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1、沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）摘 要本文介绍了基于单片机的温度控制系统，阐述了系统软硬件的设计方法和工作原理。温度传感器和精密电阻构成的电桥将温度信号转变成电压信号，经过差分放大电路和A/D转换器后输入单片机。单片机根据模糊控制算法进行控制，输出脉冲信号通过继电器控制加热量，从而将温度控制在设定值。软件部分主要介绍了proteus和模糊控制算法。采用了模块化设计思想，优化了软件程序以简化外部硬件电路，程序可读性强，提高了系统的功能，降低了生产成本。该系统具有温度实时测量、显示和控制三种功能。有效的减小了超调量和静态误差，缩短了调节时间。对今后的综合实验的开发具有实用价值。关键字：
2、单片机；温度；模糊控制；继电器 AbstractThe paper introduces the temperature control system based on single chip, expounds the system hardware and software design method and principle of work. The temperature sensor and precise resistance constitutes the bridge will temperature signal into voltage signal, after dif
3、ference amplifying circuit and after the A/D converter input microcontroller. SCM according to the fuzzy control algorithm, the output pulse signal control by relay control, which will add heat temperature control in value.Proteus mainly introduces the software and fuzzy control algorithm. Using the
4、 idea of modular design, optimization software program to simplify the external hardware circuit, procedures, and improve the system of strong readability of function, reduce the production cost. This system has the temperature measurement, display and control functions. Effectively reduced the over
5、shoot and static error, shorten the time. The comprehensive experiments for future development of practical value.Key words: Single chip microcomputer；Temperature；Fuzzy control；SSR目 录1 概述11.1 温度控制系统的任务11.2 温度模糊控制系统的发展趋势11.3 毕业设计的内容与安排32 温度控制原理42.1 温度控制工作原理42.2 温度控制的方式52.3 温度控制系统的设计53 温度模糊控制系统硬件设计73.
6、1 温度控制系统硬件总体设计73.2 温度控制系统的硬件结构的设计83.2.1 信号采集通道的设计81. 温度传感器82. 测量放大器83. A/D转换器的选择103.2.2 显示电路设计121.动态显示驱动132静态显示驱动133.BCD码的介绍143.2.3 键盘电路设计153.2.4 控制电路的设计164 温度控制系统软件的设计184.1 引 言184.2 proteus介绍184.3 软件总体设计204.4 模糊控制算法214.4.1. 输入量的模糊化214.4.2. 模糊规则的形成与推理214.4.3. 反模糊化214.5 数据处理子程序的设计224.6 显示程序的设计235 温度控
7、制系统调试与设计255.1 温度控制系统软件调试255.2 温度模糊控制系统联机调试255.3 调试故障及原因分析26结 论27致 谢28参考文献29附录程序清单30附录II温度控制系统电路图3940 1 概述1.1 温度控制系统的任务本次毕业设计的主要任务是设计一个温度模糊控制系统，该系统以单片机为核心并应用模糊控制规律对温度进行控制。温度是工业对象中的主要被控参数之一。在各行业中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测与控制。采用单片机对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控制温度的精度等技术指标，大大提高了产品的质量和生产效率。此
8、系统可对温度实时显示，并根据监控人员的要求对温度进行控制。它利用热电阻传感器将温度的变化转变电阻的变化，再通过电桥把电阻信号转变为0到5伏的电压，再A/D转换器把模拟信号转换成数字信号输入单片机，经过单片机适当的处理后，能进行实时显示与控制。1.2 温度模糊控制系统的发展趋势模糊技术作为一门引人注目的应用科学，越来越受到全世界人们的关注，专家们认为它有可能成为21世纪科学发展的一项基础技术。为了确保21世纪的科技竞争力，各国争先恐后地发展模糊技术，而这也推动温度控制系统趋向高精度、高稳定性，趋向智能化、模糊化。温度控制的快速发展，其控制方法越来越多，大概经历了模拟PID控制、数字PID控制、模
