基于C8051F020单片机的模糊PID温度测控系统设计
基于模糊PID的通用中档单片机温度控制系统设计
第7卷 第15期 2007年8月167121819(2007)1523934203 科 学 技 术 与 工 程Science Technol ogy and Engineering Vol .7 No .15 Aug .2007 2007 Sci .Tech .Engng .基于模糊P I D 的通用中档单片机温度控制系统设计刘 军 李建伟 李慧琴(河南农业大学机电工程学院,郑州450002)摘 要 温度的控制有着十分广泛的应用,尝试设计一个具有普遍适用意义的中档单片机温度控制系统。
该系统采用模糊P I D 方法进行温度控制,采用C8051F020单片机作为控制核心。
该系统能克服普通的单片机P I D 温度控制系统的一些不足之处,达到较为理想的控制效果。
阐述了该系统的模糊P I D 控制原理,介绍了该系统的硬件结构,给出了该系统的程序框图。
关键词 模糊P I D 单片机 温度控制 系统设计中图法分类号 TP273.6; 文献标识码 A2006年10月13日收到 河南省科技攻关项目(0624260033)资助第一作者简介:刘 军(1952—),男,山东济宁人,河南农业大学机电工程学院教授,硕士研究生导师,研究方向:机电一体化技术、数控技术和CAPP 。
Email:liujunshd@sina .com 。
温度作为一个基本物理参量,在表征系统的内部状态方面有着重要的意义。
因此,温度控制在国民经济的各个部门中也有着十分广泛的应用。
在这些应用中,有些场合(比如烤烟)要求温度的变化要遵循一定的工艺曲线,这就要求相应的温度控制系统要能够实时获得温度信息并施行实时控制。
目前该领域得到了相当广泛的关注,成为单片机应用领域的研究热点之一[1,2]。
本文在借鉴现有各类单片机温度控制系统的基础上,尝试设计一个中档通用单片机温度控制系统,该系统采用基于模糊的P I D 方法作为控制算法,采用C8051F020单片机作为控制核心。
基于单片机C8051F的智能温控系统的设计与实现
基于单片机C8051F的智能温控系统的设计与实现.txt“我羡慕内些老人羡慕他们手牵手一直走到最后。
━交话费的时候，才发现自己的话那么值钱。
·490·计算机测量与控制.2009.17(3)Computer Measurement & Control 控制技术中华测控网收稿日期:2008-07-27; 修回日期:2008-08-30。
基金项目:西北工业大学创新实验室资助项目(07031)作者简介:赵跃齐(1983-),在读研究生,主要从事计算机测控技术方向的研究。
马瑞卿(1963-),教授,博士,主要从事电机智能控制技术方向的研究。
文章编号:1671-4598(2009)03-0490-02 中图分类号:TP274·5文献标识码:A基于单片机C8051F的智能温控系统的设计与实现赵跃齐,马瑞卿,梁贵毅,曾重,梁波(西北工业大学自动化学院,陕西西安710072)摘要:随着自动化水平的不断提高,工业现场对温度的控制越来越高,设计了一种适用于现代工业现场的实时高精度温度监控系统;采用单片机C8051F020和PC机相结合,具有数据采集、数据显示、数据通信及数据存储等功能,通过RS485总线和上位机相连,上位机可以通过软件对系统进行设置和控制,系统同时通过液晶模块实时显示监测到的温度和万年历;试验证明,本系统具有一定的实时高精度性能,有着很强的推广价值。
关键词:单片机;智能温控;液晶模块;上位机Design and Realization of Intelligent Temperature Control SystemBased on C8051F MicrocontrollersZhao Yueqi, Ma Ruiqing, Liang Guiyi, Zeng Zhong, Liang Bo(Automation College, Northwestern Polytechnical University, Xi an 710072, China) Abstract:With the continuous improvement of automated level, the requirements for temperature control is more and more high in in-dustry scene. This article develops a temperature control system, which can suit to modern industry, use single chip computer C8051F020and personal computer together, have the functions of data acquisition, data display, data communication and data storage. implementedthrough RS485 connect to host conputer, the host computer can use software to control and setting the system , at the same time, the sys-tem can display the temperature and calendar by LCD module in time. The practical results has proved that this system has high precisionand worthy of using abroad.Key words:microcontrollers; intelligent temperature control; LCD module; host computer0 引言现代工业技术的自动化程度在不断提高。
基于C8051F020单片机的加热炉温度测控系统的研发
基于C8051F020单片机的加热炉温度测控系统的研发毕业设计（论文）基于C8051F020单片机的加热炉温度测控系统的研发系别自动化工程系专业名称测控技术与仪器班级学号5060824学生姓名李威指导教师金伟2010年06月15日基于C8051F020单片机的加热炉测控系统的研发摘要本课题对工业对象中主要的被控参数电阻炉炉温进行研究，设计了下位机硬件电路、软件程序和上位机软件程序。
硬件电路主要以C8051F020单片机为核心，并且由ADC0809、HD7279a和max232等芯片构成。
