一种温度控制系统的设计与应用

一种温度控制系统的设计与应用

甄丽平1，李亚梅1，司绍伟2

（1．石家庄经济学院 信息工程系，河北 石家庄 050031； 2．武警指挥学院石家庄分院， 河北 石家庄 050061）

摘 要：本文介绍了一种用单片机实现的模糊电饭煲温度控制系统，阐述了硬件系统的电路组成、工作原理以及软件设计实现。该系统具有实时性好、控制速度快、稳定性好等性能。 关键词：温度控制；MC68HC5P9；模糊控制

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1008—6129（2005）03—0037—02

温度是工业生产中常见的和最基本的参数之一，任何物理变化和化学变化的过程都与温度密切相关，因此生产过程中常需对温度进行检测和监控。采用微型机进行温度监测、显示和实时控制是温度控制领域最常用的方法。

本文根据电饭煲温度变化规律，设计实现了电饭煲温度控制系统，并且针对温度变化慢、控制精度不易掌握的特点，采用了模糊控制技术，使系统具有实时性好、控制速度快、稳定性好等优越性能。

一、硬件方案 （一）电路方框图 电源稳压电路LED显示电饭煲温度控制系统的电路方框图如图1所示。

各部分电路功能

单 1.电源及稳压电路

键盘输入电路片 电源及稳压电路由变压器、整流电路和稳压电路组成，将220V

机 交流电压变换成5V稳定直流电压，向单片机及其他电路供电。

2.温度传感器

热敏电阻是一种新型半导体感温元件，它具有热传感灵敏度高、蜂鸣报警电路 体积小、热惯性小等优点，应用十分广泛。热敏电阻的阻值随温度温度传感器变化而变化，因而温度值可转化为可变的电压量。

电饭煲控制温度一般从室温到150ºC左右，应选择在这一段温

图1 温度控制系统方框图度中阻值变化较快的热敏电阻，有利于提高控制水平。本方案选用

的热敏电阻在25ºC时的标称阻值为100KΩ，B值为3990KΩ。

3.单片机

单片机采用Motorola公司的MC68HC5P9。这是一个内部含有8位A/D转换的单片机，程序存储量为2KB，它可以满足电饭煲控制的需要，不需要外扩存储器，使系统整体结构更为简单、实用。

单片机首先通过内部A/D转换器将可变的电压量转换为数字量，然后利用单片机软件编程灵活、自由度大的特点，用软件完成模糊控制算法，输出信号控制功率驱动电路，实现温度控制。

4.键盘输入电路

键盘输入电路由按键K1、K2组成。K1用于选择工作方式，用K1键可选择煮饭、快速煮饭、煮粥、煮汤和保温五种功能，并分别对应LED1-LED5显示。每种功能对应不同的温度控制规律。K2用于启动和停止模糊控制系统。

5.功率驱动电路

功率驱动电路采用继电器驱动方式。通过控制继电器采样周期内闭合的时间，实现对加热器的开关式控制。这种控制方式使220V交流电压和低电压之间没有连接，在安全性上有保障。单片机送出的控制信号，经PNP晶体管放大，驱动继电器工作。

6.LED显示

LED显示电路由两部分组成，一部分是7段LED数码管，用于显示温度，每采样周期刷新一次显示值；另一部分是LED二极管，共6个，其中5个对应于K1键的五种工作方式，1个用于显示系统开关状态。

7.蜂鸣报警电路

蜂鸣报警电路由晶体管和蜂鸣器组成。由单片机PD5输出的脉冲信号通过晶体管进行反相，控制蜂鸣器两端所加的电压频率，从而产生蜂鸣声音。

（二）系统软件设计

系统程序总体结构如图2所示。系统程序结构属中断方式，系统功能均在中断服务子程序中完成。主程序首先进行初始化，包括I/O口、定时器、中断系统的初始化，然后对LED1-LED5亮灭进行判断，确定选择的工作方式，最后等待定时器中断。在定时器中断服务子程序中，完成检测温度、刷新显示温度、进行模糊判断并输出控制结果等功能，并对电路故障发出报警。

功率驱动电路——————————————

收稿日期：2005—03—21 作者简介：甄丽平（1979—），女，河北安国人，石家庄经济学院电子教研室，助教。

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邢台职业技术学院学报 2005年 第3期

（三）模糊控制功能的实现

模糊控制系统的结构框图如图3所示。模糊控制过程分输入模糊量化、模糊决策、输出逆模糊化三个阶段。

1.输入模糊量化 在模糊控制系统中，得到的观测数据往往是精确值，对一个精确值的模糊化，是将1个精确值化成1个或几个模糊值的单点。将输入量的连续论域[a，b]划分为均等的部分如[-n，n]，即模糊论域，可通过变换：x’=2*n*[x-(a+b)/2]/(b-a)，把论域[a，b]转化到论域[-n，n]。得出的ek和ck即为基本论域为[-n，n]的语言变量。

本系统保温过程中，温差、温差变化率为语言输入变量；升温过程中，温差变化率及温差变化率的变化率为语言输入变量。输出变量为开关量u，分割数取9。

2.模糊决策

模糊控制规则一般由经验获得，模糊关系可以用多个条件语句表示，根据模糊推理进行运算，即可推出控制结果uk。总结温度控制经验，温度模糊控制规则如表1所示。

表１ 温度模糊控制规则

u

e

NB NS Z PS PB

BB BB NS S SM M B BB Z S SM M MB BB PS Z S SM

MB B

定时中断程序 N主程序定时时间到？ I/O口初始化传感器故障？ Y报警定时器初始化温度检测 中断系统初始化温度显示 工作方式确定模糊控制 等待定时中断温度控制 中断返回 图2 系统程序总体结构 NB SM M MB

xeec模糊量化ekck模糊决策逆模糊化对象PB Z S S M B 3.输出逆模糊化

由模糊决策得到的结论仍然是输出控制量的模糊集，要应用于被控系统，还需将其映射到精确值，一般可采取加权平均法实现。

在模糊系统运行时，控制器需要进行模糊化、模糊推理等过程，为了进一步提高系统的实时性，本系统将上述推理过程通过离线计算，产生一个模糊控制总表，以简化系统运行时控制器的在线运算。

y图3 模糊控制系统结构框图

三、结论

该方案经过实验，对不同温度变化规律都能很好地实现其温度控制。 参考文献：

[1]胡汉才.单片机原理与接口技术[M].北京：清华大学出版社，1995.

[2]余永权，曾碧.单片机模糊逻辑控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，1995. [3]王俊普.智能控制[M].合肥：中国科学技术大学出版社，1996.

Design and Application of a Temperature Fuzzy Control System

ZHEN Li-ping1，LI Ya-mei1，SI Shao-wei2

（1.Shijiazhuang University of Economics，Shijiazhuang，Hebei 050031，China;

2. Shijiazhuang Commanding School of the Armed Police Force College，Shijiazhuang，Hebei 050061，China）

Abstract：The paper introduces a temperature control system using fuzzy control theory on MC68HC5P9， and discusses the principle; hardware contracture and software design of this system in details. This theory can improve reliability of system. Key words: temperature control；MC68HC5P9；fuzzy control

（责任编辑 宋月彰）

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