Nếu x € A thì µ A (x)=1, nếu x € A thì µ A (x)=0. Ví dụ: A = tập hợp sinh viên của trường Đại Học Nha Trang.  Tập mờ (fuzzy set): khác với tập rõ, khái niệm thuộc về được mở rộng để phản ánh mức độ x là phần tử của A. Đặc trưng cho tập mờ, người ta dùng hàm thành viên_membership function_ µ A . Ví dụ: A = tập hợp sinh viên giỏi tin của trường Đại Học Nha Trang. -Một tập con U của tập S có thể được định nghĩa như một ánh xạ từ những phần tử của S vào tập {0,1}. Phép ánh xạ này có thể được xem như một tập hợp mà các phần tử của nó là các cặp có thứ tự, mỗi cặp có thứ tự này tương ứng với mỗi một phần tử của tập S. Phần tử đầu tiên (x) của cặp này chính là một phần tử của S, phần tử thứ hai chính là một phần tử của tập {0,1}. +) Giá trị 0 thể hiện ý nghĩa x không thuộc U. +) Giá trị 1 thể hiện ý nghĩa x thuộc U. -Tương tự như trên, một tập F là tập con của S được định nghĩa bằng phép ánh xạ các phần tử của S vào tập {0,1} và hình thành các cặp số có thứ tự. Phần tử đầu tiên của cặp số (x) là một phần tử trong S, phần tử thứ hai của cặp số (y) nằm trong khoảng [0,1] thể hiện mức độ x € F. Điều khiển nhiệt độ lò ấp trứng ứng dụng logic mờ. SVTH: Bùi Quang Vinh. 6 - Để tính toán phần tử thứ hai (y) của cặp số_thể hiện mức độ x € F_người ta dùng hàm thành viên y= µ F (x) . Hàm này cho giá trị càng gần 1 khi mức độ x thuộc F càng cao và ngược lại -Tập S được gọi là tập vũ trụ của tập con F. Ví dụ: Cho tập vũ trụ U{ tập những người tham gia khảo sát}. Hãy tìm tập TALL là tập những người cao. Hàm thành viên: µ TALL (x) { 0 ; height(x) < 5ft 1 ; height(x) >7ft (height(x)-5)/2 ; 5ft <= height() <=7ft } Ta được kết quả như sau: Người Cao µ TALL (x) Billy 3' 2" 0.00 Yoke 5' 5" 0.21 Drew 5' 9" 0.38 Erik 5' 10" 0.42 Mark 6' 1" 0.54 Kareem 7' 2" 1.00 Từ bảng trên ta có mức độ phần tử Erik thuộc vào tập TALL là 0.42. Định nghĩa tập mờ (L.Zadeh _1965): A là tập mờ trên tập vũ trụ U được xác định bởi hàm: µ A : U  [0,1]. µ A là hàm thuộc hay hàm thành viên (membership function). µ A (x) là mức độ thuộc của phần tử x vào tập mờ A. 1.1.2. Logic mờ : Logic mờ là kết quả suy rộng của logic toán học cổ điển, khái niệm logic mờ gắn bó chặt chẽ với khái niệm tập mờ đã nói ở trên. Khái niệm fuzzy logic được hiểu thông qua định nghĩa về fuzzy set và các phép toán cơ bản của nó. Điều khiển nhiệt độ lò ấp trứng ứng dụng logic mờ. SVTH: Bùi Quang Vinh. 7 1.1.2.a. Các phép toán cơ bản của logic mờ : Cho 3 tập mờ X,Y,Z với các hàm thành viên tương ứng µ X (a), µ Y (a), µ Z (a)  Phép phủ định: Z=not(X) : µ Z (a)=1- µ X (a).  Phép giao (hội): Z= X ∩ Y : µ Z (a)= Min (µ X (a), µ Y (a)).  Phép hợp (tuyển): Z=X U Y : µ Z (a)=Max (µ X (a), µ Y (a)). Ta hoàn toàn có thể nhận thấy: nếu đặt các giá trị 0 và 1 vào các biểu thức trên ta sẽ nhận được các giá trị giống như khi ta dùng luật logic thông thường, điều này chứng tỏ logic mờ không mâu thuẩn với logic truyền thống mà đó là sự mở rộng các tập luật khô cứng thành các luật mới uyển chuyển hơn. Vi dụ: -Cho tập mờ TALL (ví dụ trên). -Cho tập mờ OLD(già) với hàm thành viên như sau: old (x) = { 0 ; age(x) < 18 yr. (age(x)-18 yr.)