朱玉蘭 淮安市高級(jí)職業(yè)技術(shù)學(xué)校

基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

朱玉蘭 淮安市高級(jí)職業(yè)技術(shù)學(xué)校

工業(yè)生產(chǎn)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要推動(dòng)力，在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，溫度是最為常見(jiàn)的被控參數(shù)，對(duì)溫度的控制具有十分重要的意義。由于傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)在控制方式上存在控制精度差、響應(yīng)速度慢等諸多缺陷，這也使其越來(lái)越難以適用于工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。如何利用單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)一種響應(yīng)速度快、控制精度高、振蕩小的溫度控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。為此，本文便基于AT89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種溫度控制系統(tǒng)，并結(jié)合了變論域模糊PID控制方法。經(jīng)過(guò)性能測(cè)試表明，該溫度控制系統(tǒng)的控制精度高、響應(yīng)速度快、實(shí)用性強(qiáng)，具備極高的推廣價(jià)值。

單片機(jī) 溫度控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

1 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

該溫度控制系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)作為核心，利用單總線數(shù)字溫度傳感器設(shè)計(jì)了一種閉環(huán)式的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集溫度檢測(cè)、處理與控制等功能為一體，工作人員能夠通過(guò)鍵盤(pán)輸入的方式來(lái)對(duì)溫度值進(jìn)行設(shè)定，并通過(guò)PID算法來(lái)對(duì)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的通斷控制，從而使溫度能夠控制在設(shè)定值。該溫度控制系統(tǒng)主要包括報(bào)警電路、上位機(jī)管理系統(tǒng)、單片機(jī)、溫度控制電路、加熱器升溫系統(tǒng)、風(fēng)扇降溫系統(tǒng)、信號(hào)采集電路、鍵盤(pán)及液晶顯示電路。

1.2 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的溫度檢測(cè)電路利用單總線數(shù)字溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)溫度的檢測(cè)功能。該傳感器為單口接線傳輸方式，其與微處理器相連，電路整體非常簡(jiǎn)單，此外，該電路還能夠?qū)?shù)字溫度信號(hào)與CRC校驗(yàn)碼進(jìn)行輸出與傳送，因此具備良好的抗干擾性能。在溫度檢測(cè)電路主要包括溫度傳感器、串行I/O接口、溫度轉(zhuǎn)換電路、只讀與隨機(jī)存儲(chǔ)器等。它能夠?qū)?nèi)部的溫度計(jì)數(shù)器進(jìn)行讀取，并進(jìn)行計(jì)數(shù)換算，其內(nèi)部ROM中包含一個(gè)大小為64bit的標(biāo)識(shí)碼，并且每個(gè)溫度傳感器都有與之相匹配的標(biāo)識(shí)碼，溫度檢測(cè)電路只需要對(duì)標(biāo)識(shí)碼進(jìn)行讀取，就能夠通過(guò)單片機(jī)來(lái)完成對(duì)溫度傳感器的相關(guān)讀寫(xiě)操作。

1.3 顯示電路設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)中，顯示電路的設(shè)計(jì)主要是利用LCD液晶顯示屏來(lái)構(gòu)成，該液晶顯示屏中包含能夠?qū)Ψ?hào)、數(shù)字與字母進(jìn)行顯示的點(diǎn)陣型模塊，其是以字符的形式來(lái)進(jìn)行顯示的，顯示行數(shù)為兩行，每行能夠顯示16個(gè)字符。在顯示電路中，其內(nèi)部共有八個(gè)接口，各個(gè)接口都設(shè)置有10K的上拉電阻。

1.4 溫度控制電路設(shè)計(jì)

在該溫度控制系統(tǒng)中，其溫度控制電路主要由兩種，一種是升溫控制電路，另一種是降溫控制電路。在降溫控制電路中，由于實(shí)際溫度要比設(shè)定值高，這時(shí)單片機(jī)就會(huì)輸出低電平，并控制繼電器進(jìn)行接通，繼電器則與降溫電路相連，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)降溫電路的激活，這時(shí)降溫電路就會(huì)控制風(fēng)扇進(jìn)行降溫，從而確保實(shí)際溫度降到設(shè)定值。對(duì)于升溫控制電路來(lái)說(shuō)，由于實(shí)際溫度要比設(shè)定值低，這時(shí)單片機(jī)會(huì)通過(guò)低電平的輸出來(lái)使繼電器接通，繼電器與升溫電路相連，這時(shí)就實(shí)現(xiàn)了對(duì)升溫電路的激活，從而控制加熱器來(lái)對(duì)實(shí)際溫度進(jìn)行升溫直至達(dá)到設(shè)定值。在溫度控制電路中，單片機(jī)中的P1．3口是與三極管中的基極進(jìn)行連接的，并與繼電器相通，三極管會(huì)將信號(hào)進(jìn)行放大處理，并將放大后的信號(hào)傳輸?shù)嚼^電器當(dāng)中，由繼電器進(jìn)行斷通閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)降溫電路的激活。而升溫電路則是由單片機(jī)中的P1．4口進(jìn)行連接，并通過(guò)單片機(jī)對(duì)低電平的輸出來(lái)使三極管對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，然后由繼費(fèi)電器來(lái)對(duì)升溫電路進(jìn)行激活，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器的控制目的。在溫度控制電路中，所設(shè)定的上下限溫度值都能夠通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)進(jìn)行重新設(shè)定，當(dāng)溫度超出所設(shè)定的上下限溫度值時(shí)，就會(huì)激活溫度報(bào)警電路，使報(bào)警電路能夠通過(guò)蜂鳴器來(lái)進(jìn)行報(bào)警。溫度控制系統(tǒng)所采用的控制算法是通過(guò)編程來(lái)進(jìn)行的，它能夠?qū)z測(cè)到的實(shí)際溫度信號(hào)與設(shè)定溫度信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)信號(hào)所產(chǎn)生的誤差及其變化情況，依據(jù)模糊控制器來(lái)進(jìn)行后續(xù)控制，并通過(guò)對(duì)繼電器接通時(shí)間的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升溫與降溫。

