基于單片機與模糊PID控制的熱水器溫度智能控制設計

溫度是工業生產過程中重要的物理量，尤其在冶金、機械、食品、化工等工業中，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系到企業的生產利益甚至存亡。

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。基于溫度變化的非線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，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統的控制，將PID與模糊控制相結合來實現對溫度的控制。

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系列單片機進行下位機溫度控制，同時采用PC機進行上位機控制。上位機首先給下位機發出命令，下位機再根據此命令解釋成相應時序信號直接控制相應設備。下位機不時讀取設備狀態數據，轉化成數字信號反饋給上位機。下位機實現現場實時控制，上位機實現遠程實時監控。

系統的實現采用模塊化設計思想,分別從硬件、軟件來設計并綜合應用。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部分;軟件由上下位機同時控制,包括溫度采集子程序、液晶顯示子程序、鍵盤輸入子程序、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實現，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，可以實現多點檢測，硬件結構簡單，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，其電路連接如圖2所示。

2.2 串口通信模塊

接口RS232是用正負電壓來表示邏輯狀態的，而單片機采用正邏輯TTL電平，因此必須在此分立元件實現電平和邏輯關系的變換。通信電路中，下位機串口使用查詢法接收和發送資料，上位機發出指定字符，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

系統的加熱過程通過單片機控制繼電器的開關來實現，當檢測溫度與設定溫度有差距時繼電器處于接通狀態，加熱器持續加熱，當檢測溫度與設定溫度一致時，繼電器處于斷開狀態，加熱器停止加熱。繼電器電路連接如圖5所示[2]。