/42 yr ; 18 yr. <= age(x) <= 60 yr. 1 ; if age(x) > 60 yr. } -Tập luật: a = X is TALL and X is OLD. b = X is TALL or X is OLD. c = not (X is TALL). Bảng kết quả: height age X is TALL X is OLD a b c 3' 2" 65 0.00 1.00 0.00 1.00 1.00 5' 5" 30 0.21 0.29 0.21 0.29 0.79 5' 9" 27 0.38 0.21 0.21 0.38 0.62 5' 10" 32 0.42 0.33 0.33 0.42 0.58 6' 1" 31 0.54 0.31 0.31 0.54 0.46 7' 2" 45 1.00 0.64 0.64 1.00 0.00 3' 4" 4 0.00 0.00 0.00 0.00 1.00 Điều khiển nhiệt độ lò ấp trứng ứng dụng logic mờ. SVTH: Bùi Quang Vinh. 8 1.1.2.b. Biến ngôn ngữ (linguistics variable) : Logic mờ liên quan đến lập luận trên các thuật ngữ mờ và mơ hồ trong ngôn ngữ tự nhiên của con người. Biến nhận các từ trong ngôn ngữ tự nhiên làm giá trị gọi là biến ngôn ngữ. Biến ngôn ngữ được xác định bởi bộ bốn (x, T, U, M):  x là tên biến.  T là tập các từ (các giá trị ngôn ngữ) mà x có thể nhận.  U là miền giá trị mà x có thể nhận.  M là luật ngữ nghĩa, ứng với mỗi từ t€T với một tập mờ A. Ví dụ: M=Phụ nữ tuổi trung niên thì sức khỏe yếu. x= biến ngôn ngữ ”tuổi, sức khỏe”. T= tập các từ “trung niên, yếu”. U=miền giá trị của “tuổi” là [0 150 năm]. 1.2. Tổng quan về điều khiển mờ : Những khái niệm trừu tượng của logic mờ đã được cụ thể hóa và ứng dụng thông qua những sản phẩm thông dụng trong cuộc sống thường ngày như: nồi cơm điện, máy giặt, lò vi sóng, tủ lạnh Sự phát triển nhanh chóng của ngành điều khiển mờ ( fuzzy control) là do những yếu tố sau: - Trên cơ sở suy luận mờ, nguyên lý điều khiển mờ đã cho phép con người tự động hóa kinh nghiệm điều khiển của mình cho một quá trình, một thiết bị , tạo được sự yên tâm cho họ như họ được chính tay điều khiển. - Bộ điều khiển có cấu trúc đơn giản hơn rất nhiều so với những bộ điều khiển kinh điển khác có cùng chức năng. - Những cải tiến nhanh chóng của kỹ thuật vi xử lý đã làm một cầu nối không thể thiếu giữa kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực tế ứng dụng. 1.2.1 Nguyên lý làm việc : Bộ điều khiển mờ là một bộ điều khiển làm việc theo nguyên tắc tự động hóa những kinh nghiệm điều khiển của con người. Những kinh nghiệm này phải được đúc kết lại thành luật hợp thành gồm nhiều mệnh đề hợp thành với cấu trúc chung: if A=A i then B=B j A, B là biến ngôn ngữ. A i , B j là giá trị. Điều khiển nhiệt độ lò ấp trứng ứng dụng logic mờ. SVTH: Bùi Quang Vinh. 9 - Mệnh đề hợp thành là nguyên tắc điều khiển được xây dựng từ những kinh nghiệm (hoặc ý kiến chuyên gia) trong thực tế. Luật hợp thành là tập hợp các mệnh đề hợp thành đó. - Mô hình tổng quát của hệ thống điều khiển mờ: - Các nhóm bộ điều khiển : +) Bộ điều khiển SISO: một đầu vào và một đầu ra. +) Bộ điều khiển SIMO: một đầu vào và nhiều đầu ra. +) Bộ điều khiển MISO: nhiều đầu vào và một đầu ra. +) Bộ điều khiển MIMO: nhiều đầu vào và một đầu ra. - Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ: gồm có 3 khâu chính +) Khâu mờ hóa: có nhiệm vụ chuyển đổi một giá trị rõ ở đầu vào u 0 thành vector u i cho mệnh đề hợp thành thứ i. +) Khâu lập luận mờ: xử lý các vector u i và cho ra giá trị mờ R với hàm thuộc µ R (y) của biến ngôn ngữ đầu ra. +) Khâu giải mờ: chuyển đổi tập mờ µ R (y) thành giá trị rõ y 0 đầu ra cho đối tượng. Mô hình cấu trúc bộ điều khiển mờ: Đối tượng điều khiển (Object) Bộ điều khiển (Controller) Cảm biến (Sensor) Mờ hóa Lập luận mờ. Giải mờ. Vào u 0 Ra y 0 Điều khiển nhiệt độ lò ấp trứng ứng