1.5 變論域模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)

在單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)中，其模糊控制設(shè)計(jì)主要是通過(guò)變論域模糊控制理論來(lái)進(jìn)行的，所謂變論域就是將輸出與輸入兩者的基本論域通過(guò)相應(yīng)的規(guī)則來(lái)對(duì)論域進(jìn)行伸縮變化，以此達(dá)到控制的目的。它與傳統(tǒng)的模糊控制有所不同的是，其是在傳統(tǒng)控制方法的基礎(chǔ)上通過(guò)在輸出量與輸入量論域中分別設(shè)置獨(dú)立的伸縮因子來(lái)實(shí)現(xiàn)論域變化目的。在變論域模糊控制設(shè)計(jì)中，應(yīng)建立相應(yīng)的模糊規(guī)則，模糊規(guī)則應(yīng)由工程技術(shù)人員根據(jù)自身操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)來(lái)進(jìn)行制定，通過(guò)對(duì)操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)來(lái)獲取到模糊條件語(yǔ)句，并根據(jù)模糊條件語(yǔ)句的分析來(lái)進(jìn)行具體制定。變論域模糊控制的原理是對(duì)系統(tǒng)輸入變量及輸出變量的論域進(jìn)行假設(shè)，然后對(duì)論域進(jìn)行模糊劃分，根據(jù)模糊推理規(guī)則來(lái)確定峰點(diǎn)，并通過(guò)論域的伸縮變換來(lái)確定論域的形式，從而找出相應(yīng)的伸縮因子，然后依據(jù)伸縮因子來(lái)建立模糊控制規(guī)則。在模糊控制規(guī)則建立中，應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則，其一是確保系統(tǒng)能夠具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性；其二是確保系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快；其三是確保系統(tǒng)具備較好的穩(wěn)態(tài)精度。此外，超調(diào)量的設(shè)置也十分重要，當(dāng)模糊控制的溫度誤差較大時(shí)，則應(yīng)通過(guò)超調(diào)量的調(diào)整來(lái)消除誤差，而當(dāng)模糊控制的溫度誤差較小時(shí)，則應(yīng)防止過(guò)大的超調(diào)量來(lái)確保系統(tǒng)具備良好的穩(wěn)定性。

2 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)性能測(cè)試

2.1 仿真測(cè)試與分析

本次測(cè)試的溫度控制對(duì)象相同，均處于Matlab/simulink環(huán)境中，所選取的數(shù)學(xué)模型相同，并分別在數(shù)學(xué)模型中對(duì)模糊PID、PID與變論域模糊PID進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真測(cè)試結(jié)果顯示，采用PID控制方式的調(diào)節(jié)時(shí)間為1分鐘左右，采用模糊PID控制方式的調(diào)節(jié)時(shí)間在40秒左右，而采用變論域模糊PID控制方式的調(diào)節(jié)時(shí)間為30秒，在超調(diào)量上要比前兩者更小，在調(diào)節(jié)速度上也更快，在整體控制性方面更強(qiáng)。

2.2 溫度控制測(cè)試與分析

溫度控制測(cè)試是以精確控制為目標(biāo)，通過(guò)在模擬環(huán)境中安裝該溫度控制系統(tǒng)，并設(shè)置溫度設(shè)定值為20℃，設(shè)置系統(tǒng)每半分鐘對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次采集更新，控制時(shí)間為10分鐘，以此判斷溫度達(dá)到設(shè)定值的時(shí)間及溫度變化誤差，結(jié)果表明，該系統(tǒng)在五分鐘以后達(dá)到溫度設(shè)定值，最大偏差為-0．2℃，整個(gè)控制過(guò)程的溫度控制精度非常高，具備極高的應(yīng)用價(jià)值與良好的應(yīng)用前景。

[1]陳勇,許亮,于海闊,黃小青.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2016,24(02):77-79

[2]夏志華.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].煤炭技術(shù),2013,32(02):191-193

朱玉蘭，1983-，女，江蘇淮安人，漢，本科學(xué)歷，職稱：高校講師，研究方向：電子技術(shù)。