以C8051F020单片机为主体，构成一个能进行较复杂的数据处理和较复杂控制功能的智能控制器。
单片机根据输入的各种命令，进行智能计算得到控制值，输出脉冲触发信号，经过保护电路控制双向可控硅的导通角，从而控制电阻炉的加热时间。
软件程序采用两重中断嵌套方式，效率较高。
因为单片机内存有限提出了一种常规控制的方法，即调节K p、K i、K d三个参数，来实现控制。
电阻炉炉温的变化系统为二阶惯性纯滞后大惯性系统，最后分别利用PID算法及模糊控制通过MATLAB进行计算机温度控制仿真，得到了较理想的控制效果。
同时利用串口实现与PC机的通信，用vc编写上位机界面，PC机作为上位机进行较复杂算法的选择和控制。
关键词：单片机，温度控制，PID调节，matlab仿真The Research of C8051F020 SCM Based on The Heating FurnaceControl System DevelopmentAuthor：Li WeiTutor：Jin WeiAbstractThis subject mainly for industrial object of resistance furnace temperature control parameters were studied, and the design of hardware circuit and software program and PC software program. The hardware circuit consists mainly of C8051F020 SCM as the core and ADC0809 7279: max232, etc. To C8051F020 SCM chip as the main body, can form a complex data processing and complex function of intelligent controller. According to the input of various orders chip, intelligent calculated, the output pulse triggering signal components, after protecting circuit control bidirectional thyristor conduction angles, which controls the heating time resistance furnace. Software interrupt nested manner by two, higher efficiency. Because of limited memory chip is proposed, i.e. normal control method of K p mohan, adjust K i, three parameters K d, come to control. The resistance furnace temperature change system for second inertia pure inertial system, finally lag big respectively using PID algorithm and fuzzy control by MATLAB simulation of temperature control, computer got better control effect. While using the serial communication with the PC, written by vc computer interface, PC as PC for complex algorithm of choice and control.Keywords: SCM, temperature control, PID, matlab simulation目录1 绪论 (1)1.1研究背景和研究意义 (1)1.2所要解决的主要问题 (1)1.3研究方法和创新之处 (2)1.4电加热炉的国内外发展现状 (2)1.4.1 定值开关控温法 (3)1.4.2 PID线性控温法 (4)1.4.3 智能温度控制法 (4)1.5系统总体设计方案 (4)1.5.1 系统性能要求及特点 (5)1.5.2 系统硬件方案分析 (6)1.5.3 系统软件方案分析 (7)2 硬件设计 (8)2.1系统硬件总体结构 (8)2.2主控模块的器件选型及设计 (9)2.2.1 单片机的选用 (9)2.2.2 C8051F020片上系统单片机片内资源介绍 (10)2.2.3 系统实验板 (13)2.2.4 复位电路的可靠性设计 (14)2.2.5 晶振电路的设计 (15)2.2.6 串口驱动电路的设计 (16)2.2.7 A/D转换电路设计 (18)2.2.8 过零检测电路的设计 (19)2.2.9 PWM输出电路的设计 (20)2.2.10 键盘及显示电路的设计 (22)3 系统控制算法研究 (25)3.1加热炉的数学建模 (25)3.2PID控制原理 (26)3.2.1 数字PID控制算法 (27)3.2.2 增量式PID仿真结果 (28)3.3模糊自适应PID算法 (29)3.3.1 模糊自适应PID的特点 (29)3.3.2 模糊自适应PID的结构 (30)3.3.3 模糊自适应PID的控制结构原理 (31)3.4加热炉温度的模糊自适应PID控制器的设计 (31)3.4.1 温度值模糊自适应PID的模糊化 (31)3.4.2 模糊自适应PID的模糊规则及推理算法 (32)3.4.3 模糊自适应PID控制器的解模糊化 (33)4 炉温测控系统上位机软件实现技术 (36)4.1M ATLAB软件与VC软件通信的实现 (36)4.2可视化上位机监控界面的实现 (37)总结与展望 (38)5.1总结 (38)5.2展望 (39)致谢 (40)参考文献 (41)附录 (43)附录A：英文文献 (43)附录B：中文译文 (46)1 绪论1.1 研究背景和研究意义随着世界各国经济的快速发展，对能源的消耗与日俱增，怎样降低功耗提高经济效益，已经成为世界人们所关注的问题。
基于模糊PID的温度控制系统设计分析
技大学,2013. [2] 郝少杰,方康玲.基于模糊PID参数自整定的温度控制系统的研究
[D].武汉:武汉科技大学,2011. [3] 何荣誉.基于模糊PID的电热炉温度智能控制系统[D].长沙:湖南
大学,2014.