dụng logic mờ. SVTH: Bùi Quang Vinh. 10 1.2.2 Quá trình điều khiển với yếu tố mờ, không chắc chắn : Các phương pháp điều khiển truyền thống đòi hỏi người ta phải biết rõ bản chất của đối tượng cần điều khiển. Tuy nhiên trong thực tế, ngoài các đối tượng cần điều khiển ra còn có rất nhiều đối tượng gây nhiễu khác do đó người thiết kế rất khó xác định các đặc trưng. Vì đối tượng điều khiển là một hệ phức tạp và không thể biểu thị bằng các mô hình toán nên người “chuyên gia” điều hành hệ thống chỉ có thể quan sát thông tin vào để phán đoán hành vi của hệ thống. Nhận thức này được thâu tóm trong một tập các mệnh đề if…then (hay các luật) với các biến vào và ra. Nói chung các phương pháp điều khiển mờ đều gắn chặc với lập luận mờ và gồm các đặc điểm sau:  Chỉ dựa vào thông tin vào ra quan sát được trên đối tượng cần điều khiển.  Mô hình định tính dựa trên ngôn ngữ.  Giảm độ phức tạp tính toán nhờ mô hình định tính.  Miền ứng dụng rộng lớn đa dạng. 1.2.3 Các phương pháp điều khiển mờ thông dụng : a) Phương pháp xây dựng bộ điều khiển mờ dựa trên luật : Ý tưởng của phương pháp này được đề xuất vào năm 1975 chủ yếu dựa vào việc xây dựng một cách thức lập luận mờ và lượng hóa các khái niệm mờ phù hợp. Đặc trưng của phương pháp này là tập hợp các luật (tri thức) được xây dựng dựa vào tri thức của các chuyên gia, tức là tập luật là sự mô phỏng các tình huống đáp ứng của các chuyên gia trong quá trình thao tác điều khiển. Phương pháp này có ưu điểm này là đơn giản, nhưng cũng có các nhược điểm như độ thích nghi kém, khó phát biểu tri thức chuyên gia dưới dạng luật. b) Phương pháp xây dựng bộ điều khiển mờ dựa trên mô hình : Nội dung của phương pháp này như sau: - Xây dựng mô hình quan hệ mờ dựa trên quan sát input/output. - Xây dựng thuật toán cho phép bộ điều khiển lựa chọn thao tác điều hành tốt nhất. - Có thể sử dụng mô hình tự học hay các mô hình lai giữa mô hình mờ và mô hình toán học. [...]... dụng các linh kiện : +) LM335 cảm biến nhiệt độ từ môi trường bên ngoài để lấy tín hiệu nhiệt độ đưa vào vi xử lý +) LCD giải mã và hiển thị nhiệt độ v cỏc thụng khỏc +) ATmega16L điều khiển hot ng ca thiết bị theo s bin thiờn nhiệt độ mụi trng +) Thạch anh tạo dao động cho ATMEGA16L +) Led đỏ cnh bỏo khi nhiệt độ tng quỏ cao +) Led xanh cnh bỏo khi giảm nhiệt độ gim xung quỏ thp - Hỡnh nh phn chớnh... dng logic m SVTH: Bựi Quang Vinh CHNG 3 XY DNG H THNG IU KHIN NHIT TRONG Lề P TRNG G 20 iu khin nhit lũ p trng ng dng logic m SVTH: Bựi Quang Vinh 3.1 Xõy dng nguyờn lý x lý bi toỏn : Vn t ra trong ỏn ny nh sau: khụng ph thuc vo nhit mụi trng trong thi im hin ti cng nh s bin i nhit ca cỏc i tng khỏc trong lũ p, ta phi iu chnh cng qut v cng sỏng ca ốn sao cho nhit trong lũ p luụn trong n nh trong. .. thc hin trong mt chu k - 32 thanh ghi 8-bit a nng - Tc c thc hin lờn ti 16 triu lnh trong 1 giõy vi tn s 16MHz - Cú 2 b nhõn, mi b thc hin trong thi gian 2 chu k - Cỏc b nh chng trỡnh v d liu c nh - 16 Kb b nh Flash cú kh nng t lp trỡnh trong h thng - Cú th thc hin c 10.000 ln ghi/xoỏ - Vựng mó Boot tu chn vi nhng bit khoỏ c lp - Lp trỡnh trờn trong h thng bi chng trỡnh on-chip Boot - Thao tỏc c trong. .. k v ci t trờn thc t 29 iu khin nhit lũ p trng ng dng logic m SVTH: Bựi Quang