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1、毕 业 设 计毕业设计题目：基于模糊PID算法的恒温控制系统设计学生姓名：学 号：系（院）：物理与机电工程学院自动化系专 业：自动化班 级： 级 指导教师姓名及职称： 讲师起止时间： 2010 年 10月 2011年5月（教务处制表）基于模糊PID算法的恒温控制系统设计摘要： 在工业生产中，温度控制通常具有单向性、滞后性、大惯性和时变性的特点，所以实现温度控制的快速性和准确性，对于提高产品质量和生产效率有很重要的现实意义。本系统设计以恒温水箱为被控对象，以单片机为控制器设计一恒温控制系统，恒温范围为4090中的某一温度值,温度误差在0.5以内。在控制算法上，由于传统的PID算法其参数设定后，系
2、统的运行、控制环境的变化、执行机构的参数发生变化而导致系统的数学模型发生改变时，这些参数不能进行适应性地改变。而模糊控制其优点是不需要被控对象的数学模型，而根据人工控制规律控制决策表，然后由该表决定控制量的大小，将模糊控制和PID控制结合起来，即可得到模糊控制灵活而适应性强，又可得到PID控制精度高、静态性能好的优点。关键词：恒温箱温度控制；PID控制；模糊控制；单片机 Based on fuzzy PID control temperature control system designAbstract：In industrial production, temperature contro
3、l usually has one-way, hysteresis, large inertia and time-varying characteristic, the realization of temperature control of the rapidity and the accuracy, to improve the quality of our products and production efficiency has very important practical significance. This system design with the thermosta
4、tic water tank as controlled object, by microcomputer as the controller design a temperature control system, constant temperature range for 40 90 temperature, the temperature of a certain error within 0.5 . In the control algorithm, due to the traditional PID algorithm its parameters Settings, the o
5、peration of the system, control environment changes, actuator parameters change and cause mathematic model of the system change, these parameters are not fit to change. And fuzzy control its advantage is not need to be controlled object, and the mathematical model according to artificially control l
6、aws governing decision table, and then by the quantity of decision control table, fuzzy control and PID control combined, you will get more flexible and adaptable fuzzy control, and can get PID control precision and static performance good points.Key words: Constant temperature box temperature contr
7、ol；PID control；Fuzzy control；SCM目录1 绪论.11.1 设计背景及意义.11.2设计要求及内容.12 系统总体设计方案.22.1恒温控制系统的组成.22.2 系统工作原理.3 3 系统硬件设计 .43.1 单片机AT89S52介绍.43.1.1 AT89S52主要性能参数.43.1.2 AT89S52引脚图.53.1.3 AT89S52存储器配置.73.2温度传感器.93.2.1 DS18B20的简介.93.2.2 DS18B20的测温流程.123.3 温度显示模块.123.4 温度控制模块.133.4.1温度控制原理.133.4.2 光电耦合器功能.133.5
8、 报警和按键电路.143.6 直流稳压电源.154 系统软件设计.164.1主程序流程.164.2 模糊PID控制模块.174.2.1 模糊 PID 控制器的结构设计.174.2.2 输入量的模糊化.174.2.3 模糊 PID 控制规则的设计.184.2.4 模糊量的清晰化.204.3 键盘管理模块.214.4 显示模块.224.5 温度控制模块.234.6 温度越限报警模块.245 恒温控制箱控制算法研究与仿真.255.1恒温系统的数学模型.255.2 模糊 PID 控制算法与仿真.265.3 本章小结.296 设计总结.29致 谢.30参考文献.31基于模糊PID算法的恒温控制系统设计2