9、糊控制、神经网络和遗传算法等温度控制算法。随着灰色理论和模糊控制技术的发展，温度控制系统也向前发展，要求实现模糊控制。 模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法,主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象，仅依赖于操作人员的经验和直观判断,非常容易应用。模糊温控的实现: (1) 将温控对象的偏差和偏差变化率以及输出量划分为不同的模糊值,建立规则,例如：IF温度太高OR温度正在上升,THEN减少控制输入或风冷。将这些模糊规则写成模糊条件语句,形成模糊模型。(2) 根据控制查询表,形成模糊算法。(3) 对温度误差采样的精确量模糊化,经过
10、数学处理输入计算机中,计算机根据模糊规则推理做出模糊决策,求出相应的控制量,变成精确量去驱动执行机构,调整输入,达到调节温度,使之稳定的目的。同传统的PID 控制比较,模糊控制响应快,超调量小,参数变化不敏感。 模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法,主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象，仅依赖于操作人员的经验和直观判断,非常容易应用。模糊温控的实现: (1) 将温控对象的偏差和偏差变化率以及输出量划分为不同的模糊值,建立规则,例如：IF温度太高OR温度正在上升,THEN减少控制输入或风冷。将这些模糊规则写成模糊条件语句,形
11、成模糊模型。(2) 根据控制查询表,形成模糊算法。(3) 对温度误差采样的精确量模糊化,经过数学处理输入计算机中,计算机根据模糊规则推理做出模糊决策,求出相应的控制量,变成精确量去驱动执行机构,调整输入,达到调节温度,使之稳定的目的。同传统的PID 控制比较,模糊控制响应快,超调量小,参数变化不敏感。模糊控制与神经网络结合，利用神经网络的学习能力来修正偏差和偏差变化的比例系数,可以优化模糊控制器,从而进一步改进实时控制效果,以便应用于温度过程控制中。其优点是动态响应快,能达到高精度的快速控制,具有极强的鲁棒性和适应能力。遗传算法(Genetic Algorithm.简称GA)是模拟达尔文的遗传
12、选择和自然淘汰的生物进化过程的全局优化搜索算法。基于遗传算法温控系统的设计就是将传感器得到的温度信号放大,数字化后送入单片机,单片机把它与给定温度进行比较,用遗传算法来优化PID 3个参数,然后输出控制量。将PID 3个参数串接在一起构成一个完整的染色体，从而构成遗传空间中的个体,通过繁殖交叉和变异遗传操作生成新一代群体,经过多次搜索获得最大适应度值的个体即为所求的数值。系统具有调试方便、温控精度高和抗干扰性强等优点。模糊控制、神经网络、遗传算法三者结合，基于神经网络的方法上,将模式辨识、预测最优控制与神经网络结合,由神经元网络模型预估器辨识系统模型,并实时为控制器提供参考输入,由最优控制器对
13、数据进行处理、决策,选定最优的控制量,达到温度最佳控制的目的。该系统能随外界干扰而变化,实时地调节网络和控制规律,具有良好的温度跟踪性能和抗干扰能力。 随着电子器件的发展,控制电路的形式也多种多样,无论是神经网络,模糊控制还是遗传算法,都属于人工智能领域,同PID 结合以调节PID 参数,可以适应温控系统非线性、干扰多、时延长、时变和分布变化的特点，可以实现温控系统的参数自调整,将线性控制与非线性相结合, 从而达到更好的控制效果。1.3 毕业设计的内容与安排本次毕业设计的内容为基于单片机的温度模糊控制系统的设计。通过系统软硬件的设计，调试，达到炉温控制的智能化。下面是论文的各章节内容安排。第1
14、章对本次毕业设计的任务进行了分析，对温度控制系统的发展趋势进行了简述。第2章从温度的控制原理简单的阐述三种温度控制方式。第3章重点讲述系统的硬件设计，并附有相应的硬件原理图接口电路图。第4章论述了系统的软件设计。第5章重点描述了整个系统的软硬件的调试过程。最后，对系统的结果进行详细的分析和总体评价。2 温度控制原理本章就温度控制技术详细阐述了对一个功率为300W的电热杯加热相关的内容。2.1 温度控制工作原理温度模糊控制系统的被控对象是一个功率为300W的电热杯，当温度到达设定值时，要保持电热杯中的水温基本不变的条件是：输送给电热杯中水的热量和输出的热量相等，此时电热杯中水的温度保持不变。在电
15、炉炉温控制中，欲得到一个恒定的温度，需要在温度低于或高于给定的温度时通过检测与控制，用继电器调节加热通电时间来调节电阻丝的功率，以达到控制温度恒定的目的。采样周期T的选择应综合考虑以下因素：给定值的变化频率，被控对象的特性，使用的算式和执行机构的类型和控制的回路数。温度控制系统中，T 一般取较大，因为温度反应慢，滞后大，不宜过于频繁控制。表2.1是常用被控量的经验采样周期。实践中，可以以表中的数据为基础。通过试验最后确定最合适的采样周期。被控量采样周期T(s)备 注流量15优选12压力310优选68液位68温度1520或取纯滞后时间 表2.1常见被控量的经验采样周期根据以上工程经验值，温度过程的采样周期一般为1520s考虑到300W电热杯对1L水加温比较慢，暂时确定采样周期T为15s。如图2.1所示，其控制过程如下：系统由传感器把温度的变化
