基于模糊控制的恒温控制系统设计

摘要：为了克服热惯性和高温散热较快的影响，基于模糊控制算法，以单片机为基础设计了一套恒温控制系统，并介绍了硬件组成结构和软件控制方案。实验表明，该系统实现了温度的精确测量和控制，其中静态误差小于0．2℃，恒温控制的标准差小于O．3℃。同时系统还具有响应速度快、性价比高、可移植性强等优点。
关键词：恒温控制；模糊控制；单片机； AD590

在日常工业生产当中，恒温控制应用非常广泛。模糊控制技术是通过模仿人的思维方法，运用不确定的模糊信息进行决策以实现最佳的控制效果。模糊控制所关心的是目标而不是精确的数学模型，即研究的是控制器的本身而不是被控对象。因此可以利用特殊的控制媒介，研究控制器本身。本系统以此作为出发点，以单片机为核心控制器，研究模糊控制算法，实现了精确的恒温控制。并设计了单片机与上位机的通信软件，实现了远程温度控制和温度曲线可视化的功能。

1 系统功能和硬件设计
本系统以水温作为测量媒介，以AT89C51单片机作为核心控制器，以AD590温度传感器作为采集器，实现温度的采集、控制、传输、显示的功能。系统采用模糊算法对电热丝的加热时间进行控制，从而达到对水温的控制。同时通过上位机软件可以进行实时控制和显示温度曲线图等，系统框图如图1所示。


1．1 温度采集模块
温度采集模块实现温度信号采集、信号调理、模／数转换的功能。主要以集成温度传感器AD590M为采集主体，经过电压跟随器、差分式减法器、电压放大器、反相器等电路作为信号调理，后输入10位A／D转换器TLC1549进行模／数转换。电路图如图2所示。

AD590是电流型集成温度传感器，具有抗干扰能力强的特点，其输出电流和温度值成正比，且是以绝对温度零度(-273℃)为基准，其线性电流输出为1μA／K，利用10 kΩ的电阻可将电流信号转换为电压信号。本系统的测量范围为0～100℃，因此输出电压范围为2．73～3.73 V。为了增大后端电路的阻抗，减小对电流信号的分流，利用电压跟随器作为信号隔离。后输入差分减法器减去2．73 V，并经过5倍电压放大
后，对应的输出电压范围为O～6 V。电压信号输入10位逐次比较型模数转换器TLCl549。其参考电压为5 V，则输入电压的分辨率(单位：mV)为：

从而本系统温度采样的理论分辨率为：

由于传感器信号微弱，极易受到外界电磁环境影响，须使用双绞线传输传感器信号。
1．2 人机交互和远程管理模块
系统开发了丰富的人机交互接口，分为本地管理和远程管理，最大程度上简化了操作的复杂度和方便度。在本地端，设有三个功能按键，分别为：设定温度加O．1℃、设定温度减O．1℃、温度控制开关。两个三位七段数码管，分别显示：设定温度和实时采集温度。
系统通过串口转换芯片MAX232，实现上位机和单片机的通信。上位机作为远程管理端，实现了显示温度变化曲线、显示当前温度、显示设定温度、显示最大正负误差，放大或缩小曲线、保存曲线等功能。