PIC的溫度控制系統的設計與實現

王文濤

【摘要】對于室內空調、汽車空調這類強非線性系統，智能控制系統更加適用。本文利用模糊控制原理，對其在溫度控制系統的控制進行詳細介紹，結果表明具有較高的控制精度，分別從硬件及軟件設計兩個方面進行了闡述，對控制系統的控制單元進行了設計，采用PIC單片機作為控制單元處理器，對控制規則進行了設計。系統具有電路簡單、可靠性高、抗干擾能力強等。

【關鍵詞】模糊控制;溫度控制;PIC

1.引言

溫度控制系統廣泛應用于社會生活的各個領域，如家電、汽車、材料、電力電子等，常用的控制電路根據應用場合和所要求的性能指標有所不同，在工業企業中，如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現場技術人員努力解決的問題。同時，模糊控制在溫度控制中的作用也越來越成熟，而且大大提高了控制精度和電子產品的運行效率。

本文就是利用模糊控制對其進行了研究，硬件上選用了Microchip的PIC單片機，最大的優點是引腳少、功能強、可直接驅動LED負載;具有低功耗工作方式，外圍配置簡單提高了整機的可靠性;并且具有較強的抗干擾性，極大地調高了抵御外界的電磁干擾和本機控制電路的電磁干擾的能力。系統具有電路簡單、可靠性高、抗干擾能力強等優勢。

2.模糊控制理論介紹

2.1 模糊理論簡介

模糊系統理論是由美國自動控制理論專家L.A.Zadeh于1965年創立的。[1]隨著模糊控制系統在工業界得成功應用，越來越多的學者都對模糊系統及其理論進行了廣泛的研究和應用，使其在各個領域取得了迅速的發展。如今，因其簡單而有效地控制功能，模糊控制（Fuzzy Control）已經得到了廣泛應。由于模糊邏輯本身提供了由專家構造語言信息并將其轉化為控制策略的一種體系理論方法，因而能夠解決許多復雜而無法建立精確數學模型系統的控制問題，所以它是處理推理系統和控制系統中不精確和不確定性的一種有效方法。從廣義上講，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思維方式，對難以建立精確數學模型的對象實施的一種控制策略。它是模糊數學同控制理論相結合的產物，同時也是只能控制的重要組成部分。一般說來，模糊器有三個主要的功能模塊。將變量的實際變化范圍化分成若干等級，這些等級的全體成為變量的論域。

2.2 模糊化[2]

事實上，模糊化是將模糊控制器輸入量的確定值轉換為相應的模糊語言變量值的過程，而模糊語言變量值是一個模糊集合，所以模糊化方法應給出從精確量到模糊集合的轉變方法。從理論上講，模糊控制器的維數越高，即輸入變量個數越多，控制越精細。但維數過高，模糊控制規則變得過于復雜，控制算法實現相當困難。[3]所以選擇溫度的偏差E，和偏差變化率EC作為模糊器的輸入，輸出變量為控制量U即溫度控制量，溫度控制量越大，溫度就上升得越快。

模糊控制器的確定量輸入必須經過模糊化接口進行模糊化，這樣轉化成模糊矢量，模糊化等級是可以設定。例如將[a，b]之間的連續量x可以經過變化后就可轉化成模糊化等級，若連續變量x的值在[a，b]之間，可以由公式：

就變為連續的變量y，且y的取值范圍在[-m/2，m/2]之間，輸入輸出變量的狀態劃分為“正大、正中、正小、零、負小、負中、負大”七個檔次來描述，分別用英文字母PL，PM，PS，NO，PO，NS，NM，NL表示之。

溫度設定值的范圍定為15℃到28℃，定義溫度偏差E的論域為[-20，20]，溫度偏差變化率EC的論域為[-4，4]，風門電機的輸出量U的論域為[0%，100%]（0%表示最大制冷，100%表示最大采暖）。對E，EC和U的模糊狀態E，EC和U的整數論域分別定義如下：E和EC的論域為：{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}U的論域為：{-5，-4，-3，-2，-l，0，l，2，3，4，5}。因此，量化因子Ke=4/20=0.2，Kc=4/4=l，Ku=l/10=0.1。E和EC的模糊集均為：{NB，NS，ZE，PS，PB};U的模糊集為：{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}。

隸屬度函數的建立有一定的原則，模糊控制過程對于語言變量值的隸屬度函數形狀并不敏感，只是對隸屬度數的范圍有一定的敏感，所以在控制中選用三角形或梯形的隸屬函數是較為合適的，有利于計算隸屬度。經過分析本設計輸入和輸出的隸屬度均采用三角函數。

