基于單片機與模糊PID控制的熱水器溫度智能控制設(shè)計

溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的物理量，尤其在冶金、機械、食品、化工等工業(yè)中，對工件的處理溫度都要求嚴格控制,對溫度的精確度和穩(wěn)定性均有較高要求，溫度的測量與控制直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)利益甚至存亡。

目前在國內(nèi)外很多溫度控制系統(tǒng)都采用ARM 作為處理器，PID 作為溫度控制方式[1]。該控制方式對大多數(shù)控制對象均可達到滿意的控制效果，但對于有特殊要求或具有復(fù)雜對象特性的系統(tǒng)，采用數(shù)字PID控制一般難以達到目的。基于溫度變化的非線性與模糊控制魯棒性強、干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響較小，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制，將PID與模糊控制相結(jié)合來實現(xiàn)對溫度的控制。

因此,本文以熱水器為對象，運用系統(tǒng)控制理論，以模糊控制與數(shù)字PID控制相結(jié)合方式進行溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計。

1 整體方案設(shè)計

系統(tǒng)采用晶控電子的STC系列單片機進行下位機溫度控制，同時采用PC機進行上位機控制。上位機首先給下位機發(fā)出命令，下位機再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時序信號直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機不時讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號反饋給上位機。下位機實現(xiàn)現(xiàn)場實時控制，上位機實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。

系統(tǒng)的實現(xiàn)采用模塊化設(shè)計思想,分別從硬件、軟件來設(shè)計并綜合應(yīng)用。硬件分為溫度檢測模塊、輸入輸出模塊、串口通信模塊及加熱模塊幾個部分;軟件由上下位機同時控制,包括溫度采集子程序、液晶顯示子程序、鍵盤輸入子程序、模糊PID控制子程序、串口通信子程序等。設(shè)計主要針對控制算法來實現(xiàn)，系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計

2.1溫度檢測模塊

DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器,溫度測量范圍為-55℃～+125℃,測溫分辨率可達0.062 5 ℃，它集溫度測量與A/D轉(zhuǎn)換于一體，直接輸出數(shù)字量，傳輸距離遠，可以實現(xiàn)多點檢測，硬件結(jié)構(gòu)簡單，避免了傳統(tǒng)熱電偶、熱電阻模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換、硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高的缺點，其電路連接如圖2所示。

2.2 串口通信模塊

接口RS232是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)的，而單片機采用正邏輯TTL電平，因此必須在此分立元件實現(xiàn)電平和邏輯關(guān)系的變換。通信電路中，下位機串口使用查詢法接收和發(fā)送資料，上位機發(fā)出指定字符，下位機收到后返回給上位機原字符，其電路連接如圖3所示。

2.4 加熱模塊

系統(tǒng)的加熱過程通過單片機控制繼電器的開關(guān)來實現(xiàn)，當(dāng)檢測溫度與設(shè)定溫度有差距時繼電器處于接通狀態(tài)，加熱器持續(xù)加熱，當(dāng)檢測溫度與設(shè)定溫度一致時，繼電器處于斷開狀態(tài)，加熱器停止加熱。繼電器電路連接如圖5所示[2]。