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(diǎn)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(jī)、熱電阻和A/D轉(zhuǎn)換芯片等構(gòu)成，其特點(diǎn)是通過軟件編程實(shí)現(xiàn)模糊邏輯控制和多點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(jī)、溫度傳感器、加熱絲、吹風(fēng)機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換芯片等來實(shí)現(xiàn)的數(shù)字溫度控制系統(tǒng)，其中最主要的特點(diǎn)就是在升溫過程中采用了多點(diǎn)式線性逼近和模糊邏輯控制的方法。本文重點(diǎn)介紹這種系統(tǒng)采用的電路設(shè)計(jì)及軟件算法。

電路系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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(jī)進(jìn)行計(jì)算和判斷，計(jì)算出當(dāng)前溫度。把當(dāng)前溫度和初始設(shè)定溫度進(jìn)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(jìn)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(shí)間值，如果不輸入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將默認(rèn)按照前一次輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行工作。系統(tǒng)啟動后，將按照設(shè)定的每個(gè)點(diǎn)的時(shí)間和設(shè)定的加熱溫度進(jìn)行工作，直到最后達(dá)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(jī)、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(bào)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(shí)現(xiàn)溫度－電壓變換，經(jīng)補(bǔ)償放大至適當(dāng)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(jī)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(dāng)溫度低于/高于設(shè)定值下限時(shí)，單片機(jī)控制可控硅導(dǎo)通/關(guān)斷對加熱絲進(jìn)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(jìn)行工作的溫度和時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)控制，只需要關(guān)心功能而不是系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，研究的重點(diǎn)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)升溫并使溫度恒定。實(shí)時(shí)溫度和設(shè)置溫度的差值dT是可正可負(fù)的。為使模糊邏輯控制算法中回避有符號數(shù)的運(yùn)算，需將dT固定一個(gè)偏移量，使其論域從0開始到某一個(gè)正數(shù)。這里設(shè)定dT的論域?yàn)?/span>