基于单片机的模糊PID温度控制系统设计

基于单片机的模糊PID温度控制系统设计【摘要】设计以模糊PID控制算法为基础，AT89C51单片机为主体的温度控制系统，形成一个较复杂的数据处理和具有高可靠性和灵活性的系统。单片机在各种指令输入的基础上，根据模糊PID算法得到控制值，输出触发信号，并经过光电藕合器MOC3061和双向可控硅BTA12驱动加热器，从而调节温度。【关键词】模糊PID；AT89C51单片机；温度控制1模糊PID控制参数整定原理模糊控制的概念首先由美国加利福尼亚大学著名教授查德（L.A.Zadeh）首先提出的。它是以模糊语言变量、模糊逻辑推理、和模糊集理论为基础的一种控制方法，它是从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的一种智能控制方法。该方法首先将操作人员或专家经验编成模糊规则，然后将来自传感器的实时信号模糊化，将模糊化后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，再将推理后得到的输出量加到执行器上[1-2]。模糊PID控制是在一般PID控制系统基础上，加上一个环节，利用模糊控制规则对PID参数进行修正的一种自适应控制系统，误差E和误差变化Ec作为系统的输入，可以满足不同时刻的E和Ec对于参数要求。模糊PID控制器是在常规PID的基础上，应用模糊集合理论建立参数KP、KI、KD与误差变化间的二元连续函数关系为：根据不同的E和Ec进行在线自整定参数KP、KI、KD的控制器。模糊PID控制原理如图1所示[3]：模糊PID参数整定就是寻找PID的三个参数和e、ec之间的关系，整个的系统在运行中不断检测和ec，然后再根据一定的原理对PID的三个参数进行调节，从而满足不同的e和ec对于控制参数的不同要求，从而得到良好的控制性能。2系统硬件电路的组成模糊PID温度控制系统主要包括单片机控制模块，电源稳压模块，温度检测模块，过零检测模块，温度设定模块，温度蜂鸣报警模块，驱动控制模块，温度LED显示模块等八大部分。（1）单片机控制模块：它是系统的核心模块，用来控制其他各个模块的工作情况。（2）电源稳压模块：对输入的220V交流电压进行变压、整流和稳压，保证系统的稳定运行。（3）温度检测模块：用来采集控制对象的温度，并输入到单片机中。（4）过零检测模块：检测电源电压波形的过零点。（5）温度设定模块：用来设定所需求的温度。（6）温度蜂鸣报警模块：当温度高于上限或者低于下限时，该模块启动，以实现更好的人机交流。（7）驱动控制模块：分为两个部分；加热装置与散热装置。（8）温度LED显示模块：显示当前设定的温度值。2.1单片机的选择选用AT89C51单片机，AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory），片内256字节的数据存储器空间，可以寻址64KB的程序存储器空间的低电压、高性能的CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器允许反复擦除1000次，采用ATMEL的高密度且非易失存储器制造工艺制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相互兼容。由于将多功能的8位CPU和闪烁存储器组合在一个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效的微控制器，采用PDIP40封装。2.2电源稳压电路电源电路由变压器和整流稳压电路组成，变压器将220V交流电压转换成8V的低压交流电压；整流电路将8V低压交流电压变为全波直流脉动电压。整流部分经过二极管与滤波电路连接，二极管的作用是隔离脉动直流电压和滤波后的平滑直流电压。滤波后所得的直流电压用过三端稳压器7805后，得到5V稳压直流电压，连接到单片机的VCC，并用于有关电路的电源[4]。2.3过零检测电路过零检测电路用于检测电源电压波形的过零点，产生脉冲。整流部分产生的全波脉动直流电压送到过零检测电路，形成与电压过零点同步的正脉冲同步信号，送到单片机的中断输入端。为了准确跟踪过零点，过零脉冲的宽度要尽可能的小，这样对晶闸管的移相控制越准确，但这个宽度要大于单片机所要求的宽度，一般可选择0.1ms～1ms，并连接到单片机的INT0上。2.4传感器的选择选用DS18B20传感器，DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一款数字化的单总线器件，属于新一代改进型智能温度传感器。使用DS1SB20可以使系统结构变得更简单，可靠性更高。同时它的“一线总线”独特而又经济的特点，可使用户可轻松地组建传感器网络，对测量系统的构建引入了全新的设计概念。其测量温度范围为-55℃～+125℃，在-10℃～85℃范围内，精度为土0.5℃。现场温度直接用“一线总线”的数字方式进行传输，使用符号扩展的16位数字量的方式串行输出，提高了系统的抗干扰性。所以数字化的单总线器件DS18B20适用于恶劣环境的现场温度测量，比如设备或过程控制、环境控制、测温类消费电子产品等等。它在测温精度、传输距离、转换时间、分辨率等方面较DS1820都有了很大的改进，给用户带来了更方便和令人满意的效果。被广泛应用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器仪表、测控系统和大型设备中[5]。2.5驱动控制模块本控制系统采用通断控制，通过改变给定的控制周期内加热器导通和关断的时间，达到调节温度的目的。系统控制电路主要由双向可控硅输出型的光电藕合器MOC3061和双向可控硅BTA12组成，当单片机的P2.5口输出低电平时，同时向驱动器7407输出低电平，MOC3061的输人端有电流输人，输出端的双向可控硅从而导通，触发外部的双向可控硅BTA12导通，加热器通电加热；当P2.5端输出为高电平时，MOC3061输出端的双向可控硅关断，外部的双向可控硅BTA12同时也关断，加热器断电。3主程序主程序是上电后系统初始化和整个系统软件框架的构成，其中系统初始化主要包括了单片机的初始化和串口的初始化等。然后等待设定温度，如果设定好了温度，然后确定该系统的运行键是否被按下，如果系统运行，就依次调用各个相关的模块的程序，循环一直到系统停止运行。主程序模块的程序流程图如图2所示：4结论本文主要基于模糊PID控制原理，以AT89C51单片机为核心的温度控制系统，设计出系统的硬件电路和软件流程；构建了一个能进行较复杂的数据处理和复杂控制功能的系统，解决了温控系统中受到大惯性和干扰的影响，既有了模糊控制的灵活性，又同时具有PID控制精度高的特点。【参考文献】[1]欧阳磊.基于自整定PID控制器的温度控制系统研究[D].安徽：安徽理工大学，2009.[2]李畅，等.AOD炉铁水碳含量在线检测与控制[J].吉林：长春工业大学学报：自然科学版，2010.[3]陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，2002：1-26.[4]谢奕胜，等.加热控制系统设计[J].电子测量技术，2005.[5]黄凤娟.基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现[D].安徽：安徽大学，2006.