基于模糊PID算法的溫度控制系統的設計

劉艷峰

關鍵詞：溫度控制；STM32；DS18B20；LCD1602；模糊PID；

隨著社會經濟的發展， 溫度控制在人們生產和生活的方方面面變得越來越普及和重要， 溫度控制系統是保障工業生產順利進行、提高產品質量和安全生產的重要手段。目前我國的工業企業數量眾多，并且大多數都分布于城市中，因此對于環境控制要求較高[1]。隨著我國科學技術的不斷進步以及人民對生活品質的日益提升，智能溫控系統逐漸成為了一種主流趨勢[2]。

1 系統硬件設計

1.1 系統硬件總體設計

本設計以單片機為核心，采用了模塊化結構，通過溫度采集模塊與單片機進行數據的傳輸，可實現對溫度信號進行采集、處理和分析，從而實現對現場溫度情況的檢測和控制，同時還可以設置報警信息以及顯示相關參數等。溫度采集模塊用于實時測量被測環境溫度；同時還可以根據按鍵模塊完成對溫度的設定與更新功能[3]。當溫度超過設定的最高溫度值時，控制系統啟動風扇工作，當溫度低于設定最高溫度值后，風扇停止工作。當溫度低于設定最低溫度值后，控制系統啟動加熱器工作，當溫度高于設定最低溫度值后，加熱器停止工作。當所測溫低于最低和最高的極限值時，蜂鳴器報警提示用戶采取相應的保護措施。該系統具有較高的可靠性、穩定性及良好的可擴展性，可滿足現場環境下各種應用要求[4]。系統硬件設計框圖如圖1 所示。

1.2 主控制器模塊

溫度控制系統的主控制器采用STM32F103C8T 單片機，通過對傳感器信號進行采集、處理和顯示，實現了智能溫控系統的功能。STM32F103C8T 是基于Cortex系列的微處理器，該產品具有良好的性價比，可以支持低功耗、高性能和高靈活性等要求，并具有強大的數字信號處理功能，可用于各種應用場合，如工業控制、醫療診斷、消費電子、汽車電子系統、航空航天和軍事設備等領域[5]。

1.3 溫度采集模塊

溫度采集模塊選用DS18B20 數字溫度傳感器，通過與單片機進行通信，實現對溫度的測量。該傳感器具有體積小、精度高、工作穩定等特點，可在溫度為-55 ℃ ～ +125 ℃ 范圍內任意測量，能滿足對各種不同溫區及工況進行精確檢測的需要[6]。能自動完成溫度數據的采集、存儲，主要用于室內或室外環境中環境溫度的實時監測。電路原理圖如圖2 所示。

1.4 按鍵模塊

按鍵模塊設置3 個功能鍵，分別為s1、s2、s3。s1是功能切換鍵，通過切換可以設置溫度最高極限值和最低極限值，即控制系統的報警值。加、減時可以按s2鍵或s3 鍵進行操作[7]。

1.5 LCD顯示模塊

在LCD 液晶面板中，每個像素都有一個對應于它所處位置的發光二極管陣列，該LED 陣列將從屏幕上顯示出來的光轉換成電信號后通過信號傳輸線傳輸到單片機，從而實現了對液晶顯示屏信息存儲、控制和處理的功能。本模塊采用LCD1602，其包括LCD 面板和驅動電路、控制電路以及電源系統等部分組成[8]。由于LCD1602 液晶屏采用了全數字化控制，所以它可以實現任意亮度下的對比度調節；而普通LCD 只能根據使用者的要求進行手動調整。其顯示內容可根據需要進行設置，同時還可對文字等信息進行編輯、修改。顯示模塊主要實現的功能是顯示環境實時溫度、最高和最低極限溫度值和報警信息等。

1.6 蜂鳴器報警模塊

蜂鳴器具有體積小，質量輕等特點。由于蜂鳴器的頻率較高，所以需要將其與續流二極管一起使用時，才能正常地進行工作，否則會損壞或引起其他故障。對于有高頻噪聲的場合，要盡量選用雙極型晶體管來替代。當溫度采集模塊采集到的環境溫度高于最高極限值或者低于最低極限值時，單片機對溫度信號進行處理，并對蜂鳴器發出控制信號，蜂鳴器開始工作并發出報警信號提醒用戶[9]。

2 系統軟件設計

軟件設計采用C 語言進行編寫。C 語言是一種通用的編程語言，具有靈活、方便等特點。C 程序具有強大的編程能力和良好的擴展性，因而被廣泛地應用于各種軟件開發領域中。