作者简介 朱学飞（1984－），男，新疆人；学历：硕士，职称：讲师，现
1 PID控制算法概述 1.1 常规PID控制原理 PID控制器较为简单，其工作原理是一种线性控制方式，
根据系数变动而发生变化。通过控制器发生比例作用（P）、微 分作用（I）、积分作用（D），将3项结果相加，就可得到控制 器输出参数。3个参数各司其职，比例部分可以消除微差，微分 部分可帮助减少静态误差，积分部分可帮助缩短调节时间[2]。 这3个变量如能完美搭配，可呈现出极好的控制效果，使温度控 制系统运行快捷、功能稳定，准确地将对象的温度调整到理想 状态，实现温度控制目标。
2 模糊PID在温度控制器中的具体应用
温度控制系统是应用PID控制器为控制核心最常见的一种
设备。对温度的控制实际是将温度数值作为调控目标。目前， 常见的应用是模糊自整定参数调整。
常见的温度控制系统由温度采样结构、反馈电路、半导体 制冷器、驱动电路以及保护电路组合而成[3]，多采用单闭环形 式。工作流程如下：
3 结束语 本文提出的基于模糊PID的温度控制系统，实际也是一种基
于继电器反馈的参数自整定PID控制系统，其能实现在线自适应 调整输出参数，用于工业温度控制系统的控温效果显著。随着科 技发展，逐渐出现了基于人工智能、遗传理论的更深层次的复合 模糊控制算法，这些技术必将为PID的长远发展添加助力。
1.2 常规PID控制器缺陷 然而常规的PID控制器具有的滞后性、时变性使得参数不 稳定，无法在规定时间内获取一个稳定的值，相应的各项参数 误差过大，无法达到目标控制效果，严重地甚至会引发设备故 障，影响产品质量和项目进度，造成生产损失。基于此，模糊 控制算法应运而生。 1.3 模糊PID （1）模糊控制的原理。模糊控制的原理是结合基于模糊 控制算法的PID参数整定与模糊理论，利用PID的3个参数对其 加以整定，进而构建一个功能完善、参数变化相对稳定的PID 控制器。模糊控制算法是将模糊化的控制规则存储在系统的控 制设备中，这些控制规则主要是熟练技术人员的实践操作经验 和一些专家提出的设计理念，可视为一种规则库。当使用模糊 控制器时，系统会将传感器回传的监测信号进行模糊化分析， 并在规则库中进行实时对比分析，匹配后得出最终的输出信 号。这一控制器主要由模糊集理论、模糊语言的变量和模糊控 制算法的识别与逻辑推理3个模块构成。 （2）模糊自适应原理。一般来说，模糊自适应PID是通过 模糊推理误差和误差变化率，并将推理结果与模糊规则库中的 数据和规则进行对比分析，进而进行参数的整定。这一环节主 要是根据传感器信号经过不断的修正过程，最终确定3个修正后 的参数数值，使得输出的信号更精准，最后达到的控制效果才 能满足预期。
基于C8051F020单片机的实时测控装置设计
基于C8051F020单片机的实时测控装置设计
摘要：为了实现某型电子装备研制中对于时序控制和多路数据采集的实时性要求，设计了一种基于C8051F020单片机的实时测控装置。
采用多单片机系统实现了多路模数混合信号的实时采集，完成复杂的时序控制，准确地输出各种控制信号。
将采集的数据进行综合分析计算，利用硬件逻辑判决电路对单片机的计算结果和传感器的参考信号进行优先级判断，最终输出系统所需的触发信号。
该装置采用多个单片机和功能模块，构建了多数入多输出的数据采集和控制系统，利用RS 485协议实现多机串行通信，完成了系统预定功能。
关键词：C8051F020;测控装置;数据采集;时序控制
0 引言
C8051Fxxx单片机是美国Silabs公司推出的完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核。
在项目研制中采用
C8051F020单片机，对于熟悉掌握51单片机的技术人员来说，在硬件设计及软件编程上大大提高了研制效率和装备可维护性。
测控装置是某型电子装备的实时控制装置，是整个系统最重要的组成部分之一，是系统运行过程中的指挥控制中心。
该装置通过构建多单片机系统，实现了复杂时序的实时控制以及多路数据采集，可以提供系统正常工作所需的多路输出控制信号;通过硬件设计和软件编程实现了单片机与单片机、单片机与上位机之间的实时通信，各子系统之间的效据交换和复杂逻辑关系的处理，系统在规定时间可靠输出多路控制信号等功能。
