1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理 
系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括MCU、RS232接口、USB接口、鍵盤和LCD顯示等部分，其中MCU選用C8051F060單片機(jī)。 
利用Pt100溫度計(jì)和調(diào)理電路將恒溫槽內(nèi)實(shí)際溫度轉(zhuǎn)換為C8051F060能夠處理的電壓信號(hào)。C8051F060將采集的溫度值和設(shè)定的溫度進(jìn)行比較與處理，控制功率驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，增加或降低恒溫槽內(nèi)溫度，使得恒溫槽內(nèi)溫度恒定在設(shè)定值。RS232接口可實(shí)現(xiàn)溫控系統(tǒng)與PC機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)在線處理溫度信息的功能；通過USB接口可將系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于U盤中，可大大提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和歷史數(shù)據(jù)采集時(shí)間。 
1.1溫度測(cè)量電路 
對(duì)于采用Pt100鉑電阻進(jìn)行溫度測(cè)量的系統(tǒng)，導(dǎo)線自身電阻對(duì)測(cè)量精度具有較大的影響。采用四線制測(cè)量電路，導(dǎo)線雖有電阻但無電流，避免了導(dǎo)線自身電阻產(chǎn)生的誤差，提高了測(cè)量精度。因此，該文選用四線制測(cè)量電路。 OP27(1)與OP27(2)組成一個(gè)恒流源，為Pt100提供1mA的恒定電流。隨著恒溫槽內(nèi)溫度的變化，Pt100的阻值相應(yīng)改變。由于電流恒定，則Pt100的端電壓間接反映了恒溫槽內(nèi)溫度的變化。OP27(3)組成放大增益為10的差模放大電路，可將Pt100端電壓調(diào)整為適合于C8051F060的ADC0檢測(cè)信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，圖2中的電阻須選用千分之一的精密電阻，否則將出現(xiàn)恒流源電流失穩(wěn)，影響系統(tǒng)溫度測(cè)量的精度。 
1.2系統(tǒng)電源 
如要保證溫度的測(cè)量精度，首先必須有一個(gè)可靠、穩(wěn)定的系統(tǒng)電源。系統(tǒng)中所用的電源主要有+12V、-12V、+3.3V以及+5V。其中，+12V和-12V為溫度測(cè)量電路提供電源，必須具有很小的紋波電壓。+12V電源原理圖如圖3所示，-12V與+12V原理圖類似。圖3中，LM317為1.2V～37V范圍的調(diào)壓器，輸入與輸出電壓差zui大40V，輸出端接1mH的電感L，可減小LM317輸出電壓的紋波。 
1.3串口通訊與USB接口 
串口通訊選用Maxim公司的MAX3232，完成C8051F060與PC機(jī)的電平轉(zhuǎn)換，通訊方式為方式1。選用符合USB1.1協(xié)議規(guī)范的USB總線芯片CH375作為C8051F060與U盤存儲(chǔ)設(shè)備的接口，實(shí)現(xiàn)恒溫槽溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 
2溫度控制算法 
溫度控制系統(tǒng)是變參數(shù)、大慣性、大延時(shí)和隨機(jī)干擾很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，恒溫槽溫度控制過程具有非線性、時(shí)變不確定性，難以建立的數(shù)學(xué)模型[6]。應(yīng)用常規(guī)的PID控制不能達(dá)到理想的控制效果，存在超調(diào)量大、穩(wěn)定周期長(zhǎng)、控制參數(shù)難于整定等問題[7]，不利于實(shí)現(xiàn)高精度控制。基于上述情況，該文選用模糊控制與標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法結(jié)合在一起的模糊PID復(fù)合控制算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的溫度高精度控制。從系統(tǒng)控制算法復(fù)雜性方面考慮，如用二維或三維模糊控制算法，則大大增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性。通過實(shí)際多次測(cè)試表明，模糊控制采用一維控制，可*達(dá)到所需的控制精度、響應(yīng)速度等，控制原理圖如圖4所示。其中，t為設(shè)定溫度值，e為設(shè)定溫度值與實(shí)測(cè)溫度值y的偏差。 
當(dāng)設(shè)定值與實(shí)測(cè)溫度值e大于設(shè)定閾值時(shí)，采用PID控制；當(dāng)設(shè)定值與實(shí)測(cè)溫度值小于設(shè)定閾值時(shí)，采用模糊控制，模糊控制器的輸入為溫度偏差e，通過偏差e控制模糊控制器。模糊控制規(guī)則為如表1
3軟件設(shè)計(jì) 
恒溫槽溫度控制系統(tǒng)軟件采用C語言，主要包括主程序、中斷程序、模糊控制程序以及PID控制程序等。主程序主要完成設(shè)定溫度讀取、判斷溫度偏差大小、模糊控制和PID控制算法選擇、調(diào)用模糊控制或PID控制子程序等，主程序流程圖如圖5所示。其中，ε為系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下的zui小溫度誤差；γ為判斷采用模糊控制和增量式PID控制溫度閾值,實(shí)際取值為5℃。  
4試驗(yàn)結(jié)果與分析 
本系統(tǒng)試驗(yàn)過程中，恒溫槽介質(zhì)為甲基硅油，溫控范圍為-30℃～150℃，測(cè)試點(diǎn)選用310K～380K，溫度采集間隔為0.5s，采集時(shí)間為100s。部分測(cè)試結(jié)果如圖6所示。 
經(jīng)過大量溫度控制效果測(cè)試，依據(jù)恒溫槽溫度波動(dòng)度的定義[8]，計(jì)算出該恒溫槽各點(diǎn)溫度波動(dòng)度均小于±7mK。 
5結(jié)論 
針對(duì)熱物性測(cè)試所用恒溫槽要求，設(shè)計(jì)了一種一維模糊控制與增量式PID混合溫度控制策略，其主要利用實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定溫度偏差的值判斷采用模糊控制或增量式PID控制。該控制方法大大提高了恒溫槽溫度響應(yīng)速度，減少了單片機(jī)實(shí)現(xiàn)算法的難度。以C8051F060單片機(jī)作為主控制器，設(shè)計(jì)了實(shí)際控制系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，該文給出的控制方法是有效的，溫度控制精度符合實(shí)際使用要求。 http://www.biaozhuo17.com/ancimy-ParentList-951412/