一種采用模糊邏輯控制的數字溫控系統

摘    要：本文介紹了一種采用模糊邏輯控制和多點溫度設定的新型數字溫控系統。該系統硬件主要由單片機、熱電阻和A/D轉換芯片等構成，其特點是通過軟件編程實現模糊邏輯控制和多點式線性逼近的方法，使得升溫過程更加均勻、精確，升溫曲線更接近線性。
關鍵詞：數字溫控系統；模糊邏輯控制；線性逼近

引言
溫度控制對于很多實驗或生產過程有著十分重要的作用。本文所介紹的系統是利用單片機、溫度傳感器、加熱絲、吹風機和A/D轉換芯片等來實現的數字溫度控制系統，其中最主要的特點就是在升溫過程中采用了多點式線性逼近和模糊邏輯控制的方法。本文重點介紹這種系統采用的電路設計及軟件算法。

電路系統硬件設計
控溫系統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轉換芯片轉換成頻率信號，反饋給單片機進行計算和判斷，計算出當前溫度。把當前溫度和初始設定溫度進行判斷比較，并利用模糊邏輯控制的原理，控制加熱絲的加熱進程，使加熱過程更趨于線性，從而使系統更加穩定。
系統上電后需要設定五組溫度值和時間值，如果不輸入數據，系統將默認按照前一次輸入的數據進行工作。系統啟動后，將按照設定的每個點的時間和設定的加熱溫度進行工作，直到最后達到設定溫度上限并穩定于上限。
根據控溫系統的功能，溫度控制系統由單片機、溫度傳感器、A/D轉換電路、顯示接口電路、按鍵接口電路、控溫電路、定溫超限報警電路及數據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，實現溫度－電壓變換，經補償放大至適當電壓送到A/D轉換芯片LM331N。顯示接口電路是由8只8段式數碼管及外圍器件組成，數碼管由串行－并行轉換芯片74LS164驅動，可以顯示2組0~9999數字。控溫電路由光控可控硅TLP666、可控硅BTA12、加熱絲等組成。單片機通過V/F轉換芯片LM331N感測到熱電阻上電壓隨溫度的變化，當溫度低于/高于設定值下限時，單片機控制可控硅導通/關斷對加熱絲進行控制，使溫度升高/降低。存儲電路是用來存儲溫控系統進行工作的溫度和時間，使得在系統掉電的情況下數據不會丟失，上電后不需要重新設置數據。數據存儲電路是使用串行EEPROM芯片AT24C01，它可以存儲128B數據，足夠滿足本系統的數據存儲需要。

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的線性定常系數系統非常有效，但是由于其調節品質取決于PID控制器各個參數的整定，不同的溫度控制對象要用不同的PID參數，而且參數整定比較麻煩。另外，常規PID控制器對于非線性、時變的系統和模型不清楚的系統就不能很好的控制。而用模糊邏輯實現控制，只需要關心功能而不是系統的數學模型，研究的重點是控制器本身而不是被控現象。所以這種系統對系統參數變化不敏感，具有很強的魯棒性，適用于對不同對象的控制。本系統的模糊邏輯控制是調整控制加熱絲上的電壓脈寬來實現升溫并使溫度恒定。實時溫度和設置溫度的差值dT是可正可負的。為使模糊邏輯控制算法中回避有符號數的運算，需將dT固定一個偏移量，使其論域從0開始到某一個正數。這里設定dT的論域為