1 测控装置的硬件设计
1.1 总体设计。
基于单片机的模糊PID温度控制系统设计-文献综述
文献综述温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。
控制精度直接影响着产品质量的好坏。
实验室人员根据材料的烧成制度来调节电炉的输出电压以实现对电炉的温度控制。
一般的有两种方法:第一种就是手动调压法,第二种控制方法在主回路中采取双向可控硅装置,并结合一些简单的仪表,使得保温阶段能够自动,但这两种方法的升温过程都是依赖于试验者的调节,并不能精确的按照给定的升降温速度来调节。
本文提出的以参数自整定PID 控制为基础的温控系统简单、可靠,大大提高了控制质量及自动化水平,具有良好的经济效益。
电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能,借助辐射与对流的传热方式加热工件。
通常可用以下模型定性描述()02τ-=+t KV X dtdX T 式中 X ——电炉内温升（指炉内温度与室温温差)K ——放大系数t ——加热时间T ——时间系数V ——控制电压τ0——纯滞后时间但在实际热力过程中，由于被加热金属的导热率、装入量以及加热温度等因素的不同，直接影响着 K 、T 、τ0等参数的变化，因此电炉本身具有很大的不确定性。
温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。
控制精度直接影响着产品质量的好坏。
根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度。
在工业生产过程中，电炉随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性或结构发生改变。
电炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方法难以得到更好的控制效果。
另外对于 PID 控制，若条件稍有变化，则控制参数也需调整。
自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统指标保持在最佳范围内。
但由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。
人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件操作用模糊集表示并把这些模糊控制规则及有关信息(如评价指标、初始 PID 参数等)作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实现自动对 PID 参数的最佳调整。
基于单片机模糊PID控制算法实验设计
基于单片机模糊PID控制算法实验设计基于单片机的模糊PID控制算法是一种将模糊逻辑和PID控制相结合的控制方法。
模糊PID控制算法在许多工程和科学领域中具有广泛的应用，用于控制各种物理系统，例如机械系统、电子系统和化学系统等。
本文将介绍基于单片机的模糊PID控制算法的实验设计。
一、实验目的本实验旨在通过使用单片机实现模糊PID控制算法，控制一个虚拟物理系统的运动。
通过这个实验，我们可以了解模糊PID控制算法的原理和实现过程，并通过实验结果对其性能进行评估。
二、实验原理模糊PID控制算法是将模糊逻辑和传统的PID控制算法相结合而得到的一种控制方法。
PID控制算法是一种反馈控制方法，它通过测量和计算系统的误差，调整输出控制量，使得系统的运行状态能够接近期望状态。
模糊PID控制算法的原理是，在PID控制算法的基础上，使用模糊逻辑来处理模糊因素，使得控制系统能够对模糊因素有更好的适应性和鲁棒性。
模糊逻辑是对不确定性和模糊性进行建模和处理的一种方法，它能够通过模糊集合和模糊规则来描述和处理模糊因素。
在模糊PID控制算法中，首先使用一组模糊集合来表示误差和变化率的程度，然后建立一组模糊规则，通过模糊推理得到模糊控制量，最后将模糊控制量经过模糊解模糊化得到实际控制量。
这样，通过模糊逻辑的处理，能够使得控制系统对于模糊因素有更好的适应性和鲁棒性。
