基于單片機的模糊PID溫度控制系統設計

【摘 要】設計以模糊PID控制算法為基礎，AT89C51單片機為主體的溫度控制系統，形成一個較復雜的數據處理和具有高可靠性和靈活性的系統。單片機在各種指令輸入的基礎上，根據模糊PID算法得到控制值，輸出觸發信號，并經過光電藕合器MOC3061和雙向可控硅BTA12驅動加熱器，從而調節溫度。

【關鍵詞】模糊PID；AT89C51單片機；溫度控制

1 模糊PID控制參數整定原理

模糊控制的概念首先由美國加利福尼亞大學著名教授查德（L.A.Zadeh）首先提出的。它是以模糊語言變量、模糊邏輯推理、和模糊集理論為基礎的一種控制方法，它是從行為上模仿人的模糊推理和決策過程的一種智能控制方法。該方法首先將操作人員或專家經驗編成模糊規則，然后將來自傳感器的實時信號模糊化，將模糊化后的信號作為模糊規則的輸入，完成模糊推理，再將推理后得到的輸出量加到執行器上[1-2]。

模糊PID控制是在一般PID控制系統基礎上，加上一個環節，利用模糊控制規則對PID參數進行修正的一種自適應控制系統，誤差E和誤差變化Ec作為系統的輸入，可以滿足不同時刻的E和Ec對于參數要求。

模糊PID控制器是在常規PID的基礎上，應用模糊集合理論建立參數KP、KI、KD與誤差變化間的二元連續函數關系為：

根據不同的E和Ec進行在線自整定參數KP、KI、KD的控制器。模糊PID控制原理如圖1所示[3]：

模糊PID參數整定就是尋找PID的三個參數和e、ec之間的關系，整個的系統在運行中不斷檢測和ec，然后再根據一定的原理對PID的三個參數進行調節，從而滿足不同的e和ec對于控制參數的不同要求，從而得到良好的控制性能。

2 系統硬件電路的組成

模糊PID溫度控制系統主要包括單片機控制模塊，電源穩壓模塊，溫度檢測模塊，過零檢測模塊，溫度設定模塊，溫度蜂鳴報警模塊，驅動控制模塊，溫度LED顯示模塊等八大部分。

（1）單片機控制模塊：它是系統的核心模塊，用來控制其他各個模塊的工作情況。

（2）電源穩壓模塊：對輸入的220V交流電壓進行變壓、整流和穩壓，保證系統的穩定運行。

（3）溫度檢測模塊：用來采集控制對象的溫度，并輸入到單片機中。

（4）過零檢測模塊：檢測電源電壓波形的過零點。

（5）溫度設定模塊：用來設定所需求的溫度。

（6）溫度蜂鳴報警模塊：當溫度高于上限或者低于下限時，該模塊啟動，以實現更好的人機交流。

（7）驅動控制模塊：分為兩個部分；加熱裝置與散熱裝置。

（8）溫度LED顯示模塊：顯示當前設定的溫度值。

2.1 單片機的選擇

選用AT89C51單片機，AT89C51是一種帶4K字節FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory），片內256字節的數據存儲器空間，可以尋址64KB的程序存儲器空間的低電壓、高性能的CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器允許反復擦除1000次，采用ATMEL的高密度且非易失存儲器制造工藝制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相互兼容。由于將多功能的8位CPU和閃爍存儲器組合在一個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效的微控制器，采用PDIP40封裝。

2.2 電源穩壓電路

電源電路由變壓器和整流穩壓電路組成，變壓器將220V交流電壓轉換成8V的低壓交流電壓；整流電路將8V低壓交流電壓變為全波直流脈動電壓。整流部分經過二極管與濾波電路連接，二極管的作用是隔離脈動直流電壓和濾波后的平滑直流電壓。濾波后所得的直流電壓用過三端穩壓器7805后，得到5V穩壓直流電壓，連接到單片機的VCC，并用于有關電路的電源[4]。

2.3 過零檢測電路

過零檢測電路用于檢測電源電壓波形的過零點，產生脈沖。整流部分產生的全波脈動直流電壓送到過零檢測電路，形成與電壓過零點同步的正脈沖同步信號，送到單片機的中斷輸入端。

為了準確跟蹤過零點，過零脈沖的寬度要盡可能的小，這樣對晶閘管的移相控制越準確，但這個寬度要大于單片機所要求的寬度，一般可選擇0.1ms～1ms，并連接到單片機的INT0上。

2.4 傳感器的選擇

選用DS18B20傳感器，DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后最新推出的一款數字化的單總線器件，屬于新一代改進型智能溫度傳感器。使用DS1SB20可以使系統結構變得更簡單，可靠性更高。同時它的“一線總線”獨特而又經濟的特點，可使用戶可輕松地組建傳感器網絡，對測量系統的構建引入了全新的設計概念。其測量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～85℃范圍內，精度為土0.5℃。現場溫度直接用“一線總線”的數字方式進行傳輸，使用符號擴展的16位數字量的方式串行輸出，提高了系統的抗干擾性。所以數字化的單總線器件DS18B20適用于惡劣環境的現場溫度測量，比如設備或過程控制、環境控制、測溫類消費電子產品等等。它在測溫精度、傳輸距離、轉換時間、分辨率等方面較DS1820都有了很大的改進，給用戶帶來了更方便和令人滿意的效果。被廣泛應用于工業、民用、軍事等領域的溫度測量及控制儀器儀表、測控系統和大型設備中[5]。

2.5 驅動控制模塊

本控制系統采用通斷控制，通過改變給定的控制周期內加熱器導通和關斷的時間，達到調節溫度的目的。系統控制電路主要由雙向可控硅輸出型的光電藕合器MOC3061和雙向可控硅BTA12組成，當單片機的P2.5口輸出低電平時，同時向驅動器7407輸出低電平，MOC3061的輸人端有電流輸人，輸出端的雙向可控硅從而導通，觸發外部的雙向可控硅BTA12導通，加熱器通電加熱；當P2.5端輸出為高電平時，MOC3061輸出端的雙向可控硅關斷，外部的雙向可控硅BTA12同時也關斷，加熱器斷電。

3 主程序

主程序是上電后系統初始化和整個系統軟件框架的構成，其中系統初始化主要包括了單片機的初始化和串口的初始化等。然后等待設定溫度，如果設定好了溫度，然后確定該系統的運行鍵是否被按下，如果系統運行，就依次調用各個相關的模塊的程序，循環一直到系統停止運行。主程序模塊的程序流程圖如圖2所示：

4 結論

本文主要基于模糊PID控制原理，以AT89C51單片機為核心的溫度控制系統，設計出系統的硬件電路和軟件流程；構建了一個能進行較復雜的數據處理和復雜控制功能的系統，解決了溫控系統中受到大慣性和干擾的影響，既有了模糊控制的靈活性，又同時具有PID控制精度高的特點。

【參考文獻】

[1]歐陽磊.基于自整定PID控制器的溫度控制系統研究[D].安徽：安徽理工大學，2009.

[2]李暢，等.AOD爐鐵水碳含量在線檢測與控制[J].吉林：長春工業大學學報：自然科學版，2010.

[3]陶永華.新型PID控制及其應用[M].北京：機械工業出版社，2002：1-26.

[4]謝奕勝，等.加熱控制系統設計[J].電子測量技術，2005.

[5]黃鳳娟.基于單片機的溫度測控系統在溫室大棚中的設計與實現[D].安徽：安徽大學，2006.

[責任編輯：湯靜]