基于單片機(jī)與模糊PID控制的熱水器溫度智能控制設(shè)計(jì)

　　溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的物理量，尤其在冶金、機(jī)械、食品、化工等工業(yè)中，對(duì)工件的處理溫度都要求嚴(yán)格控制,對(duì)溫度的精確度和穩(wěn)定性均有較高要求，溫度的測(cè)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(guó)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(duì)大多數(shù)控制對(duì)象均可達(dá)到滿意的控制效果，但對(duì)于有特殊要求或具有復(fù)雜對(duì)象特性的系統(tǒng)，采用數(shù)字PID控制一般難以達(dá)到目的?；跍囟茸兓姆蔷€性與模糊控制魯棒性強(qiáng)、干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響較小，尤其適合于非線性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制，將PID與模糊控制相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。

　　因此,本文以熱水器為對(duì)象，運(yùn)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(jìn)行溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　1 整體方案設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用晶控電子的STC系列單片機(jī)進(jìn)行下位機(jī)溫度控制，同時(shí)采用PC機(jī)進(jìn)行上位機(jī)控制。上位機(jī)首先給下位機(jī)發(fā)出命令，下位機(jī)再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時(shí)序信號(hào)直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機(jī)不時(shí)讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)反饋給上位機(jī)。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用模塊化設(shè)計(jì)思想,分別從硬件、軟件來設(shè)計(jì)并綜合應(yīng)用。硬件分為溫度檢測(cè)模塊、輸入輸出模塊、串口通信模塊及加熱模塊幾個(gè)部分;軟件由上下位機(jī)同時(shí)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(jì)主要針對(duì)控制算法來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1溫度檢測(cè)模塊

　　DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器,溫度測(cè)量范圍為-55℃～+125℃,測(cè)溫分辨率可達(dá)0.062 5 ℃，它集溫度測(cè)量與A/D轉(zhuǎn)換于一體，直接輸出數(shù)字量，傳輸距離遠(yuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測(cè)，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了傳統(tǒng)熱電偶、熱電阻模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換、硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高的缺點(diǎn)，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(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)的，而單片機(jī)采用正邏輯TTL電平，因此必須在此分立元件實(shí)現(xiàn)電平和邏輯關(guān)系的變換。通信電路中，下位機(jī)串口使用查詢法接收和發(fā)送資料，上位機(jī)發(fā)出指定字符，下位機(jī)收到后返回給上位機(jī)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(jī)控制繼電器的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)檢測(cè)溫度與設(shè)定溫度有差距時(shí)繼電器處于接通狀態(tài)，加熱器持續(xù)加熱，當(dāng)檢測(cè)溫度與設(shè)定溫度一致時(shí)，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]。