三、实验步骤1.设计一个虚拟物理系统，可以使用一个电机控制器和一个电机模拟器来模拟物理系统的运动。
2.根据虚拟物理系统的特性，确定控制系统的输入和输出变量，例如位置和速度。
3.设计一组模糊集合来表示位置和速度的程度，例如“远”、“近”、“大”、“小”等。
4.建立一组模糊规则，通过模糊推理得到模糊控制量。
5.设计一个PID控制算法，用于计算系统的误差和调整输出控制量。
6.将模糊控制量和PID控制量相结合，得到最终的实际控制量。
7.使用单片机编程语言，例如C语言，实现上述的模糊PID控制算法。
基于单片机的模糊PID温度控制系统设计
基于单片机的模糊PID温度控制系统设计【摘要】设计以模糊PID控制算法为基础，AT89C51单片机为主体的温度控制系统，形成一个较复杂的数据处理和具有高可靠性和灵活性的系统。
单片机在各种指令输入的基础上，根据模糊PID算法得到控制值，输出触发信号，并经过光电藕合器MOC3061和双向可控硅BTA12驱动加热器，从而调节温度。
【关键词】模糊PID；AT89C51单片机；温度控制1 模糊PID控制参数整定原理模糊控制的概念首先由美国加利福尼亚大学著名教授查德（L.A.Zadeh）首先提出的。
它是以模糊语言变量、模糊逻辑推理、和模糊集理论为基础的一种控制方法，它是从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的一种智能控制方法。
该方法首先将操作人员或专家经验编成模糊规则，然后将来自传感器的实时信号模糊化，将模糊化后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，再将推理后得到的输出量加到执行器上[1-2]。
模糊PID控制是在一般PID控制系统基础上，加上一个环节，利用模糊控制规则对PID参数进行修正的一种自适应控制系统，误差E和误差变化Ec作为系统的输入，可以满足不同时刻的E和Ec对于参数要求。
模糊PID控制器是在常规PID的基础上，应用模糊集合理论建立参数KP、KI、KD与误差变化间的二元连续函数关系为：根据不同的E和Ec进行在线自整定参数KP、KI、KD的控制器。
模糊PID 控制原理如图1所示[3]：模糊PID参数整定就是寻找PID的三个参数和e、ec之间的关系，整个的系统在运行中不断检测和ec，然后再根据一定的原理对PID的三个参数进行调节，从而满足不同的e和ec对于控制参数的不同要求，从而得到良好的控制性能。
2 系统硬件电路的组成模糊PID温度控制系统主要包括单片机控制模块，电源稳压模块，温度检测模块，过零检测模块，温度设定模块，温度蜂鸣报警模块，驱动控制模块，温度LED显示模块等八大部分。
（1）单片机控制模块：它是系统的核心模块，用来控制其他各个模块的工作情况。
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・测试与控制・０引言
温度测量与控制在国民经济的各个部门有着十分广
泛的应用，在这些应用中
，有些场合对温度的控制要求较低，只需要进行简单的开关量控制即可，对此，目前已有非常成熟的温控元件；而有些场合则要求温度的变化要遵循一定的工艺曲线，这就要求相应的温度测量与控制系统要能够实时获得温度信息并施行实时控制，由于目前该类系统大多存在一些这样那样的问题，因而得到了相当广泛的关注，成为单片机应用领域的研究热点之一
［１，２］。
本文在借鉴现有各类单片机温度控制系统的
基础上，尝试设计一个中档通用单片机温度测控系统，该系统采用Ｃ８０５１Ｆ０２０单片机作为核心，具体控制采用基于模糊的ＰＩＤ方式。
１系统的硬件构成
［３，４］
Ｃ８０５１Ｆ系列单片机是集成的混合信号系统芯片ＳｏＣ
单片机，是真正能独立工作的ＳｏＣ，ＣＰＵ有效地管理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗。
Ｃ８０５１Ｆ０２０单片机作为本系统的控制核心。
系统硬件结构如图１所示。
由于
Ｃ８０５１Ｆ０２０
具有内置的Ａ／Ｄ和
Ｄ／Ａ转换
器，并能满足温度测控的实际需要，所以系统中没有使用外接的Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ器件。