經過以上的分析，通過MATLAB對其進行仿真后得到模糊控制輸出曲面如圖1，由圖可以看出，其輸出比較平滑，不會帶被控制量發生太大的變化從而導致溫度的大起大落。

圖1 模糊控制輸出曲面

2.3 模糊控制推理及控制規則

模糊控制器的控制規則是基于手動控制策略，手動控制過程一般是通過對被控對象的一些觀測，操作者再根據己有的經驗和技術知識，進行綜合分析并做出控制決策，調整加到被控對象的控制作用，從而使系統達到預期的目標。可以采用微機完成這個任務，從而代替人的手動控制，實現所謂的模糊自動控制。采用IF A and B then C為模糊控制規則，其中A為溫差E的模糊子集，B為溫差變化率EC的模糊子集，C為溫度控制增量U的模糊子集。根據溫度變化的參數特點和現場實際操作經驗及專家的知識理論總結出模糊控制規則表例如：

IF E=NB and EC=NB then U=NB，IF E=NB and EC=NS then U=NM

……

2.4 精確化

模糊控制器的推理結果是模糊量，由于模糊量是一個模糊子集，而實際被控對象所需的控制信號是精確值，所以模糊控制器的推理輸出是不能直接用作實際控制的，為了從推理結果中取得用于控制的精確量，需要對模糊推理結果進行一定的處理。

因為論域為離散的，模糊控制規則集可以表示為一個模糊矩陣R[4]：

由模糊器輸入模糊矢量E/和EC/以及模糊矩陣R可求出輸出模糊矢量U/：

根據重心法原則：

對輸出模糊量進行判決，式中是的隸屬度。在實際控制u/中往往要乘上比例因子Ku以后去控制輸出即u=k×u/。利用以上原理計算得到的控制表。[5]

圖2 硬件電路設計圖

圖3 系統軟件設計圖

3.硬件設計

控制器選用Microchip公司推出的8位單片機PIC16F877A，PIC系列單片機采用哈佛總線結構，徹底將芯片內部的數據總線和指令總線分開，大大提高了CPU的執行指令速度和工作效率;其采用高性能的RISC CPU核心;優先選取使用頻率最高的簡單指令，避免復雜指令，采用控制邏輯為主的設計理念。采用更為簡單的尋址方式，功耗低，驅動能力強，采用了低功耗、高速CMOS Flash/EEPROM技術;支持中斷處理;引腳可吸入或提供電流高達25mA;三個定時計數器可供使用;2個集捕捉、比較、脈寬調制功能于一身的CCP模塊等強大功能。[6]硬件結構設計如圖2所示。溫度傳感器采用數字傳感器DS18B20，獨特的單線結構，不需外部元件，不需備份電源，測量范圍廣，9位數字值方式讀取溫度，克服了模擬式傳感器與微機接口需要的A/D轉換電路及其復雜的外圍電路使得外圍測控電路特別簡單，成本低、體積小、可靠性高。驅動器采用TB6560HQ驅動芯片制成的驅動器，可以直接輸入PWM形式的脈沖，具有正轉、反轉和停止功能，通過軟件控制運作形式即可控制電動機功能。

4.軟件設計

軟件部分主要設計了模糊控制部分。主要有系統溫度采集、模糊化、查表、精確化四部分。軟件部分首先判斷溫差是否在模糊控制的范圍之內，如果大于最大的，就令其為最大的，相反如果小于最小的就令其為最小的;其次判斷溫差變化率，溫差變化率的判斷和溫差是相同的。判斷完成后，進入查表，查表后輸出模糊控制量，對控制量進行存儲。

5.結語

本文對模糊理論在溫度控制系統進行詳細介紹，對控制系統的硬件和軟件部分分別作了設計，具有較高的控制精度，控制系統工作穩定。

參考文獻

[1]余永權，曾碧.單片機模糊邏輯控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，1995：146-174.

[2]章正斌.模糊控制[M].重慶：重慶大學出版社，1995.

[3]竇振中.模糊邏輯控制技術及其應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，1995：99-105.

[4]李友善，李軍.模糊控制理論及其在過程控制中的應用[M].北京：國防工業出版社，1993：80-95.

[5]劉克.汽車空調系統中溫度和氣流調節的控制[J].機電技術，2007，2.

[6]張明，劉岑俐.基于PIC單片機和DS18B20的溫度測量系統設計[J].電子測試，2010（04）：54-57.