9、007级 自动化专业：赖海清 指导教师： 何莹 讲师1 绪论1.1 设计背景及意义 温控技术无论是在工业生产，还是日常生活中都起着非常重要的作用。在冶金、石油、化工、电力和现代农业等行业，温度是极为重要而又普遍的热工参数之一，在普通家庭里热水器、电饭煲、电烤箱等依赖于温控技术的家电设备也是必不可少。可以说温度控制技术无处不在。 常规的温度控制方法以设定温度为临界点，超出设定允许范围即进行温度调控：低于设定值就加热，反之就停止或降温。这种方法实现简单、成本低，但控制效果不理想，控制温度精度不高、容易引起震荡，达到稳定点的时间也长，而采用模糊PID算法进行温度控制，它具有控制精度高，能够克服容量滞
10、后的特点，特别适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的并且能够自适应的控制系统。 单片机作为控制系统中必不可少的部分，在各个领域得到了广泛的应用，用单片机进行实时系统数据处理和控制，保证系统工作在最佳状态，提高系统的控制精度，有利于提高系统的工作效率。本系统采用单片机编程实现模糊PID算法进行温度控制。1.2 设计内容及要求 本课题要求以恒温水箱为被控对象，以单片机为控制器设计一恒温控制系统，恒温水箱的设定温度通过系统的键盘输入，温度设定值与箱体内的实际温度可实时显示。要求恒温范围为40-90中的某一温度值,温度误差在0.5以内，要求采用合适的控制算法。 本系统的主电路以单片机为核
11、心，用来存储数据和程序，并进行一系列的运算和处理。过程输入输出通道由测量电路和输出电路等构成，其中测量电路功能为将测量到的信号经过处理变成数字信号送入单片机中进行处理，组成测量电路的元器件类型的选择和被控温度及精度等级有关。输出电路用来输出数字信号，利用键盘可以实现人与系统之间的联系。单片机系统可用数码管显示温度的实际值和预设值，可用键盘输入设定值。 2 系统总体设计方案2.1 恒温控制系统的组成本系统设计成一个温度闭环控制系统，主回路由单片机、放大电路、驱动电路和电加热丝组成。反馈回路由DS18B20电路组成。其原理框图如下（图2-1）：电热丝功率驱动电路信号放大单片机（产生控制号）DS18
12、B20测温电路图2-1 系统原理框图另外，系统还带有输入输出设备，通过键盘输入设备，可随意输入4090之间的设定温度，输出设备可显示温度的设定值与实际温度值，使用简单。其总体硬件框图如图2-2：可控硅驱动电路单片机电 炉 炉温DS18B20测温电路输入输出设备图2-2 功能硬件框图2.2 系统工作原理本设计是对温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能：当温度低于设定下限温度时，系统自动启动可控硅加温，使温度上升。当温度上升到下限温度以上时，停止加温。 电热炉的供电电压是经可控硅整流电源提供的，它的电压连续可调。当调整可控硅触发线路中的偏置电压，即改变了可控硅导通角，于
13、是可控硅整流电源的电压可根据需要连续可调。而只要改变可控硅管的导通时间便可改变加热线功率，以达到调节温度的目的。系统在信号放大模块中采用模糊PID控制，其工作原理框图如图2-3所示。在信号放大模块中采用模糊PID（具体工作原理见4.2），其将自适应的控制可控硅触发线路中的偏置电压，从而实现自动控制温度。 模糊控制器（微处理器）模糊量化处理非模糊化处理模糊推理决策模糊控制规则 D/A A/D计算控 制变量给定值 + - 执行机构被控对象传感器 图2-3 模糊控制原理框图3 系统硬件设计 本系统的设计是根据闭环控制原理设计的，在由单片机、驱动电路、可控硅组成的开环系统基础上加上了DS18B20温度
14、检测电路，从而组成闭环控制系统。在进行系统实现时，从精度高、使用安全、系统硬件简单、使用操作方便的角度出发，选择高可靠性的器件和电路方案.本设计采用AT89S52为主控芯片，前向通道采用可控硅做执行元件，反馈通道则是采用了DS18B20作测温元件。在系统设计工程实践上，前向通道的主控芯片和执行元件之间需加一个隔离放大电路，采用PID对主控芯片产生的控制信号进行放大，经过模糊PID对可控硅进行控制。反馈通道采用的DS18B20做测温传感器。3.1单片机AT89S52介绍3.1.1 AT89S52主要性能参数 l 与MCS-51单片机产品兼容 l 8K字节在系统可编程Flash存储器 l 1000
15、次擦写周期 l 全静态操作：0Hz33Hz l 三级加密程序存储器 l 32个可编程I/O口线 l 三个16位定时器/计数器 l 八个中断源 l 全双工UART串行通道 l 低功耗空闲和掉电模式 l 掉电后中断可唤醒AT89S52可提供以下标准功能：8K字节Flash闪存器，256字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S52可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串性通信口及中断系统继续工作。掉