前置电路主要用来对来自温度传感器的微弱电信号实现放大、滤波等信号预处理。
输出控制电路主要实现对单片机输出的模拟控制信号的放大、隔离以及和执行元件的匹配等功能。
执行元件主要实现将以电能为主要形式的能量转换为以机械能为主要形式的能量，实现具体的控制动作，根据所控制的具体系统不同可以选用不同的类型。
ＰＤＩＵＳＢＤ１１为ＵＳＢ接口芯片，其与Ｃ８０５１Ｆ０２０单片机的ＳＭＢｕｓ配合实现ＵＳＢ接口功能。
通过该接口，系统可以和游盘进行数据和信息的交互，具体可实现温度数据的保存、导出和控制参数的调整等功能。
为了较好的实现人机交互，系统引入了键盘、液晶显示器、微型打印机、蜂鸣器和指示灯等器件。
键盘为专门设计，具有６个功能键和数字键０～９、负号和小数
点键，通过键盘，用户可以实现对数据的编辑和对参数的设置等功能。
液晶显示器主要用来实现对系统的实时监控以及和键盘配合完成其它人机交互功能。
微型打印机用来以硬拷贝形式输出系统温度变化曲线和测控记录。
蜂鸣器和指示灯用来实现当温度的变化超过预定范
围值时的报警。
２模糊ＰＩＤ温度控制算法
［５～７］
温度测控系统的硬件组成一旦确定之后，该系统的温度控制性能便决定于控制算法。
ＰＩＤ控制方法以其独特的优势，目前在基于单片机的温度测控系统中得到了广泛的应用。
ＰＩＤ控制兼有比例、积分和微分三种基本控制规律的优点，可使系统的稳态和动态性能以及系统的稳定性都得到改善，因而应用最为广泛。
对于数字系统，ＰＩＤ算法主要有式（１）和（２）两种表达式：
Ｐ（ｋ）＝Ｐ（ｋ－１）＋ＫＰ［Ｅ（ｋ）－Ｅ（ｋ－１）］＋ＫＩＥ（ｋ）＋ＫＤ［Ｅ（ｋ）－２Ｅ（ｋ－１）＋Ｅ（ｋ－２）］（１）
基于Ｃ８０５１Ｆ０２０单片机的模糊PID 温度测控系统设计
李建伟，李慧琴，刘
军
（河南农业大学机电工程学院，河南郑州
４５０００２）
摘要：设计了一种基于Ｃ８０５１Ｆ０２０单片机的温度测控系统，该系统采用模糊ＰＩＤ方法进行温度控制，能
克服普通的单片机ＰＩＤ温度控制系统的一些不足之处，达到较为理想的控制效果。
给出了该系统的硬件结构，阐述了该系统的控制原理，提供了该系统的程序框图。
关键词：Ｃ８０５１Ｆ０２０单片机；温度控制系统；模糊ＰＩＤ中图分类号：ＴＰ２７３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－６６７３（２００６）０６－１２７－０２
收稿日期：２００６－１０－１６
作者简介：李建伟（１９７８－），男，河南上蔡人，助教，工学硕士。
主要从事光机电系统测控与机器人技术的研究。
机电产品开发与创新
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆ＩｎｎｏｖａｔｉｏｎｏｆＭａｃｈｉｎｅｒｙ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｒｏｄｕｃｔｓ
Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．６Ｎｏｖ．，２００６
第１９卷第６期２００６年１１月
１２７
・测试与控制・
ＤｅｓｉｇｎｏｆＦｕｚｚｙＰＩＤＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＭｅａｓｕｒｅａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＣ８０５１Ｆ０２０Ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ
ＬＩＪｉａｎ－Ｗｅｉ，ＬＩＨｕｉ－Ｑｉｎ，ＬＩＵＪｕｎ
（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＨｅｎａｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＨｅｎａｎ
