陳　勇，許　亮，于海闊，黃小青

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 杭州　310014)

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基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳勇，許亮，于海闊，黃小青

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 杭州310014)

摘要：針對(duì)單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)控制方法容易出現(xiàn)響應(yīng)速度慢、振蕩劇烈、控制精度低等問題，對(duì)單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的硬件電路、控制精度、控制算法等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究;基于以AT89C51單片機(jī)為核心運(yùn)用DS18B20溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)，提出了變論域模糊PID控制算法，將變論域模糊控制和PID控制相結(jié)合，結(jié)合生豬豬舍溫度控制系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)PID控制算法以及變論域模糊PID控制進(jìn)行對(duì)比分析;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)采用了變論域模糊PID控制算法,提高了控制精度，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，從而增強(qiáng)了溫度控制系統(tǒng)的實(shí)用性，產(chǎn)生了重要的實(shí)際工程意義。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；DS18B20溫度傳感器；變論域模糊PID；溫度控制系統(tǒng)

0引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的被控參數(shù)，對(duì)典型的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行研究有著廣泛意義?，F(xiàn)代生豬豬舍能夠主動(dòng)精準(zhǔn)設(shè)定豬舍內(nèi)的溫度環(huán)境，為生豬提供最佳的生長(zhǎng)環(huán)境，有利于提高生豬豬肉產(chǎn)量，從而帶來經(jīng)濟(jì)效益[1]。以單片機(jī)為核心運(yùn)用DS18B20溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)定值時(shí)，通過降溫電路對(duì)環(huán)境進(jìn)行降溫，以達(dá)到要求的溫度，溫度低于要求時(shí)通過加熱電路進(jìn)行升溫。溫度控制的方法以PID控制較為常見，PID控制具有穩(wěn)定可靠、原理簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于常規(guī)的PID控制器是線性的，對(duì)非線性的控制系統(tǒng)存在著超調(diào)量大、穩(wěn)態(tài)精度差等問題。本文在常規(guī)PID控制方法的基礎(chǔ)上， 建立了豬舍溫度控制對(duì)象模型引入了一種變論域模糊PID控制器，并借助Simulink分別對(duì)其和常規(guī)PID以及模糊PID進(jìn)行仿真比較分析[2-3]。

1生豬豬舍溫度控制器設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)硬件電路組成

本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，采用DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器組成了一個(gè)集溫度采集、處理、溫度控制的閉環(huán)系統(tǒng)。工作時(shí)，由鍵盤輸入設(shè)定溫度值，采用變論域模糊PID算法進(jìn)行運(yùn)算，通過單片機(jī)來控制繼電器的通斷，以調(diào)節(jié)溫度至設(shè)定值。系統(tǒng)硬件電路原理如圖1所示[4]。

圖1　生豬豬舍環(huán)境的系統(tǒng)組成框圖

1.2溫度檢測(cè)電路

溫度檢測(cè)部分采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，采用單口接線方式傳輸，與微處理器連接時(shí)只需一條口線就可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的通信。不需要外圍電路，不需要A/D轉(zhuǎn)換模塊，從而大大簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜程度。DS18B20外接3．0~5.5 V電源，測(cè)溫范圍從-55~ +125 ℃，在-10~ +85 ℃固有分辨率為0.5 ℃，測(cè)量結(jié)果以9位到12位數(shù)字量方式直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以單總線串行送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有較強(qiáng)糾錯(cuò)抗干擾能力[5]。

DS18B20由只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)存儲(chǔ)器、溫度傳感器、溫度數(shù)字轉(zhuǎn)換電路和串行I/O口等幾部分組成。通過讀取DS18B20內(nèi)部溫度數(shù)字計(jì)數(shù)器并進(jìn)行有關(guān)計(jì)數(shù)換算，在其內(nèi)部有一個(gè)64 bit的標(biāo)識(shí)碼固化在ROM中，每個(gè)DS18B20標(biāo)識(shí)碼都是唯一的，使用其標(biāo)識(shí)碼，通過單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度傳感器的讀、寫等操作。將傳感器DQ端接在單片機(jī)P1.7口，并接上4.7 K上拉電阻和5 V電源，如圖2所示。

