一種高精度模糊溫度控制器的設(shè)計(jì)

摘 要:本文闡述了模糊控制系統(tǒng)的構(gòu)成方法，分析了模糊推理方法的主要特點(diǎn)。以試驗(yàn)箱溫度為控制對象，采用模糊推理法設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的模糊控制器，并給出了該控制器的程序流程圖、硬件系統(tǒng)框圖。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有優(yōu)良的控制效果。此模糊控制器的溫控范圍為室溫到70℃，穩(wěn)態(tài)控溫精度為±0.5℃。

關(guān)鍵詞:單片機(jī)PT100傳感器模糊控制模糊推理

中圖分類號:TM571文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1673-9795(2011)05(a)-0114-01

在現(xiàn)代社會中，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和生活水平的不斷提高，各行各業(yè)的技術(shù)也在飛速地發(fā)展，模糊控制在生活和工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。溫度在工業(yè)生產(chǎn)和科研工作中都非常重要意義。為實(shí)現(xiàn)溫度控制器的智能化，一般都嵌有微處理器作為主要作為核心硬件器。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實(shí)現(xiàn)，能夠獨(dú)立進(jìn)行溫度數(shù)模轉(zhuǎn)換的處理器已經(jīng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，這為模糊控制器的應(yīng)用奠定硬件基礎(chǔ)。此外，熱敏電阻是一種常用的溫度敏感元件，由熱敏電阻構(gòu)成的測溫電橋具有成本低，測溫范圍寬，準(zhǔn)確度和精度都很高，這有助于實(shí)現(xiàn)高精度的溫控目標(biāo)。

1#8201;模糊控制方法與硬件電路結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是，在所測溫度低于目標(biāo)溫度時(shí)使用模糊控制方法進(jìn)行加熱，反之就不加熱使之自然冷卻。溫度控制的過程:由傳感器定時(shí)對烘箱溫度進(jìn)行采樣，將采樣得到的數(shù)字量與設(shè)定的溫度量比較，從而得到偏差及偏差變化率，再通過模糊推理方法的處理以獲得控制信號，以調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱內(nèi)加熱管的加熱功率，達(dá)到實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)箱溫度控制的目的。系統(tǒng)由控制模塊、溫度數(shù)據(jù)采集模塊、驅(qū)動模塊、加熱模塊、顯示模塊及電源模塊組成。由模糊控制器構(gòu)成系統(tǒng)框圖如圖1所示。

從圖1可以看出，它和傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)沒有多大區(qū)別，只是用模糊控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)字控制器。模糊控制系統(tǒng)一般由四個(gè)部分組成，即模糊控制器、輸入/輸出接口裝置、廣義對象和傳感器。其中傳感器是將被控對象或各種過程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號的一類裝置，它在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的精度。

硬件電路主要兩大塊構(gòu)成:(1）單片機(jī)及A/D采樣模塊;(2）驅(qū)動加熱模塊。STC12C5A16AD是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，為標(biāo)準(zhǔn)的引腳雙列直插40引腳集成電路芯片，其管腳引法完全等同于MCS-51。A/D采樣模塊使用電橋采集數(shù)據(jù)，其電橋由R2、R3、R5、Rpt100組成，且R2=R3=R4=R5。為了避免流過Pt100傳感器的電流過大使其發(fā)熱進(jìn)而導(dǎo)致非線性失真增大，電橋電壓不宜太高，一般要求Im<5mA，電橋電壓Vbrg=1V，由運(yùn)放電壓跟隨器提供，電橋輸出壓差為:

驅(qū)動和加熱電路是本設(shè)計(jì)的核心電路，本設(shè)計(jì)選用光電耦合器MOC3041、雙向可控硅BTA06和加熱管一起工作。雙向可控硅和加熱管串接在交流220V、50Hz交流電回路。在本設(shè)計(jì)里加熱管的功率為300瓦，而雙向可控硅BTA06的功率為1000瓦，不會出現(xiàn)加熱管功率過大而燒壞雙向可控硅BTA06的現(xiàn)象。

2#8201;模糊控制程序的實(shí)現(xiàn)

關(guān)于模糊推理方法已經(jīng)非常成熟，本文主要討論它在單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)方法。主程序包括MCU的初始化、標(biāo)志位以及顯示緩沖區(qū)清零、T0初始化、開CPU中斷、按鍵掃描等程序。

定時(shí)器T0設(shè)為定時(shí)方式1，它的溢出中斷時(shí)間為255個(gè)過零同步脈沖。需要說明的是系統(tǒng)控制程序采用兩次中斷嵌套方式來設(shè)計(jì)，T1中斷嵌套在T0中斷之中。T0中斷服務(wù)程序用于采樣數(shù)據(jù)、數(shù)值轉(zhuǎn)換程序、數(shù)字濾波、越限溫度處理、模糊計(jì)算和輸出觸發(fā)脈沖等。在T0中斷服務(wù)程序里，有數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)字濾波程序、越限處理程序、模糊算法程序、顯示程序等。在模糊算法程序中，還需要用到雙字節(jié)加法子程序、求補(bǔ)子程序和雙字節(jié)無符號數(shù)乘法子程序等。本文將溫度下限設(shè)定為10℃;溫度上限設(shè)定為80℃。

3#8201;實(shí)測效果及結(jié)論

以木制試驗(yàn)箱為對象進(jìn)行試驗(yàn)，溫控目標(biāo)設(shè)定為70℃，其控制結(jié)果顯示:控溫精度為±0.5℃且動態(tài)調(diào)整過程時(shí)間較短，并且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較好的魯棒性。模糊控制器采用模塊化設(shè)計(jì)，有利于將問題簡單化，且便于在調(diào)試中修改。本文的創(chuàng)新性體現(xiàn)在如下三個(gè)方面:（1）在驅(qū)動模塊中，選用過零型光電耦合器，不需要另加過零電路，硬件電路簡單;（2）在程序語言上，采用高級語言編寫單片機(jī)程序，其效率和移植性均很高;（3）在控制方法上，采用了模糊控制理論，能借助已有人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行溫度自動調(diào)節(jié)，系統(tǒng)具有較高的智能性與魯棒性。

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