16、电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个中断或硬件复位为止。3.1.2 AT89S52引脚图图3-1 AT89S52引脚结构 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口
17、被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信
18、号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为一些特殊功能口，如下表所示：表3.1 P3口第2功能表引脚第2功能P3.0RXD（串行口输入端）P3.1TXD（串行口输出端）P3.2INT0（外部中断0请求输入端，低电平有效）P3.3INT1（外部中断1请求输入端，低电平有效）P3.4T0（定时器/记时器0计数脉冲输入端）P3.5T1（定时器/记时器1计数脉冲输入端）P3.6WR（外部数据存储器写选通信号输出端，
19、低电平有效）P3.7RD（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效） RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低8位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。否则，ALE
20、将被略微拉高。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.3 AT89S52存储器配置1.存储器结构程序存储器
21、：如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于89S52，如果EA 接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH。数据存储器：AT89S52 有256 字节片内数据存储器。高128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH 的地址时，寻址方式决定CPU 访问高128 字RAM 还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。2.定时器定时器0和定时器1:定时器0和定时器1与AT89C21和AT89C52一样.定时器2: 定
22、时器2是一个16位定时/计数器，它既可以做定时器，又可以做事件计数器。其工作方式由特殊寄存器T2CON中的C/T2位选择（如表2.2所示）。定时器2有三种工作模式：捕捉方式、自动重载（向下或向上计数）和波特率发生器。如表2.3 所示，工作模式由T2CON中的相关位选择。定时器2 有2 个8位寄存器：TH2和TL2。在定时工作方式中，每个机器周期，TL2 寄存器都会加1。由于一个机器周期由12 个晶振周期构成，因此，计数频率就是晶振频率的1/12。表2.2 T2CON：定时器/计数器2控制寄存器TF2EXF2RCLKTCLKEXEN2TR2C/T2CP/RL276543210表2.3 定时器2的
23、工作模式RCLK+TCLKCP/RL2TR2MODE00116位自动重载01116位捕捉1X1波特率发生器XX0（不用） 3在计数工作方式下，寄存器在相关外部输入角T2 发生1 至0 的下降沿时增加1。在这种方式下，每个机器周期的S5P2期间采样外部输入。一个机器周期采样到高电平，而下一个周期采样到低电平，计数器将加1。在检测到跳变的这个周期的S3P1 期间，新的计数值出现在寄存器中。因为识别10的跳变需要2个机器周期（24个晶振周期），所以，最大的计数频率不高于晶振频率的1/24。为了确保给定的电平在改变前采样到一次，电平应该至少在一个完整的机器周期内保持不变。3.中断AT89S52 有6个
24、中断源：两个外部中断（INT0 和INT1），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE 中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。IE还包括一个中断允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断。如表2.4所示，IE.6位是不可用的。对于AT89S52，IE.5位也是不能用的。用户软件不应给这些位写1。它们为AT89系列新产品预留。定时器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的或逻辑触发。程序进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清0。实际上，中断服务程序必须判定是否是TF2 或EXF2激活中断，标志位也必须由软件清0。定时器0和定时器1
25、标志位TF0 和TF1在计数溢出的那个周期的S5P2被置位。它们的值一直到下一个周期被电路捕捉下来。然而，定时器2 的标志位TF2 在计数溢出的那个周期的S2P2被置位，在同一个周期被电路捕捉下来。表2.4 寄存器IEEAET2ESET1EX1ET0EX0中断允许控制位=1 允许中断中断允许控制位=0 禁止中断表2.5 中断允许控制寄存器符号地址 位功能EAIE.7中断允许总控制位。EA=0，中断总禁止：EA=1,各中断由各自的控制位设定-IE.6预留ET2IE.5定时器2中断允许控制位ESIE.4串行口中断允许控制位ET1IE.3定时器1中断允许控制位EX1IE.2外部中断1允许控制位ET0
