在日常工業生產當中，恒溫控制應用非常廣泛。模糊控制技術是通過模仿人的思維方法，運用不確定的模糊信息進行決策以實現最佳的控制效果。模糊控制所關心的是目標而不是精確的數學模型，即研究的是控制器的本身而不是被控對象。因此可以利用特殊的控制媒介，研究控制器本身。本系統以此作為出發點，以單片機為核心控制器，研究模糊控制算法，實現了精確的恒溫控制。并設計了單片機與上位機的通信軟件，實現了遠程溫度控制和溫度曲線可視化的功能。

1 系統功能和硬件設計

本系統以水溫作為測量媒介，以AT89C51單片機作為核心控制器，以AD590溫度傳感器作為采集器，實現溫度的采集、控制、傳輸、顯示的功能。系統采用模糊算法對電熱絲的加熱時間進行控制，從而達到對水溫的控制。同時通過上位機軟件可以進行實時控制和顯示溫度曲線圖等，系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

1．1 溫度采集模塊

溫度采集模塊實現溫度信號采集、信號調理、模／數轉換的功能。主要以集成溫度傳感器AD590M為采集主體，經過電壓跟隨器、差分式減法器、電壓放大器、反相器等電路作為信號調理，后輸入10位A／D轉換器TLC1549進行模／數轉換。電路圖如圖2所示。

圖2 溫度采集模塊電路圖

AD590是電流型集成溫度傳感器，具有抗干擾能力強的特點，其輸出電流和溫度值成正比，且是以絕對溫度零度(-273℃)為基準，其線性電流輸出為1μA／K，利用10 kΩ的電阻可將電流信號轉換為電壓信號。本系統的測量范圍為0～100℃，因此輸出電壓范圍為2．73～3.73 V。為了增大后端電路的阻抗，減小對電流信號的分流，利用電壓跟隨器作為信號隔離。后輸入差分減法器減去2．73 V，并經過5倍電壓放大后，對應的輸出電壓范圍為O～6 V。電壓信號輸入10位逐次比較型模數轉換器TLCl549。其參考電壓為5 V，則輸入電壓的分辨率(單位：mV)為：

由于傳感器信號微弱，極易受到外界電磁環境影響，須使用雙絞線傳輸傳感器信號。

1．2 人機交互和遠程管理模塊

系統開發了豐富的人機交互接口，分為本地管理和遠程管理，最大程度上簡化了操作的復雜度和方便度。在本地端，設有三個功能按鍵，分別為：設定溫度加0．1℃、設定溫度減0．1℃、溫度控制開關。兩個三位七段數碼管，分別顯示：設定溫度和實時采集溫度。

系統通過串口轉換芯片MAX232，實現上位機和單片機的通信。上位機作為遠程管理端，實現了顯示溫度變化曲線、顯示當前溫度、顯示設定溫度、顯示最大正負誤差，放大或縮小曲線、保存曲線等功能。

1．3 溫度控制和超界報警模塊

系統利用單片機控制電熱絲在一個加熱周期內的加熱時間來實現對水溫的控制。單片機端口信號經過光耦隔離后，利用三級管驅動電磁繼電器的閉合與斷開，從而控制加熱時間。當溫度超過100℃或者實時溫度變化超過10℃時，單片機將驅動蜂鳴器進行長時間報警提示，當設置溫度變化超過10℃時，蜂鳴器進行短時間報警提示。

2 軟件系統設計

系統的控制思路為：根據模糊控制模型和實際應用情況推理出模糊查詢表，模糊查詢表表示對于不同狀態的加溫周期時間。單片機根據實時采樣溫度的變化查取模糊查詢表，對加溫周期做出調整，從而達到對溫度控制的目的。

2．1 主程序

主程序一直處于等待接收串口信號狀態，同時判斷是否需要發送數據。定時中斷每秒對采樣溫度進行平均值濾波后，置串口發送標志，在主程序中發送。單片機接收到PC信號的第一個字節時，調用接收數據子程序，將剩余數據接收到緩沖區內，并判斷接收數據的類型，執行相應操作。

為避免串口干擾信號，系統采用應答模式和單向傳輸混用的串口通信，以提高通信的穩定性和系統的實時性。上位機下發命令采用應答模式，單片機實時溫度信息上傳采用單向通信模式。通信協議由包頭、命令、數據長度、數據包、校驗位組成。

