基于單片機的溫度控制系統的設計研究

朱玉蘭 淮安市高級職業技術學校

基于單片機的溫度控制系統的設計研究

朱玉蘭 淮安市高級職業技術學校

工業生產是國家經濟發展的主要推動力，在工業生產當中，溫度是最為常見的被控參數，對溫度的控制具有十分重要的意義。由于傳統的溫度控制系統在控制方式上存在控制精度差、響應速度慢等諸多缺陷，這也使其越來越難以適用于工業生產當中。如何利用單片機來設計一種響應速度快、控制精度高、振蕩小的溫度控制系統具有十分重要的意義。為此，本文便基于AT89C51單片機設計了一種溫度控制系統，并結合了變論域模糊PID控制方法。經過性能測試表明，該溫度控制系統的控制精度高、響應速度快、實用性強，具備極高的推廣價值。

單片機 溫度控制系統 設計

1 基于單片機的溫度控制系統設計研究

1.1 硬件電路設計

該溫度控制系統采用AT89C51單片機作為核心，利用單總線數字溫度傳感器設計了一種閉環式的溫度控制系統，該系統集溫度檢測、處理與控制等功能為一體，工作人員能夠通過鍵盤輸入的方式來對溫度值進行設定，并通過PID算法來對參數進行運算，由單片機實現對繼電器的通斷控制，從而使溫度能夠控制在設定值。該溫度控制系統主要包括報警電路、上位機管理系統、單片機、溫度控制電路、加熱器升溫系統、風扇降溫系統、信號采集電路、鍵盤及液晶顯示電路。

1.2 溫度檢測電路設計

該系統的溫度檢測電路利用單總線數字溫度傳感器來實現系統對溫度的檢測功能。該傳感器為單口接線傳輸方式，其與微處理器相連，電路整體非常簡單，此外，該電路還能夠對數字溫度信號與CRC校驗碼進行輸出與傳送，因此具備良好的抗干擾性能。在溫度檢測電路主要包括溫度傳感器、串行I/O接口、溫度轉換電路、只讀與隨機存儲器等。它能夠對內部的溫度計數器進行讀取，并進行計數換算，其內部ROM中包含一個大小為64bit的標識碼，并且每個溫度傳感器都有與之相匹配的標識碼，溫度檢測電路只需要對標識碼進行讀取，就能夠通過單片機來完成對溫度傳感器的相關讀寫操作。

1.3 顯示電路設計

基于單片機的溫度控制系統中，顯示電路的設計主要是利用LCD液晶顯示屏來構成，該液晶顯示屏中包含能夠對符號、數字與字母進行顯示的點陣型模塊，其是以字符的形式來進行顯示的，顯示行數為兩行，每行能夠顯示16個字符。在顯示電路中，其內部共有八個接口，各個接口都設置有10K的上拉電阻。

1.4 溫度控制電路設計

在該溫度控制系統中，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，由于實際溫度要比設定值高，這時單片機就會輸出低電平，并控制繼電器進行接通，繼電器則與降溫電路相連，從而實現對降溫電路的激活，這時降溫電路就會控制風扇進行降溫，從而確保實際溫度降到設定值。對于升溫控制電路來說，由于實際溫度要比設定值低，這時單片機會通過低電平的輸出來使繼電器接通，繼電器與升溫電路相連，這時就實現了對升溫電路的激活，從而控制加熱器來對實際溫度進行升溫直至達到設定值。在溫度控制電路中，單片機中的P1．3口是與三極管中的基極進行連接的，并與繼電器相通，三極管會將信號進行放大處理，并將放大后的信號傳輸到繼電器當中，由繼電器進行斷通閉合來實現對降溫電路的激活。而升溫電路則是由單片機中的P1．4口進行連接，并通過單片機對低電平的輸出來使三極管對信號進行放大處理，然后由繼費電器來對升溫電路進行激活，從而實現對加熱器的控制目的。在溫度控制電路中，所設定的上下限溫度值都能夠通過鍵盤來進行重新設定，當溫度超出所設定的上下限溫度值時，就會激活溫度報警電路，使報警電路能夠通過蜂鳴器來進行報警。溫度控制系統所采用的控制算法是通過編程來進行的，它能夠對檢測到的實際溫度信號與設定溫度信號進行對比，并根據信號所產生的誤差及其變化情況，依據模糊控制器來進行后續控制，并通過對繼電器接通時間的控制來實現系統的升溫與降溫。

1.5 變論域模糊控制規則的設計

在單片機的溫度控制系統中，其模糊控制設計主要是通過變論域模糊控制理論來進行的，所謂變論域就是將輸出與輸入兩者的基本論域通過相應的規則來對論域進行伸縮變化，以此達到控制的目的。它與傳統的模糊控制有所不同的是，其是在傳統控制方法的基礎上通過在輸出量與輸入量論域中分別設置獨立的伸縮因子來實現論域變化目的。在變論域模糊控制設計中，應建立相應的模糊規則，模糊規則應由工程技術人員根據自身操作經驗的總結來進行制定，通過對操作經驗的總結來獲取到模糊條件語句，并根據模糊條件語句的分析來進行具體制定。變論域模糊控制的原理是對系統輸入變量及輸出變量的論域進行假設，然后對論域進行模糊劃分，根據模糊推理規則來確定峰點，并通過論域的伸縮變換來確定論域的形式，從而找出相應的伸縮因子，然后依據伸縮因子來建立模糊控制規則。在模糊控制規則建立中，應遵循以下幾個原則，其一是確保系統能夠具備較強的穩定性；其二是確保系統的響應速度較快；其三是確保系統具備較好的穩態精度。此外，超調量的設置也十分重要，當模糊控制的溫度誤差較大時，則應通過超調量的調整來消除誤差，而當模糊控制的溫度誤差較小時，則應防止過大的超調量來確保系統具備良好的穩定性。

2 基于單片機的溫度控制系統性能測試

2.1 仿真測試與分析

本次測試的溫度控制對象相同，均處于Matlab/simulink環境中，所選取的數學模型相同，并分別在數學模型中對模糊PID、PID與變論域模糊PID進行仿真測試。仿真測試結果顯示，采用PID控制方式的調節時間為1分鐘左右，采用模糊PID控制方式的調節時間在40秒左右，而采用變論域模糊PID控制方式的調節時間為30秒，在超調量上要比前兩者更小，在調節速度上也更快，在整體控制性方面更強。

2.2 溫度控制測試與分析

溫度控制測試是以精確控制為目標，通過在模擬環境中安裝該溫度控制系統，并設置溫度設定值為20℃，設置系統每半分鐘對數據進行一次采集更新，控制時間為10分鐘，以此判斷溫度達到設定值的時間及溫度變化誤差，結果表明，該系統在五分鐘以后達到溫度設定值，最大偏差為-0．2℃，整個控制過程的溫度控制精度非常高，具備極高的應用價值與良好的應用前景。

[1]陳勇,許亮,于海闊,黃小青.基于單片機的溫度控制系統的設計[J].計算機測量與控制,2016,24(02):77-79

[2]夏志華.基于單片機的溫度控制系統的研究與實現[J].煤炭技術,2013,32(02):191-193

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