单片机温度控制毕业设计中期报告

1.3.2 模糊控制与 PID 的结合
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模糊控制与 PID 的具体结合形式有多种，主要是 Fuzzy—PID 复合控制和模 糊自整定 PID 参数的方法。Fuzzy—PID 复合控制是指当系统偏差较大时采用模 糊控制[5]，这样响应速度快，动态性能好：当系统偏差较小时采用 PID 控制， 使其具有好的静态性能，保证控制精度，是一种模糊控制和 PID 控制分阶段切换 控制的方法。模糊自整定 PID 参数的方法是根据系统偏差和偏差变化率，由模糊 推理来调整 PID 参数，也就是一种以模糊规则来调节 PID 参数的自适应控制方法 [6]。
1.3 一些先进理论
1.3.1 神经网络与ＰＩＤ的结合
神经网络是一种利用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记 忆和处理而构成的信息处理方法。神经网络以其高度的线性映射、自组织、自学 习和联想记忆等功能，可对复杂的线性系统建模[4]。该方法响应速度快，抗干 扰能力强、算法简单，且易于用硬件和软件实现。在温度控制系统中，将温度的 影响因素作为网络的输入，将其输出作为 PID 控制器的参数，以实验数据作为样 本，在微机上反复迭代，自我完善与修止，直至系统收敛，得到网络权值，达到 自整定 PID 控制器参数的目的。
将两个方案比较便可得出一个结论，采用 STC89C52 单片机来实现本题目， 电路简单，成本较低，经实验运行证明工作可靠，故选用 STC89C52 为该控制系 统的核心。
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2.1.2 温度测量电路
温控箱控制系统是一个过程控制系统，在设计的过程中，必须明确它的组成 部分。过程控制系统的组成部分有：控制器、执行器、被控对象和测量变送单元。 如图所示。
2.1.5 硬件设计最终方案
最终方案的选择经过上述各个模块电路的分别讨论，本着简单、实用的原则， 综合考虑硬件构成件编程的复杂程度以及价格和题目所要求的精确度等因素，最 后决定选用了一个比较典型的硬件方案：
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(1)采用 STC89C52 芯片 (2)温度传感器选用 DS18B20 集成数组测温电路 (3)液晶显示采用 12864 液晶 (4)键盘采用 4 个独立按键 (5)驱动电路由固态继电器，碳纤维加热丝等组成 (6)上位机串口通讯使用 MAX2方案论证
2.1 硬件设计方案
对题目进行深入的分析和思考，可将整个系统分为以下几个部分：控制器电 路、温度测量电路、键盘与液晶显示电路、功率驱动电路，PC 上位机系统。
2.1.1 控制器电路
方案一：采用运放等模拟电路搭建一个控制器，用模拟方式实现 PID 控制， 对于纯粹的温度控制，这是足够的。但是附加显示、温度设定等功能，还要附加 许多电路，稍显麻烦。同样，使用逻辑电路也可实现控制功能，但总体的电路设 计和制作比较烦琐。
1.3.3 模糊控制与神经网络的结合
模糊控制所依赖的专家经验一般不容易获得，一成不变的控制规则也很难适 应不同被控对象的要求，所以应该使模糊控制向着自适应的方向发展。基于这样 的要求，可以利用神经网络的学习能力来修正系统偏差和偏差变化率的比例系 数、修正模糊控制的隶属函数，从而达到优化模糊控制器的作用，进一步改进实 时控制的效果[7]。
本文的研究对象为试验箱，实现其对温度的控制，由于其结构相对简单，故 本文采用了改进型 PID 控制的方法，即分阶段切换控制的思想，以下将对该研究 对象做一个详细的介绍。
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1.2 国内外研究现状
当今国内外的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个 部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正 调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比 较后，如何才能更好地纠正系统，PID 控制器作为最早实用化的控制器已有 50 多年历史，由于 PID 具有简单、直观、鲁棒性好的特点，成为工业过程控制中最 为常用的控制方式。
方案一：采用液晶 1602 显示温度，1602 可以显示温度数值和 ASCII 码，但 无法显示汉字且其两行中间有间断，不适合显示温度随时间变化的曲线显示测量 温度值。
方案二：采用 12864 液晶显示器。12864 是一种内置 8192 个 16×16 点汉字 库和 128 个字符（8×16）及 64×256 点阵显示 RAM(GDRAM)的图形点阵液晶显示 器,它主要由行驱动器、列驱动器及 128×64 全点阵液晶显示屏组成,含有 2MB ROM 提供的 8192 个汉字和 16 KB ROM 提供的 128 个字符,可完成图形显示,也可 以显示汉字[11]。12864 液晶显示器能识别 18 条指令，分别实现光标显示、画 面移位、自定义字符、睡眠模式等多种功能。与微处理器的连接方式有并口和串 口两种。并口相对于串口虽然用了较多的 I/O 口，但是数据传输速度快得多。