圖2DS18B20溫度傳感器接線圖

1.3顯示電路

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)用LCD1602液晶來構(gòu)成顯示電路，1602液晶是能夠顯示字母、數(shù)字、符號(hào)的點(diǎn)陣型液晶模塊，顯示的內(nèi)容為16*2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符。在DB0~DB7每個(gè)接口都接上10 K上拉電阻，液晶顯示模塊的接線如圖3所示。

圖3　顯示電路接線示意圖

1.4溫度控制電路

溫度控制電路分為升溫控制電路和降溫控制電路，當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，單片機(jī)P1.3口輸出低電平，導(dǎo)通繼電器線圈，吸合繼電器開關(guān)從而接通降溫電路，降溫風(fēng)扇工作達(dá)到降溫目的。當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，單片機(jī)P1.4口輸出低電平，導(dǎo)通繼電器線圈，吸合繼電器開關(guān)從而接通升溫電路，加熱器工作以達(dá)到加熱目的。

將單片機(jī)的P1.3口連接三極管的基極,同時(shí)接到繼電器一端，通過三極管將信號(hào)放大，傳輸給繼電器，用繼電器的開關(guān)閉合來控制降溫電路，升溫電路接到單片機(jī)P1.4口，單片機(jī)輸出低電平通過三極管放大信號(hào)給繼電器來控制升溫電路，控制加熱器來工作。設(shè)定的上限溫度和下限溫度都可以通過按鍵重新設(shè)定，并當(dāng)溫度低于下限溫度或當(dāng)溫度高于上限溫度時(shí)，溫度報(bào)警電路會(huì)通過蜂鳴器提醒報(bào)警。溫度控制電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　升溫降溫控制電路接線原理圖

系統(tǒng)的控制算法通過編程來實(shí)現(xiàn)，將溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的信號(hào)y與設(shè)定的溫度信號(hào)x進(jìn)行比較，得到誤差信號(hào)e以及誤差變化率ec由變論域模糊控制器進(jìn)行處理，輸出控制量u,通過控制繼電器的接通時(shí)間來控制系統(tǒng)的升溫和降溫過程[6-7]。

1.5變論域模糊控制思想

變論域?qū)嶋H上是將輸入和輸出的基本論域按照一定的規(guī)則進(jìn)行論域伸縮變化，從而更好滿足控制要求。即在傳統(tǒng)模糊控制的基礎(chǔ)上變論域模糊控制對(duì)輸入量和輸出量的論域分別加上一個(gè)伸縮因子以達(dá)到論域收縮的目的。圖5為變論域模糊控制原理圖[8]。

圖5　變論域模糊控制原理圖

假設(shè)系統(tǒng)輸入變量Xi(i=1,2,3,…,n)的論域?yàn)閄i=[-E,E](i=1,2,3,…,n),輸出變量y的論域?yàn)閅=[-U,U],Xi的模糊劃分為{Aij}(1≤j≤m)模糊推理規(guī)則為:

IFx1isA1jandx2isA2jand…

andxnisAnjThenyisBj,j=1,…,m

x1是A1j的峰點(diǎn)，yj是Bj的峰點(diǎn)。則輸出表示為：

(1)

經(jīng)過論域伸縮變換以后，論域的形式為：

(2)

其中:αi(xi), βi(yi)為論域的伸縮因子。選取伸縮因子[9]：

(3)

其中：λ∈(0,1),k>0;

(4)

KI為比例常數(shù)，β(0)為初始設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，通常取β(0)=1。

單輸入單輸出變論域模糊控制輸出表示為：

(5)

同理雙輸入引入誤差e和誤差變化ec作為輸入，其變論域模糊控制可表示為：

(6)

1.6模糊控制規(guī)則的建立

模糊控制規(guī)則是對(duì)工程技術(shù)人員的操作進(jìn)行總結(jié)，得到模糊條件語句。確定模糊規(guī)則的原則是從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等方面來考慮，當(dāng)誤差較小時(shí)，主要是防止超調(diào)量為主，以保持系統(tǒng)穩(wěn)定性為出發(fā)點(diǎn)，當(dāng)誤差較大時(shí)主要以消除誤差為主。選取生豬豬舍環(huán)境溫度的偏差e和偏差變化率ec作為輸入量，模糊控制器輸出量為PID三個(gè)參數(shù)的修正值，分別為 Δkp、Δki、Δkd，因此所設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)為兩輸入量(e, ec)和三輸出(Δkp, Δki, Δkd)的模糊控制系統(tǒng)。