４５０００２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＣ８０５１Ｆ０２０ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｏａｖｏｉｄｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｇｅｎｅｒａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ，ａｎｄａｃｑｕｉｒｅｐｅｒｆｅｃｔｃｏｎｔｒｏｌｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆＰＩＤｂａｓｅｄｏｎｆｕｚｚｙｗａｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｅｘｐａｔｉａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｃａｓｅｆｉｇａｌｓｏｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃ８０５１Ｆ０２０ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ；ｆｕｚｚｙＰＩＤ
△Ｐ（ｋ）＝Ｐ（ｋ）－Ｐ（ｋ－１）＝ＫＰ［Ｅ（ｋ）－Ｅ（ｋ－１）］＋ＫＩＥ（ｋ）＋ＫＤ［Ｅ（ｋ）－２Ｅ（ｋ－１）＋Ｅ（ｋ－２）］（２）
以上两式中，Ｐ（ｋ）、Ｅ（ｋ）—Ｋ次采样时的偏差值和ＰＩＤ的输出量；ＫＰ、ＫＩ和ＫＤ—比例、积分和微分系数。
在现实系统中，所测控的对象多具有大滞后、强耦合、时变等特征，仅采用ＰＩＤ控制往往存在调整时间长、超调量大、ＰＩＤ参数不易确定等不足。
此处引入模糊思想对ＰＩＤ参数进行实时调整，以期获得较好的控制效果。
具体的调整方式如式（３）所示，其中ａ、ｂ和ｃ分别为比例系数、积分系数和微分系数的调整系数；Ｋ＇Ｐ、Ｋ＇Ｉ和Ｋ＇Ｄ—调整后用于求取ＰＩＤ输出的比例系数、积分系数和微分系数；ＫＰ、ＫＩ和ＫＤ—起始的比例系数、积分系数和微分系数。
Ｋ＇Ｐ＝ＫＰ＋ａ×Ｅ8Ｋ＇Ｉ＝ＫＩ＋ｂ×Ｅ8Ｋ＇Ｄ＝ＫＤ＋Ｃ×Ｅ（３）
由于此处要对ＰＩＤ的三个基本参数均进行实时调整，故对每一调整系数均建立一模糊系统，为简略起见，以下叙述以一个模糊系统为例。
选择误差Ｅ、误差变化量ＤＥ作为模糊系统的输入信号，针对每一个输入信号设置若干个模糊变量，并选择Π型曲线作为隶属度函数以将输入信号映射为模糊论域的模糊集。
对该模糊系统所输出的调整系数也设置若干个模糊变量，隶属度函数采用高斯曲线，反模糊化采用重心法。
对于作为模糊系统核心的模糊规则，根据经验进行设计。
规则的设置方式如下：ｉｆＥ＝ｘａｎｄＤＥ＝ｙ，
ｔｈｅｎａ＝ｚ，其中，ｘ、ｙ、ｚ分别为Ｅ、ＤＥ和调整系数所
对应的若干个模糊变量中的一个。
建立规则的总体原则是：当Ｅ绝对值大时，调整系数以尽快消除误差为主；当Ｅ绝对值中等时，综合利用Ｅ和ＤＥ的信息来改变调整系数，以相应增强或减弱ＰＩＤ控制强度，进而防止和减小温度曲线的超调和振荡；当Ｅ绝对值小时，调整系数维持起始ＰＩＤ参数不变。
具体的模糊规则此处略去。
３系统软件设计
系统软件设计采用模块化思想。
根据功能将系统软
件分为４大模块。
①温度采集模块：使用Ｃ８０５１Ｆ０２０自带的Ａ／Ｄ转换器把模拟量转换为数字量以及实现数字滤波功能；②输出控制模块：利用模糊ＰＩＤ算法，根据采样值和用户设定值进行计算，并将结果经过Ｃ８０５１Ｆ０２０
自带的Ｄ／Ａ转换器转变为模拟量；③数据交互模块：通过ＵＳＢ接口芯片ＰＤＩＵＳＢＤ１１实现Ｃ８０５１Ｆ０２０和游盘之间的数据交互；④人机接口模块：包括键盘处理程序、液晶显示程序、打印机处理程序以及蜂鸣器和指示灯处理程序。
显然，四模块之间存在紧密的联系，共同完成系统的总体功能。
软件的监控任务由Ｃ８０５１Ｆ０２０自带的看门狗完成。
系统的软件主流程图和中断服务程序框图分别如图２和图３所示。
４结束语
温度的测量与控制有着十分广泛的应用，本文尝试
设计了一个具有普遍适用意义的中档单片机温度测控系统。
该系统采用集成的混合信号系统芯片Ｃ８０５１Ｆ０２０单片机作为核心，具体控制算法采用能进行实时调整的模糊ＰＩＤ方式，该系统能克服常规单片机ＰＩＤ控制系统的一些不足之处，达到较为理想的控制效果。
希望该系统的设计对于温度测控系统的研究会有所裨益。
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