【摘 要】設(shè)計(jì)以模糊PID控制算法為基礎(chǔ)，AT89C51單片機(jī)為主體的溫度控制系統(tǒng)，形成一個(gè)較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和具有高可靠性和靈活性的系統(tǒng)。單片機(jī)在各種指令輸入的基礎(chǔ)上，根據(jù)模糊PID算法得到控制值，輸出觸發(fā)信號，并經(jīng)過光電藕合器MOC3061和雙向可控硅BTA12驅(qū)動(dòng)加熱器，從而調(diào)節(jié)溫度。

【關(guān)鍵詞】模糊PID；AT89C51單片機(jī)；溫度控制

1 模糊PID控制參數(shù)整定原理

模糊控制的概念首先由美國加利福尼亞大學(xué)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(chǔ)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?qū)＜医?jīng)驗(yàn)編成模糊規(guī)則，然后將來自傳感器的實(shí)時(shí)信號模糊化，將模糊化后的信號作為模糊規(guī)則的輸入，完成模糊推理，再將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上[1-2]。

模糊PID控制是在一般PID控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加上一個(gè)環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則對PID參數(shù)進(jìn)行修正的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)，誤差E和誤差變化Ec作為系統(tǒng)的輸入，可以滿足不同時(shí)刻的E和Ec對于參數(shù)要求。

模糊PID控制器是在常規(guī)PID的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊集合理論建立參數(shù)KP、KI、KD與誤差變化間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系為：

根據(jù)不同的E和Ec進(jìn)行在線自整定參數(shù)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(shù)整定就是尋找PID的三個(gè)參數(shù)和e、ec之間的關(guān)系，整個(gè)的系統(tǒng)在運(yùn)行中不斷檢測和ec，然后再根據(jù)一定的原理對PID的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而滿足不同的e和ec對于控制參數(shù)的不同要求，從而得到良好的控制性能。

2 系統(tǒng)硬件電路的組成

模糊PID溫度控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)控制模塊，電源穩(wěn)壓模塊，溫度檢測模塊，過零檢測模塊，溫度設(shè)定模塊，溫度蜂鳴報(bào)警模塊，驅(qū)動(dòng)控制模塊，溫度LED顯示模塊等八大部分。

（1）單片機(jī)控制模塊：它是系統(tǒng)的核心模塊，用來控制其他各個(gè)模塊的工作情況。

（2）電源穩(wěn)壓模塊：對輸入的220V交流電壓進(jìn)行變壓、整流和穩(wěn)壓，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)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(jī)中。

（4）過零檢測模塊：檢測電源電壓波形的過零點(diǎn)。

（5）溫度設(shè)定模塊：用來設(shè)定所需求的溫度。

（6）溫度蜂鳴報(bào)警模塊：當(dāng)溫度高于上限或者低于下限時(shí)，該模塊啟動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)交流。

（7）驅(qū)動(dòng)控制模塊：分為兩個(gè)部分；加熱裝置與散熱裝置。

（8）溫度LED顯示模塊：顯示當(dāng)前設(shè)定的溫度值。

2.1 單片機(jī)的選擇

選用AT89C51單片機(jī)，AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory），片內(nèi)256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，可以尋址64KB的程序存儲(chǔ)器空間的低電壓、高性能的CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器允許反復(fù)擦除1000次，采用ATMEL的高密度且非易失存儲(chǔ)器制造工藝制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在一個(gè)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(wěn)壓電路

電源電路由變壓器和整流穩(wěn)壓電路組成，變壓器將220V交流電壓轉(zhuǎn)換成8V的低壓交流電壓；整流電路將8V低壓交流電壓變?yōu)槿ㄖ绷髅}動(dòng)電壓。整流部分經(jīng)過二極管與濾波電路連接，二極管的作用是隔離脈動(dòng)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(wěn)壓器7805后，得到5V穩(wěn)壓直流電壓，連接到單片機(jī)的VCC，并用于有關(guān)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(diǎn)，產(chǎn)生脈沖。整流部分產(chǎn)生的全波脈動(dòng)直流電壓送到過零檢測電路，形成與電壓過零點(diǎn)同步的正脈沖同步信號，送到單片機(jī)的中斷輸入端。

為了準(zhǔn)確跟蹤過零點(diǎn)，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(zhǔn)確，但這個(gè)寬度要大于單片機(jī)所要求的寬度，一般可選擇0.1ms～1ms，并連接到單片機(jī)的INT0上。

2.4 傳感器的選擇

選用DS18B20傳感器，DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一款數(shù)字化的單總線器件，屬于新一代改進(jìn)型智能溫度傳感器。使用DS1SB20可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得更簡單，可靠性更高。同時(shí)它的“一線總線”獨(dú)特而又經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，可使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，對測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入了全新的設(shè)計(jì)概念。其測量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～85℃范圍內(nèi)，精度為土0.5℃?，F(xiàn)場溫度直接用“一線總線”的數(shù)字方式進(jìn)行傳輸，使用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量的方式串行輸出，提高了系統(tǒng)的抗干擾性。所以數(shù)字化的單總線器件DS18B20適用于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，比如設(shè)備或過程控制、環(huán)境控制、測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等等。它在測溫精度、傳輸距離、轉(zhuǎn)換時(shí)間、分辨率等方面較DS1820都有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便和令人滿意的效果。被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測量及控制儀器儀表、測控系統(tǒng)和大型設(shè)備中[5]。

2.5 驅(qū)動(dòng)控制模塊

本控制系統(tǒng)采用通斷控制，通過改變給定的控制周期內(nèi)加熱器導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。系統(tǒng)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(dāng)單片機(jī)的P2.5口輸出低電平時(shí)，同時(shí)向驅(qū)動(dòng)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(dǎo)通，觸發(fā)外部的雙向可控硅BTA12導(dǎo)通，加熱器通電加熱；當(dāng)P2.5端輸出為高電平時(shí)，MOC3061輸出端的雙向可控硅關(guān)斷，外部的雙向可控硅BTA12同時(shí)也關(guān)斷，加熱器斷電。

3 主程序

主程序是上電后系統(tǒng)初始化和整個(gè)系統(tǒng)軟件框架的構(gòu)成，其中系統(tǒng)初始化主要包括了單片機(jī)的初始化和串口的初始化等。然后等待設(shè)定溫度，如果設(shè)定好了溫度，然后確定該系統(tǒng)的運(yùn)行鍵是否被按下，如果系統(tǒng)運(yùn)行，就依次調(diào)用各個(gè)相關(guān)的模塊的程序，循環(huán)一直到系統(tǒng)停止運(yùn)行。主程序模塊的程序流程圖如圖2所示：

4 結(jié)論

本文主要基于模糊PID控制原理，以AT89C51單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的硬件電路和軟件流程；構(gòu)建了一個(gè)能進(jìn)行較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜控制功能的系統(tǒng)，解決了溫控系統(tǒng)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(shí)具有PID控制精度高的特點(diǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]歐陽磊.基于自整定PID控制器的溫度控制系統(tǒng)研究[D].安徽：安徽理工大學(xué)，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(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010.

[3]陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：1-26.

[4]謝奕勝，等.加熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2005.

[5]黃鳳娟.基于單片機(jī)的溫度測控系統(tǒng)在溫室大棚中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].安徽：安徽大學(xué)，2006.

[責(zé)任編輯：湯靜]