2．2 1ms定時中斷程序

1ms定時中斷作為系統的總時鐘。每1 ms刷新一位數碼管，每10 ms掃描一次按鍵，每1 s的最后100 ms中，每隔10 ms采樣一次溫度值，將10次采樣值冒泡排序，去掉最大值和最小值后的平均值，作為本次實時采樣的最終值送入顯示緩沖區。若恒溫控制開關打開，則每1 s還要調用恒溫控制程序。若報警開關打開，則每1 s取反一次揚聲器輸出。定時中斷返回前將重置看門狗。

2．3 模糊控制模型建立

系統利用了雙輸入單輸出的模糊控制模式。2個輸入語言變量E，EC分別表示溫度誤差和溫度誤差的變化率，輸出語言變量U表示繼電器的閉合時間。語言變量E賦8個值，即正小(PS)、正零(PO)、負零(NO)，負小(NS)，負中(NM)，負大(NL)，負加大(NXL)，負超大 (NXXL)，考慮到系統中并未設置降溫措施，E的賦值并不對稱。EC賦7個值，即正大(PL)、正中(PM)、正小(PS)、零(PO)、負小 (NS)、負中(NM)、負大(N-L)。U賦4個值：零(O)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PL)。為補償溫度控制無超調量，E的量化值為 -10～2，EC，U的量化值分別為-6～6，0～6。每個值采用三角形隸屬函數模型，如圖3～圖5所示。

依靠經驗來建立控制規則，但是得到的控制量并是一個模糊量，不能直接用來作為控制輸出，采用C語言進行解模糊處理，得到模糊查詢表，并在測試中反復調整，最終得到模糊查詢表如表1所示。

表1 模糊查詢表

2．4 模糊控制程序

在單片機的程序中，設置了變量TOUT表示恒溫控制周期，TSET表示一個恒溫控制周期中韻加熱輸出時間，即表中的U。每隔TOUT的時間，將調用模糊推理程序，求出誤差E和誤差變化率EC。其中：

E=實時采樣溫度值-設定溫度值

EC=當前誤差-上次誤差

當誤差較大時，不必進行模糊控制，只需判斷是全速加熱或是停止加熱。當誤差進入預設的控制范圍時，量化E，EC，并由量化值查詢模糊查詢表，得出該周期應該輸出的加熱時間TSET。

在測試中發現，采用單一的E，EC論域的效果并不讓人滿意，系統靈敏度較低?？紤]加熱慣性和高溫散熱較快的影響，采用了兩級控制的方式。在第一級控制中，E和EC的論域范圍較大，可快速加熱到恒溫設定溫度附近；此后進入第二級控制，縮小E和EC的論域范圍，提高控制的靈敏度。經測試，采用此方式可在各溫度層次控制過程中將恒溫誤差穩定在±0．3℃以內。

3 系統實驗和誤差分析

3．1 傳感器零點校準

系統采用電流型溫度傳感器AD590，同時使用單點調節電路。在理想情況下，在冰水混合物(O℃)中并聯10kΩ電阻，輸出電壓為2.73V，即為傳感器零點。同時為保證系統的精確性，使用單點調節電路進行進一步調節。

3．2 系統實驗

利用本系統對自來水進行重復性測試。由于本地氣壓和水中雜質的影響，當水到達沸點時仍無法到達100℃，因此系統的測試范圍設定為40～90℃。當系統達到溫度恒定且停止加溫后，隨機進行一次靜態數據測量；在此后100 min內，每隔5 min進行一次恒溫控制數據測量。靜態數據如表2所示，恒溫控制數據如表3所示，50℃恒溫控制上位機曲線如圖6所示。

由表3可知，系統的靜態誤差為±0.2℃。對表3中每組數據的后10個數據進行標準差計算，結果如表4所示，可知其平均誤差小于±0.3 ℃。

4 結語

該系統以模糊控制算法和單片機設計了一種恒溫控制系統。利用單片機作為核心控制器，開發了豐富的友好的人機交互環境：溫度變化曲線可視性、遠程可控性非常適合工業遠程管理要求。其成本低，可擴展性好，非常容易擴展為多路采集系統；同時采用模糊查詢表的方式，提高了系統的移植性。實驗表明：本系統能夠將水溫恒定的控制在40～90℃范圍內，控制誤差小于0．5℃，靜態誤差小于0．2℃，可廣泛的推廣和移植到工業當中。