2溫度控制系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)分析

2.1Matlab/Simulink仿真及分析

生豬生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境溫度要求比較高，適宜生豬生長(zhǎng)的環(huán)境溫度為20 ℃左右。豬舍溫度控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型：在Matlab/simulink環(huán)境下選取同樣的數(shù)學(xué)模型對(duì)PID、模糊PID、變論域模糊PID進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖6所示[10-11]。

圖6傳統(tǒng)PID、模糊PID和變論域模糊PID仿真曲線

圖6是3種控制器在溫度設(shè)定為20 ℃時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。仿真結(jié)果表明，常規(guī)控制器超調(diào)量大約為22%,溫度波動(dòng)較大，調(diào)節(jié)時(shí)間很長(zhǎng)，約為60 s；模糊PID控制較常規(guī)控制器超調(diào)量小，約為12.5%，調(diào)節(jié)時(shí)間短。變論域模糊PID控制上升時(shí)間最快，調(diào)節(jié)時(shí)間最快約為30 s，具有更小的超調(diào)量和更快的調(diào)節(jié)速度，整體控制性更好。

2.2溫度控制試驗(yàn)與分析

對(duì)豬舍內(nèi)的環(huán)境溫度進(jìn)行精確控制是試驗(yàn)的主要目標(biāo)，在模擬的豬舍環(huán)境中放置溫度傳感器DS18B20，設(shè)置上位機(jī)每30 s更新一次采集數(shù)據(jù)，并以1602液晶顯示實(shí)時(shí)溫度，從上位機(jī)數(shù)據(jù)庫得到從開始控制到10 min結(jié)束的溫度數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1　系統(tǒng)檢測(cè)到豬舍的溫度值

從數(shù)據(jù)中得到，從開始控制到5 min已得到接近設(shè)定的溫度，以20 ℃為基準(zhǔn)溫度，進(jìn)入穩(wěn)定階段最大偏差為-0.3 ℃，具有較高的精度，滿足豬舍溫度控制要求。

3結(jié)語

本系統(tǒng)介紹了基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的工作原理，并以生豬豬舍環(huán)境為例來驗(yàn)證其可行性，實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)有較高的精度，有較強(qiáng)的可行性。為了提高精度，將變論域模糊控制的思想引入到對(duì)豬舍環(huán)境溫度控制當(dāng)中。并從仿真結(jié)果可以看出，變論域模糊PID控制比傳統(tǒng)控制有調(diào)節(jié)速度更快，超調(diào)量更小，穩(wěn)態(tài)誤差更小的優(yōu)點(diǎn)，從根本上提高了溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。因此,本文所設(shè)計(jì)的溫度控制方法為生豬豬舍環(huán)境溫度控制提供了更好的思路，具有較好的實(shí)際應(yīng)用前景 。

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Design of Temperature Control System Based on Single Chip Microcomputer

Chen Yong，Xu Liang，Yu Haikuo，Huang Xiaoqing

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou310014,China)

Abstract:Aiming at the problem of temperature control system based on single chip microcomputer. Traditional control method is prone to slow response, shaking violently and bad control effect.The hardware circuit,precision temperature control and control algorithms of control system get design and research. The control system base AT89C51 as core and apply DS18B20 sensor .The variable universe fuzzy PID control was introduced in the control system. The variable universe fuzzy control and PID control combine to form a variable universe fuzzy PID controller.Compared with the traditional PID and variable universe fuzzy PID in piggery.The experimental results indicated that the system uses variable universe fuzzy PID improves the control precision, accelerate the respond speed .Thereby enhancing the usefulness of temperature control system.It had important practical engineering significance.

Keywords：microcontrollers; DS18B20 sensor ; variable universe fuzzy PID; temperature control system

文章編號(hào)：1671-4598(2016)02-0077-03

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.021

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：陳勇(1990-)，男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事物流裝備設(shè)計(jì)、環(huán)境溫度控制方向的研究。

收稿日期：2015-08-10；修回日期：2015-09-11。