Vinh CHNG 4 THIT K V CI T H THNG IU KHIN NHIT TRONG Lề P TRNG G 30 iu khin nhit lũ p trng ng dng logic m SVTH: Bựi Quang Vinh 4.1 Thit k phn cng : Khỏi quỏt nhng tớnh nng ca phn cng: - H thng iu khin trong ỏn thc hin ni dung ch yu l iu khin nhit t ng theo t duy ca logic m, tc phn cng c dựng l mt b iu khin m thc s vi y... áp hoạt động : từ 2.7 đến 5.5VDC - VCC : Cấp nguồn dng - GND : Nối đất - AVCC : Là chân cấp điện cho cổng A(Port A ) và bộ biến đổi A/D - AREF : Là chân tín hiệu tham chiếu Analog ( tương tự ) nối vào bộ biến đổi A/D - PORT B : Từ PB7 đến PB0 là cổng I/O 8-bit hai chiều với các điện trở Pull-up bên trong - PORT C : Port C t PC0 n PC7 là cổng I/O 7-bit hai chiều với các điện trở Pull-up bên trong (dược... chng trỡnh riờng bit nm trong khụng gian nh chng trỡnh Tt c cỏc ngt c ch nh bi cỏc bit cho phộp riờng bit m cỏc bit ny phi c ghi mc logic 1 cựng vi bit cho phộp ngt ton cc trong thanh ghi trng thỏi cho phộp ngt Ph thuc vo giỏ tr PC, cỏc ngt ny phi c t ng loi b khi cỏc bit Boot Lock - BLB02 or BLB12 - c lp trỡnh Yu t ny ci thin an ton phn mm 14 iu khin nhit lũ p trng ng dng logic m SVTH: Bựi Quang...iu khin nhit lũ p trng ng dng logic m SVTH: Bựi Quang Vinh - u im: rt trc quan v d quan sỏt, giỳp ngi thit k h thng d dng nm bt cỏc cu trỳc v thnh phn cua b iu khin c) Phng phỏp xõy dng b iu khin thụng minh da trờn tri thc v logic m: Trong thc t iu khin ngi ta thng gp nhng mụi trng khụng th thu c cỏc d liu chớnh xỏc, khụng mụ t c c th trng thỏi trong nhng trng hp nh vy cn phi xõy dng cỏc... bc cao ngụn ng C - Ct lừi ca AVR l s kt hp tp lnh y vi cỏc thanh ghi a nng 32 bit Tt c cỏc thanh ghi 32 bit ny liờn kt trc tip vi khi x lý s hc v logic (ALU) cho phộp 2 thanh ghi c lp c truy cp trong mt lnh n trong 1 chu 13 iu khin nhit lũ p trng ng dng logic m SVTH: Bựi Quang Vinh k ng h Kt qu l tc nhanh gp 10 ln cỏc b vi iu khin CISC(Complex Instruction Set Computer : mỏy tớnh vi tp lnh phc tp)... bus mt dõy v cỏc cm bin mt dõy Hỡnh dng bờn ngoi ca cm bin: - Điện áp hoạt động từ 3.0 5VDC - Chân 1 : GND (mu xanh lỏ) - Chân 2 : DQ (truyền tín hiệu_ mu xanh dng) - Chân 3 : Nguồn Vcc(mu ) - Có thể đo nhiệt độ từ -55 đến +125C Cỏc c im k thut ca cm bin DS18B20: - Khụng cn thờm linh kin bờn ngoi in ỏp ngun nuụi cú th thay i trong khong rng, t 3,0 V n 5,5 V mt chiu v cú th c cp thụng qua ng dn d liu... da vo k thut tp m v logic m - Cú kh nng ỏnh giỏ v duy trỡ trng thỏi gn ti u v m bo tin cy, ngay c khi mt vi yu t ca thit b iu khin b hng nú cng cú th cu hỡnh li gii thut ú hay chuyn sang mt gii thut khỏc thớch ng hn - Cú mt c s tri thc v kinh nghim i vi quỏ trỡnh iu khin cựng vi nhng kin thc dng lut m cỏc gii thut s s dng trong quỏ trỡnh iu khin 11 iu khin nhit lũ p trng ng dng logic m SVTH: Bựi Quang . Điều khiển nhiệt độ lò ấp trứng ứng dụng logic mờ. SVTH: Bùi Quang Vinh. 20 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG LÒ ẤP TRỨNG GÀ . Điều khiển nhiệt độ lò ấp trứng ứng dụng logic mờ. SVTH: Bùi Quang Vinh. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ. Điều. Điều khiển nhiệt độ lò ấp trứng ứng dụng logic mờ. SVTH: Bùi Quang Vinh. 5 1.1 Tổng quan về logic mờ : 1.1.1 Tập mờ : Logic mờ được xây dựng dựa vào cơ sở giá trị gần đúng, giá trị này nằm trong