方案二：采用 FPGA 实现控制功能。使用 FPGA 时，电路设计比较简单，通过 相应的编程设计，可以很容易地实现控制和显示、键盘等功能，是一种可选的方 案。但与单片机相比，价格较高，显然大材小用[8]。
方案三：采用单片机最小系统同时完成控制、显示、键盘等功能，电路设计 和制作比较简单，成本也低，是一种非常好的方案。
方案一：采用 pt100 或 pt1000，但使用时往往有可能因为某些原因导致整体 系统不能达到 pt100 或 pt1000 自身所能实现的精度，且需配套使用 AD7705 A/D 转换器，大大增加了复杂性和成本。况且在应用时，调理过程相当的复杂，价格 比较贵。
方案二：采用 DS18B20，该传感器测温范围为-55℃- +125℃，12 位可编程 测量分辨率为 0.0625℃,在 10～70℃的绝对精度也大多满足 0.5℃。最重要的是， 18B20 传输方式为数字式，采用单总线专用技术，非常节约 I/O 口[10]。既可通 过串行口线，也可通过其它 I/O 口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接 输出被测温度值（9 位二进制数，含符号位），适配各种单片机或系统机，内含 寄生电源，这大大降低了操作和编程的难度。相对于 Pt00 或 Pt000，DS18B20 的价格低廉。
综上所述本设计采用方案三作为控制电路。
对于单片机的型号有如下两个方案： 方案一：采用凌阳公司的SPCE061A 单片机作为控制器的方案。该单片机I/O
资源丰富，并集成了语音功能。芯片内置JTAG电路，但价格较高，相对性价比较 低，且需要一定基础。
方案二： 采用 STC89C52 单片机实现系统中数据采集及处理，它是 MCS-52 系列单片机的派生产品，使用时容易掌握。STC89C52 运行高速(最高时钟频率 90 MHz)、低功耗、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强，在系统/在应用可编 程(ISP，IAP)，不占用户资源。本系统利用了 STC89C52 单片机，采用外部 11.059 2 MHz 晶振[9]。
综上所述，模糊控制、神经网络以及它们与传统 PID 控制的结合，都属于智 能控制方法，都能够适应像温控箱这样具有非线性、大惯性、纯滞后、时变等特 点的系统，尤其是模糊控制，无需知道系统的精确信息。
1.4 本文的主要工作
本设计任务是要设计一个实验箱，控制对象为实验箱的气体，实现的功能是 温度测量和控温：
综合比较而言，我们最终选择了 12864 液晶显示器作为液晶显示模块。
2.1.4 功率驱动电路 本设计采用电热丝发热，交流 220V 电压供电。由于采用的 STC89C52 单片机 可以直接产生 PWM 波，所以不需要再另行设计产生 PWM 波的模拟电路。为了将控 制电路与驱动电路进行有效的电气隔离，将 STC89C52 单片机的 I/O 口输出之间 接到光电耦合器上。但是光电耦合芯片输出的电流功率太小，不足以驱动加热体。 在实际应用中发现，加热系统需要较大功率，使用开关电源供电，大功率开 关电源较难找，所以改用市电 220V 作为加热体电源。其驱动电路改为过零触发 型固态继电器。
给定值
控制器
执行器
被控制对象
被控参数
测量变送
图 2—1 控制系统结构框图
由图可知，在这个系统的设计中，主要设计如图几个部分。除此之外，根据 题目要求，还要选取合适的控制算法来达到系统参数的要求。对于执行器件、测 量变送元件将在部分电路设计中有说明。在这个部分主要是对控制器的确定和控 制算法的选择作一个详细的介绍。因为这两部分是实现本系统控制目的的关键。 它们选取的好坏将直接影响着整个系统实现效果的优劣，所以这是一项不容忽视 的工作。
目前，不管是国外还是国内的温度控制也主要采用 PID 控制。PID 控制效果 与控制参数的选择有很大关系，而 PID 参数的整定是一项十分繁琐的工作。虽然 PID 参数的整定和优化的方法很多，但传统的非智能整定方法如 Zieger-Nichols 法显然是一种经验法且并非最优解，不能获得理想的控制效果[3]。目前智能型 整定方法如模糊 PID、神经网络 PID 虽然能较好地实现 PID 控制参数的优化，但 需要在线整定，计算量大，使得控制器的负担很重。温控的控制受到被控对象、 环境等诸多因素的影响，难以建立精确的数学模型，采用传统的控制方式控制器 参数选择将是件很困难的事。
在测量部分，要求测量室温～80℃的温度范围，测量的精度不高于 0.5ºC， 测温的结果要求显示。
在控制部分，要求提高温度控制系统性能，缩短调节时间，提高控制精度， 并在液晶显示屏显示温度随时间的实时变化。
主要性能指标有： (1)测量精度：±0.5℃； (2)控制精度：±1℃； (3)温度设定范围：室温～80℃。 (4)显示：液晶显示当前温度和设定温度，并绘制出温度的实时曲线。
将此两个方案作比较，最终选择 DS18B20 作为温度传感器。
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2.1.3 键盘与液晶显示电路
键盘功能：选择被标定和分析的传感器，设置温度范围，选择要查看的对象， 综合这些要求，本系统采用四个独立小按键，分别为启动模式、设置模式、赋值 模式、换位模式。 液晶显示部分