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一种采用模糊逻辑控制的数字温控系统

作者:■ 华南理工大学应用物理系 专用集成电路研究中心 陈志坚 郑学仁 黄明文 李旭时间:2005-04-27来源:eaw收藏

摘    要:本文介绍了一种采用和多点温度设定的新型。该系统硬件主要由单片机、热电阻和A/D转换芯片等构成,其特点是通过软件编程实现和多点式的方法,使得升温过程更加均匀、精确,升温曲线更接近线性。
关键词:

引言
温度控制对于很多实验或生产过程有着十分重要的作用。本文所介绍的系统是利用单片机、温度传感器、加热丝、吹风机和A/D转换芯片等来实现的数字温度控制系统,其中最主要的特点就是在升温过程中采用了多点式和模糊逻辑控制的方法。本文重点介绍这种系统采用的电路设计及软件算法。

电路系统硬件设计
控温系统通过热电阻感测温度变化,把温度信号(热电阻电压信号)通过A/D转换芯片转换成频率信号,反馈给单片机进行计算和判断,计算出当前温度。把当前温度和初始设定温度进行判断比较,并利用模糊逻辑控制的原理,控制加热丝的加热进程,使加热过程更趋于线性,从而使系统更加稳定。
系统上电后需要设定五组温度值和时间值,如果不输入数据,系统将默认按照前一次输入的数据进行工作。系统启动后,将按照设定的每个点的时间和设定的加热温度进行工作,直到最后达到设定温度上限并稳定于上限。
根据控温系统的功能,温度控制系统由单片机、温度传感器、A/D转换电路、显示接口电路、按键接口电路、控温电路、定温超限报警电路及数据存储电路等几部分组成,其原理框图如图1所示。
其中测温电路由温度传感器铂热电阻Pt100及外围器件组成,实现温度-电压变换,经补偿放大至适当电压送到A/D转换芯片LM331N。显示接口电路是由8只8段式数码管及外围器件组成,数码管由串行-并行转换芯片74LS164驱动,可以显示2组0~9999数字。控温电路由光控可控硅TLP666、可控硅BTA12、加热丝等组成。单片机通过V/F转换芯片LM331N感测到热电阻上电压随温度的变化,当温度低于/高于设定值下限时,单片机控制可控硅导通/关断对加热丝进行控制,使温度升高/降低。存储电路是用来存储温控系统进行工作的温度和时间,使得在系统掉电的情况下数据不会丢失,上电后不需要重新设置数据。数据存储电路是使用串行EEPROM芯片AT24C01,它可以存储128B数据,足够满足本系统的数据存储需要。

温度控制模糊算法
目前大部分温度控制器还是采用PID控制算法。这种算法对固定参数的线性定常系数系统非常有效,但是由于其调节品质取决于PID控制器各个参数的整定,不同的温度控制对象要用不同的PID参数,而且参数整定比较麻烦。另外,常规PID控制器对于非线性、时变的系统和模型不清楚的系统就不能很好的控制。而用模糊逻辑实现控制,只需要关心功能而不是系统的数学模型,研究的重点是控制器本身而不是被控现象。所以这种系统对系统参数变化不敏感,具有很强的鲁棒性,适用于对不同对象的控制。本系统的模糊逻辑控制是调整控制加热丝上的电压脉宽来实现升温并使温度恒定。实时温度和设置温度的差值dT是可正可负的。为使模糊逻辑控制算法中回避有符号数的运算,需将dT固定一个偏移量,使其论域从0开始到某一个正数。这里设定dT的论域为

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