基于模糊控制的恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了克服熱慣性和高溫散熱較快的影響，基于模糊控制算法，以單片機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一套恒溫控制系統(tǒng)，并介紹了硬件組成結(jié)構(gòu)和軟件控制方案。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度的精確測(cè)量和控制，其中靜態(tài)誤差小于0．2℃，恒溫控制的標(biāo)準(zhǔn)差小于O．3℃。同時(shí)系統(tǒng)還具有響應(yīng)速度快、性價(jià)比高、可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：恒溫控制；模糊控制；單片機(jī)； AD590

在日常工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，恒溫控制應(yīng)用非常廣泛。模糊控制技術(shù)是通過模仿人的思維方法，運(yùn)用不確定的模糊信息進(jìn)行決策以實(shí)現(xiàn)最佳的控制效果。模糊控制所關(guān)心的是目標(biāo)而不是精確的數(shù)學(xué)模型，即研究的是控制器的本身而不是被控對(duì)象。因此可以利用特殊的控制媒介，研究控制器本身。本系統(tǒng)以此作為出發(fā)點(diǎn)，以單片機(jī)為核心控制器，研究模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)了精確的恒溫控制。并設(shè)計(jì)了單片機(jī)與上位機(jī)的通信軟件，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程溫度控制和溫度曲線可視化的功能。

1 系統(tǒng)功能和硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)以水溫作為測(cè)量媒介，以AT89C51單片機(jī)作為核心控制器，以AD590溫度傳感器作為采集器，實(shí)現(xiàn)溫度的采集、控制、傳輸、顯示的功能。系統(tǒng)采用模糊算法對(duì)電熱絲的加熱時(shí)間進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)水溫的控制。同時(shí)通過上位機(jī)軟件可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和顯示溫度曲線圖等，系統(tǒng)框圖如圖1所示。


1．1 溫度采集模塊
溫度采集模塊實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理、模／數(shù)轉(zhuǎn)換的功能。主要以集成溫度傳感器AD590M為采集主體，經(jīng)過電壓跟隨器、差分式減法器、電壓放大器、反相器等電路作為信號(hào)調(diào)理，后輸入10位A／D轉(zhuǎn)換器TLC1549進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換。電路圖如圖2所示。

AD590是電流型集成溫度傳感器，具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，其輸出電流和溫度值成正比，且是以絕對(duì)溫度零度(-273℃)為基準(zhǔn)，其線性電流輸出為1μA／K，利用10 kΩ的電阻可將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。本系統(tǒng)的測(cè)量范圍為0～100℃，因此輸出電壓范圍為2．73～3.73 V。為了增大后端電路的阻抗，減小對(duì)電流信號(hào)的分流，利用電壓跟隨器作為信號(hào)隔離。后輸入差分減法器減去2．73 V，并經(jīng)過5倍電壓放大
后，對(duì)應(yīng)的輸出電壓范圍為O～6 V。電壓信號(hào)輸入10位逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLCl549。其參考電壓為5 V，則輸入電壓的分辨率(單位：mV)為：

從而本系統(tǒng)溫度采樣的理論分辨率為：

由于傳感器信號(hào)微弱，極易受到外界電磁環(huán)境影響，須使用雙絞線傳輸傳感器信號(hào)。
1．2 人機(jī)交互和遠(yuǎn)程管理模塊
系統(tǒng)開發(fā)了豐富的人機(jī)交互接口，分為本地管理和遠(yuǎn)程管理，最大程度上簡(jiǎn)化了操作的復(fù)雜度和方便度。在本地端，設(shè)有三個(gè)功能按鍵，分別為：設(shè)定溫度加O．1℃、設(shè)定溫度減O．1℃、溫度控制開關(guān)。兩個(gè)三位七段數(shù)碼管，分別顯示：設(shè)定溫度和實(shí)時(shí)采集溫度。
系統(tǒng)通過串口轉(zhuǎn)換芯片MAX232，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和單片機(jī)的通信。上位機(jī)作為遠(yuǎn)程管理端，實(shí)現(xiàn)了顯示溫度變化曲線、顯示當(dāng)前溫度、顯示設(shè)定溫度、顯示最大正負(fù)誤差，放大或縮小曲線、保存曲線等功能。