26、IE.1 定时器0中断允许控制位EX0IE.0外部中断1允许控制位3.2温度传感器现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题，本系统采用智能温度传感器DS18B20。智能温度传感器DS18B20，它的最高分辨率为12位，可识别0.0625摄氏度的温度。它具有直接输出数字信号和数据处理功能，并且它和单片机接口只需要一位I/O口，因此由它构成的系统简单实用。由于DS18B20按照工业设计要求设计，温度测量范围从-55 125，且具有高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。温度采集电路模块如图3.2所示，该模块采用
27、外接电源供电的方式。图3-2 温度采集电路模块3.2.1 DS18B20的简介 DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。1. DS18B20产品的特点A只要求一个端口即可实现通信。B在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。C实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。E数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。F内部有温度上、下限告警设置。2. DS18B20的引脚介绍TO-92封装的DS18B20的引脚排列见图3.3： 图
28、3-3 DS18B20封装图GND为地信号。DQ数据输入/输出引脚，开漏单总线接口引脚，当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。VDD可选择的VDD引脚，当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。3.DS18B20的结构及原理DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。其结构框图如图3.4：图3-4 DS18B20内部结构框图DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读书形式提供（如表3.1），以0.0625/LSB形式表达，其中是S为符号位。表3.1 这是12位转化后得到
29、的12位数据，存储在18B20的两个8位的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘以0.0625即可得到实际温度。减法计数器斜坡累加器减到0减法计数器预 置低温度系数振 荡 器高温度系数振 荡 器计数比较器预 置温度寄存器减到0图35 测温原理内部装置3.2.2 DS18B20的测温流程初始化DS18B20跳过ROM匹配温度变换延时1S跳过ROM匹配读暂存器转换成显示码数码管显示图36 DS18B20测温流程3.3 温度显示模块温度显示电路，利用单片机串行口外接移位寄存器74LS164，采用3位静态LED数码显示器，停止加热时显示设定温度，启动
30、加热时显示当前烤箱温度。电路接线原理如图3-7（P13)所示： 图 3-73.5 温度控制模块电炉控制采用可控硅来实现，水箱加热丝串接在交流220 V市电回路中。单片机的P1.7口通过光电隔离器和驱动电路送到可控硅的控制端，由P1.7口的高低电平来控制可控硅的导通与断开，从而控制电阻丝的通电加热时间。图3-8 温度控制电路3.5.1 光电耦合器功能1.光电耦合器简介光电耦合器是一种把红外光发射器件和红外光接受器件以及信号处理电路等封装在同一管座内的器件。当输入电信号加到输入端发光器件LED上，LED发光，光接受器件接受光信号并转换成电信号，然后将电信号直接输出，或者将电信号放大处理成标准数字电
31、平输出，这样就实现了“电光电”的转换及传输，光是传输的媒介，因而输入端与输出端在电气上是绝缘的，也称为电隔离。2.电耦合隔离器接口电路光电耦合隔离器在单片机控制系统中常用的有三极管型、单向可控硅型、双向可控硅型等几种，如图3-9所示图3-9 光电耦合隔离器类型3.6 报警和按键电路键盘设置4个功能键，分别是启动、“百位+”、“十位+”和“个位+”键，由P1口低4位作为键盘接口。利用+1按键可以分别对预置温度的百位、十位和个位进行加1设置，并在LED上显示当前设置值。连续按动相应位的加1键即可实现4090的温度设置。报警功能由蜂鸣器实现。当由于意外因素导致水箱温度高于设置温度时，P1.6口送出的低电平经反向器驱动蜂鸣器鸣叫报警。图3-10 按键和报警电路3.7 直流稳压电源电路中要把市电转换成5V的直流稳压电源，要用到AC/DC电路，该电路一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路组成，如图所示:图3-11直流稳压电源电路直流稳压交流电经过整流和滤波可以变成直流电，但是它的电压是不稳定的：供电电压的变化或用电电流的变化，都能引起电源电压的波动。要获得稳定不变的直流电源，还必须再增加由7805稳压块组成的直流稳压电路,图中C4和C5分别为输入端和输出端滤波电容。电路中的7805是三端集成稳压器，输出正5V直流电压，输入电压至少大于7V，使输入/输出之
