基于模糊控制的恒溫控制系統設計

摘要：為了克服熱慣性和高溫散熱較快的影響，基于模糊控制算法，以單片機為基礎設計了一套恒溫控制系統，并介紹了硬件組成結構和軟件控制方案。實驗表明，該系統實現了溫度的精確測量和控制，其中靜態誤差小于0．2℃，恒溫控制的標準差小于O．3℃。同時系統還具有響應速度快、性價比高、可移植性強等優點。
關鍵詞：恒溫控制；模糊控制；單片機； AD590

在日常工業生產當中，恒溫控制應用非常廣泛。模糊控制技術是通過模仿人的思維方法，運用不確定的模糊信息進行決策以實現最佳的控制效果。模糊控制所關心的是目標而不是精確的數學模型，即研究的是控制器的本身而不是被控對象。因此可以利用特殊的控制媒介，研究控制器本身。本系統以此作為出發點，以單片機為核心控制器，研究模糊控制算法，實現了精確的恒溫控制。并設計了單片機與上位機的通信軟件，實現了遠程溫度控制和溫度曲線可視化的功能。

1 系統功能和硬件設計
本系統以水溫作為測量媒介，以AT89C51單片機作為核心控制器，以AD590溫度傳感器作為采集器，實現溫度的采集、控制、傳輸、顯示的功能。系統采用模糊算法對電熱絲的加熱時間進行控制，從而達到對水溫的控制。同時通過上位機軟件可以進行實時控制和顯示溫度曲線圖等，系統框圖如圖1所示。


1．1 溫度采集模塊
溫度采集模塊實現溫度信號采集、信號調理、模／數轉換的功能。主要以集成溫度傳感器AD590M為采集主體，經過電壓跟隨器、差分式減法器、電壓放大器、反相器等電路作為信號調理，后輸入10位A／D轉換器TLC1549進行模／數轉換。電路圖如圖2所示。

AD590是電流型集成溫度傳感器，具有抗干擾能力強的特點，其輸出電流和溫度值成正比，且是以絕對溫度零度(-273℃)為基準，其線性電流輸出為1μA／K，利用10 kΩ的電阻可將電流信號轉換為電壓信號。本系統的測量范圍為0～100℃，因此輸出電壓范圍為2．73～3.73 V。為了增大后端電路的阻抗，減小對電流信號的分流，利用電壓跟隨器作為信號隔離。后輸入差分減法器減去2．73 V，并經過5倍電壓放大
后，對應的輸出電壓范圍為O～6 V。電壓信號輸入10位逐次比較型模數轉換器TLCl549。其參考電壓為5 V，則輸入電壓的分辨率(單位：mV)為：

從而本系統溫度采樣的理論分辨率為：

由于傳感器信號微弱，極易受到外界電磁環境影響，須使用雙絞線傳輸傳感器信號。
1．2 人機交互和遠程管理模塊
系統開發了豐富的人機交互接口，分為本地管理和遠程管理，最大程度上簡化了操作的復雜度和方便度。在本地端，設有三個功能按鍵，分別為：設定溫度加O．1℃、設定溫度減O．1℃、溫度控制開關。兩個三位七段數碼管，分別顯示：設定溫度和實時采集溫度。
系統通過串口轉換芯片MAX232，實現上位機和單片機的通信。上位機作為遠程管理端，實現了顯示溫度變化曲線、顯示當前溫度、顯示設定溫度、顯示最大正負誤差，放大或縮小曲線、保存曲線等功能。