軟件編程在keil 軟件中進行，Keil 軟件采用模塊化設計思想和先進的編程技術，實現了對程序進行靈活擴展并提供強大的運行環境；具有良好的界面友好性，可根據用戶需要配置各種功能模塊或模塊之間相互連接方式；支持多種編程語言及接口標準等。該軟件已被廣泛應用于電子儀器、儀器儀表和計算機應用等領域。可以通過Windows 平臺運行，并具有豐富的擴展能力和強大的圖形界面支持，使用戶能夠方便地管理自己的軟件資源。

單片機上電后，系統進行初始化。用戶根據需要對系統設置相應參數，包括溫度的最高和最低的極限值。當設定好了溫度閾值后，就可以開始正常工作了。如果溫度設得太低或太高都會影響到系統的運行。初始化完成后，系統開始采集環境溫度，通過對采集到的數據進行分析和處理。當溫度過高，超過用戶設置的最高極限值時，啟動報警模塊，蜂鳴器報警，同時風扇工作，達到降溫的目的。當溫度過低，超過用戶設置的最低極限值時，啟動報警模塊，蜂鳴器報警，同時加熱器工作，達到升溫的目的。系統采集到的數據通過顯示模塊實時顯示。溫度的上下限值利用按鍵模塊來設置。主程序流程圖如圖3 所示。

3 模糊PID算法設計

針對系統中存在著非線性、時變等不確定性因素以及外界干擾所引起的參數變化而使系統性能下降的問題，加入了模糊PID 算法，將模糊控制和傳統的PID控制相結合，采用一種簡單的隸屬函數形式，通過對輸入變量和輸出變量進行模糊化處理來實現PID 控制器參數在線整定。模糊PID 控制結構如圖4 所示。

其中，r（t） 為給定溫度值，y（t） 為系統輸出的溫度值，e為誤差值，ec 為誤差變化率，KP、KI、KD為PID 的參數，u（t） 為輸出信號。

4 實驗測試與分析

測試環境如下：系統設定的控制溫度分別為6 ℃ 和28 ℃，實驗室環境溫度為24 ℃。系統開始工作后，通過不同時刻的測量得到了不同的溫度控制曲線如圖5、6 所示。

從圖5 和圖6 的不同設定溫度的實驗中表明，例如設定溫度為6 ℃，沒有加入模糊PID 控制和加入模糊PID 控制均達到了預設的溫度值，沒有加入模糊PID 控制溫度控制系統的響應時間為426 s，加入模糊PID 控制溫度控制系統的響應時間為391 s；沒有加入模糊PID控制溫度控制系統的超調量為12%，控制誤差為0.1 ℃。加入模糊PID 控制溫度控制系統的超調量為0，控制誤差為0.03 ℃。因此，加入模糊PID 控制的溫度控制系統可以在一定程度上提高整個系統的性能，具有響應速度快、超調量小、穩態誤差小及魯棒性強等特點。

5 結束語

本文提出了一種基于模糊PID控制的溫度控制系統。并給出其硬件設計和軟件設計。采用模塊化設計思想，將硬件電路中各單元分開實現功能。軟件通過程序編寫完成各個子系統間相互通訊與協調。該系統硬件電路簡單實用、性能穩定可靠；軟件部分設計合理、操作方便，可滿足不同場合的使用要求。系統設計合理，操作簡單方便，具有良好的人機交互性。

溫度控制系統使用STM32 單片機作為控制核心，通過單片機對采集到的信號進行處理，實現了溫度采集、溫度控制、溫度顯示和設置等功能。溫度采集通過DS18B20 數字傳感器實現；溫度控制由單片機對采集到的數據進行處理，通過控制加熱器和風扇來實現；溫度顯示由LCD1602 液晶屏實現；溫度設置通過按鍵模塊來實現。該系統具有體積小、功耗低、可靠性高和抗干擾能力強等優點。同時還可以用于自動報警和自動控制，使自動化程度更高，達到節能環保目的。本系統簡單合理，使用方便，具有良好的實用性和經濟性。在保證恒定溫度范圍的前提下可滿足不同溫度環境下的需求。

加入模糊PID控制方法優化了傳統PID控制器參數，提高了溫度控制系統的穩定性和抗干擾性能。仿真結果表明：與傳統溫度控制相比，模糊PID 控制策略在保證控制精度的同時可以有效地抑制系統中存在的超調和振蕩現象。該研究為進一步提高溫度控制系統性能提供參考依據。