一種采用模糊邏輯控制的數(shù)字溫控系統(tǒng)

摘    要：本文介紹了一種采用模糊邏輯控制和多點溫度設(shè)定的新型數(shù)字溫控系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件主要由單片機、熱電阻和A/D轉(zhuǎn)換芯片等構(gòu)成，其特點是通過軟件編程實現(xiàn)模糊邏輯控制和多點式線性逼近的方法，使得升溫過程更加均勻、精確，升溫曲線更接近線性。
關(guān)鍵詞：數(shù)字溫控系統(tǒng)；模糊邏輯控制；線性逼近

引言
溫度控制對于很多實驗或生產(chǎn)過程有著十分重要的作用。本文所介紹的系統(tǒng)是利用單片機、溫度傳感器、加熱絲、吹風機和A/D轉(zhuǎn)換芯片等來實現(xiàn)的數(shù)字溫度控制系統(tǒng)，其中最主要的特點就是在升溫過程中采用了多點式線性逼近和模糊邏輯控制的方法。本文重點介紹這種系統(tǒng)采用的電路設(shè)計及軟件算法。

電路系統(tǒng)硬件設(shè)計
控溫系統(tǒng)通過熱電阻感測溫度變化，把溫度信號(熱電阻電壓信號)通過A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成頻率信號，反饋給單片機進行計算和判斷，計算出當前溫度。把當前溫度和初始設(shè)定溫度進行判斷比較，并利用模糊邏輯控制的原理，控制加熱絲的加熱進程，使加熱過程更趨于線性，從而使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。
系統(tǒng)上電后需要設(shè)定五組溫度值和時間值，如果不輸入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將默認按照前一次輸入的數(shù)據(jù)進行工作。系統(tǒng)啟動后，將按照設(shè)定的每個點的時間和設(shè)定的加熱溫度進行工作，直到最后達到設(shè)定溫度上限并穩(wěn)定于上限。
根據(jù)控溫系統(tǒng)的功能，溫度控制系統(tǒng)由單片機、溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示接口電路、按鍵接口電路、控溫電路、定溫超限報警電路及數(shù)據(jù)存儲電路等幾部分組成，其原理框圖如圖1所示。
其中測溫電路由溫度傳感器鉑熱電阻Pt100及外圍器件組成，實現(xiàn)溫度－電壓變換，經(jīng)補償放大至適當電壓送到A/D轉(zhuǎn)換芯片LM331N。顯示接口電路是由8只8段式數(shù)碼管及外圍器件組成，數(shù)碼管由串行－并行轉(zhuǎn)換芯片74LS164驅(qū)動，可以顯示2組0~9999數(shù)字?？販仉娐酚晒饪乜煽毓鑄LP666、可控硅BTA12、加熱絲等組成。單片機通過V/F轉(zhuǎn)換芯片LM331N感測到熱電阻上電壓隨溫度的變化，當溫度低于/高于設(shè)定值下限時，單片機控制可控硅導通/關(guān)斷對加熱絲進行控制，使溫度升高/降低。存儲電路是用來存儲溫控系統(tǒng)進行工作的溫度和時間，使得在系統(tǒng)掉電的情況下數(shù)據(jù)不會丟失，上電后不需要重新設(shè)置數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲電路是使用串行EEPROM芯片AT24C01，它可以存儲128B數(shù)據(jù)，足夠滿足本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲需要。

溫度控制模糊算法
目前大部分溫度控制器還是采用PID控制算法。這種算法對固定參數(shù)的線性定常系數(shù)系統(tǒng)非常有效，但是由于其調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于PID控制器各個參數(shù)的整定，不同的溫度控制對象要用不同的PID參數(shù)，而且參數(shù)整定比較麻煩。另外，常規(guī)PID控制器對于非線性、時變的系統(tǒng)和模型不清楚的系統(tǒng)就不能很好的控制。而用模糊邏輯實現(xiàn)控制，只需要關(guān)心功能而不是系統(tǒng)的數(shù)學模型，研究的重點是控制器本身而不是被控現(xiàn)象。所以這種系統(tǒng)對系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感，具有很強的魯棒性，適用于對不同對象的控制。本系統(tǒng)的模糊邏輯控制是調(diào)整控制加熱絲上的電壓脈寬來實現(xiàn)升溫并使溫度恒定。實時溫度和設(shè)置溫度的差值dT是可正可負的。為使模糊邏輯控制算法中回避有符號數(shù)的運算，需將dT固定一個偏移量，使其論域從0開始到某一個正數(shù)。這里設(shè)定dT的論域為