基于單片機與模糊PID控制的熱水器溫度智能控制設計

　　溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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。

　　目前在國內外很多溫度控制系統都采用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控制對象均可達到滿(mǎn)意的控制效果，但對于有特殊要求或具有復雜對象特性的系統，采用數字PID控制一般難以達到目的?；跍囟茸兓姆蔷€(xiàn)性與模糊控制魯棒性強、干擾和參數變化對控制效果的影響較小，尤其適合于非線(xiàn)性、時(shí)變及純滯后系統的控制，將PID與模糊控制相結合來(lái)實(shí)現對溫度的控制。

　　因此,本文以熱水器為對象，運用系統控制理論，以模糊控制與數字PID控制相結合方式進(jìn)行溫度控制系統的設計。

　　1 整體方案設計

　　系統采用晶控電子的STC系列單片機進(jìn)行下位機溫度控制，同時(shí)采用PC機進(jìn)行上位機控制。上位機首先給下位機發(fā)出命令，下位機再根據此命令解釋成相應時(shí)序信號直接控制相應設備。下位機不時(shí)讀取設備狀態(tài)數據，轉化成數字信號反饋給上位機。下位機實(shí)現現場(chǎng)實(shí)時(shí)控制，上位機實(shí)現遠程實(shí)時(shí)監控。

　　系統的實(shí)現采用模塊化設計思想,分別從硬件、軟件來(lái)設計并綜合應用。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(gè)部分;軟件由上下位機同時(shí)控制,包括溫度采集子程序、液晶顯示子程序、鍵盤(pán)輸入子程序、模糊PID控制子程序、串口通信子程序等。設計主要針對控制算法來(lái)實(shí)現，系統總體設計方案如圖1所示。

　　2 硬件電路設計

　　2.1溫度檢測模塊

　　DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的數字溫度傳感器,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轉換于一體，直接輸出數字量，傳輸距離遠，可以實(shí)現多點(diǎn)檢測，硬件結構簡(jiǎn)單，避免了傳統熱電偶、熱電阻模擬信號到數字信號轉換、硬件結構復雜、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是用正負電壓來(lái)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(shí)現電平和邏輯關(guān)系的變換。通信電路中，下位機串口使用查詢(xún)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

　　系統的加熱過(guò)程通過(guò)單片機控制繼電器的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現，當檢測溫度與設定溫度有差距時(shí)繼電器處于接通狀態(tài)，加熱器持續加熱，當檢測溫度與設定溫度一致時(shí)，繼電器處于斷開(kāi)狀態(tài)，加熱器停止加熱。繼電器電路連接如圖5所示[2]。