基于单片机的温度控制系统的设计研究

朱玉兰 淮安市高级职业技术学校

基于单片机的温度控制系统的设计研究

朱玉兰 淮安市高级职业技术学校

工业生产是国家经济发展的主要推动力，在工业生产当中，温度是最为常见的被控参数，对温度的控制具有十分重要的意义。由于传统的温度控制系统在控制方式上存在控制精度差、响应速度慢等诸多缺陷，这也使其越来越难以适用于工业生产当中。如何利用单片机来设计一种响应速度快、控制精度高、振荡小的温度控制系统具有十分重要的意义。为此，本文便基于AT89C51单片机设计了一种温度控制系统，并结合了变论域模糊PID控制方法。经过性能测试表明，该温度控制系统的控制精度高、响应速度快、实用性强，具备极高的推广价值。

单片机 温度控制系统 设计

1 基于单片机的温度控制系统设计研究

1.1 硬件电路设计

该温度控制系统采用AT89C51单片机作为核心，利用单总线数字温度传感器设计了一种闭环式的温度控制系统，该系统集温度检测、处理与控制等功能为一体，工作人员能够通过键盘输入的方式来对温度值进行设定，并通过PID算法来对参数进行运算，由单片机实现对继电器的通断控制，从而使温度能够控制在设定值。该温度控制系统主要包括报警电路、上位机管理系统、单片机、温度控制电路、加热器升温系统、风扇降温系统、信号采集电路、键盘及液晶显示电路。

1.2 温度检测电路设计

该系统的温度检测电路利用单总线数字温度传感器来实现系统对温度的检测功能。该传感器为单口接线传输方式，其与微处理器相连，电路整体非常简单，此外，该电路还能够对数字温度信号与CRC校验码进行输出与传送，因此具备良好的抗干扰性能。在温度检测电路主要包括温度传感器、串行I/O接口、温度转换电路、只读与随机存储器等。它能够对内部的温度计数器进行读取，并进行计数换算，其内部ROM中包含一个大小为64bit的标识码，并且每个温度传感器都有与之相匹配的标识码，温度检测电路只需要对标识码进行读取，就能够通过单片机来完成对温度传感器的相关读写操作。

1.3 显示电路设计

基于单片机的温度控制系统中，显示电路的设计主要是利用LCD液晶显示屏来构成，该液晶显示屏中包含能够对符号、数字与字母进行显示的点阵型模块，其是以字符的形式来进行显示的，显示行数为两行，每行能够显示16个字符。在显示电路中，其内部共有八个接口，各个接口都设置有10K的上拉电阻。

1.4 温度控制电路设计

在该温度控制系统中，其温度控制电路主要由两种，一种是升温控制电路，另一种是降温控制电路。在降温控制电路中，由于实际温度要比设定值高，这时单片机就会输出低电平，并控制继电器进行接通，继电器则与降温电路相连，从而实现对降温电路的激活，这时降温电路就会控制风扇进行降温，从而确保实际温度降到设定值。对于升温控制电路来说，由于实际温度要比设定值低，这时单片机会通过低电平的输出来使继电器接通，继电器与升温电路相连，这时就实现了对升温电路的激活，从而控制加热器来对实际温度进行升温直至达到设定值。在温度控制电路中，单片机中的P1．3口是与三极管中的基极进行连接的，并与继电器相通，三极管会将信号进行放大处理，并将放大后的信号传输到继电器当中，由继电器进行断通闭合来实现对降温电路的激活。而升温电路则是由单片机中的P1．4口进行连接，并通过单片机对低电平的输出来使三极管对信号进行放大处理，然后由继费电器来对升温电路进行激活，从而实现对加热器的控制目的。在温度控制电路中，所设定的上下限温度值都能够通过键盘来进行重新设定，当温度超出所设定的上下限温度值时，就会激活温度报警电路，使报警电路能够通过蜂鸣器来进行报警。温度控制系统所采用的控制算法是通过编程来进行的，它能够对检测到的实际温度信号与设定温度信号进行对比，并根据信号所产生的误差及其变化情况，依据模糊控制器来进行后续控制，并通过对继电器接通时间的控制来实现系统的升温与降温。

1.5 变论域模糊控制规则的设计

在单片机的温度控制系统中，其模糊控制设计主要是通过变论域模糊控制理论来进行的，所谓变论域就是将输出与输入两者的基本论域通过相应的规则来对论域进行伸缩变化，以此达到控制的目的。它与传统的模糊控制有所不同的是，其是在传统控制方法的基础上通过在输出量与输入量论域中分别设置独立的伸缩因子来实现论域变化目的。在变论域模糊控制设计中，应建立相应的模糊规则，模糊规则应由工程技术人员根据自身操作经验的总结来进行制定，通过对操作经验的总结来获取到模糊条件语句，并根据模糊条件语句的分析来进行具体制定。变论域模糊控制的原理是对系统输入变量及输出变量的论域进行假设，然后对论域进行模糊划分，根据模糊推理规则来确定峰点，并通过论域的伸缩变换来确定论域的形式，从而找出相应的伸缩因子，然后依据伸缩因子来建立模糊控制规则。在模糊控制规则建立中，应遵循以下几个原则，其一是确保系统能够具备较强的稳定性；其二是确保系统的响应速度较快；其三是确保系统具备较好的稳态精度。此外，超调量的设置也十分重要，当模糊控制的温度误差较大时，则应通过超调量的调整来消除误差，而当模糊控制的温度误差较小时，则应防止过大的超调量来确保系统具备良好的稳定性。

2 基于单片机的温度控制系统性能测试

2.1 仿真测试与分析

本次测试的温度控制对象相同，均处于Matlab/simulink环境中，所选取的数学模型相同，并分别在数学模型中对模糊PID、PID与变论域模糊PID进行仿真测试。仿真测试结果显示，采用PID控制方式的调节时间为1分钟左右，采用模糊PID控制方式的调节时间在40秒左右，而采用变论域模糊PID控制方式的调节时间为30秒，在超调量上要比前两者更小，在调节速度上也更快，在整体控制性方面更强。

2.2 温度控制测试与分析

温度控制测试是以精确控制为目标，通过在模拟环境中安装该温度控制系统，并设置温度设定值为20℃，设置系统每半分钟对数据进行一次采集更新，控制时间为10分钟，以此判断温度达到设定值的时间及温度变化误差，结果表明，该系统在五分钟以后达到温度设定值，最大偏差为-0．2℃，整个控制过程的温度控制精度非常高，具备极高的应用价值与良好的应用前景。

[1]陈勇,许亮,于海阔,黄小青.基于单片机的温度控制系统的设计[J].计算机测量与控制,2016,24(02):77-79

[2]夏志华.基于单片机的温度控制系统的研究与实现[J].煤炭技术,2013,32(02):191-193

朱玉兰，1983-，女，江苏淮安人，汉，本科学历，职称：高校讲师，研究方向：电子技术。