基于单片机的热水器温度智能控制设计

摘   要： 将现代智能控制中的模糊控制与传统控制中的PID控制相结合，使用单片机作为下位机控制器，PC机为上位机控制设备，实现对温度的智能、实时控制，现场与远程同时监控。
关键词： 单片机； 模糊PID控制； 温度智能实时控制； 现场与远程监控
       温度是工业生产过程中重要的物理量，尤其在冶金、机械、食品、化工等工业中，对工件的处理温度都要求严格控制,对温度的精确度和稳定性均有较高要求，温度的测量与控制直接关系到企业的生产利益甚至存亡。
     目前在国内外很多温度控制系统都采用ARM 作为处理器，PID 作为温度控制方式[1]。该控制方式对大多数控制对象均可达到满意的控制效果，但对于有特殊要求或具有复杂对象特性的系统，采用数字PID控制一般难以达到目的。基于温度变化的非线性与模糊控制鲁棒性强、干扰和参数变化对控制效果的影响较小，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制，将PID与模糊控制相结合来实现对温度的控制。
     因此,本文以热水器为对象，运用系统控制理论，以模糊控制与数字PID控制相结合方式进行温度控制系统的设计。
1 整体方案设计
     系统采用晶控电子的STC系列单片机进行下位机温度控制，同时采用PC机进行上位机控制。上位机首先给下位机发出命令，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据，转化成数字信号反馈给上位机。下位机实现现场实时控制，上位机实现远程实时监控。
     系统的实现采用模块化设计思想,分别从硬件、软件来设计并综合应用。硬件分为温度检测模块、输入输出模块、串口通信模块及加热模块几个部分；软件由上下位机同时控制,包括温度采集子程序、液晶显示子程序、键盘输入子程序、模糊PID控制子程序、串口通信子程序等。设计主要针对控制算法来实现，系统总体设计方案如图1所示。
   
   
2 硬件电路设计
2.1温度检测模块
     DS18B20是DALLAS公司生产的数字温度传感器,温度测量范围为-55℃～+125℃,测温分辨率可达0.062 5 ℃，它集温度测量与A/D转换于一体，直接输出数字量，传输距离远，可以实现多点检测，硬件结构简单，避免了传统热电偶、热电阻模拟信号到数字信号转换、硬件结构复杂、成本高的缺点，其电路连接如图2所示。
   
   2.2 串口通信模块
     接口RS232是用正负电压来表示逻辑状态的，而单片机采用正逻辑TTL电平，因此必须在此分立元件实现电平和逻辑关系的变换。通信电路中，下位机串口使用查询法接收和发送资料，上位机发出指定字符，下位机收到后返回给上位机原字符，其电路连接如图3所示。