基于P89C51单片机的地平仪温度检测与模糊PID控制

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第７卷第１７期２００７年９月　

科学技术与工程　

Ｖｏ１．７　Ｎｏ．１７　Ｓｅｐ．２００７　

１６７１—１８１９（２００７）１７—４２８８—０４　

Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　

⑥２００７　Ｓｅｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ．　

基于Ｐ８９Ｃ５１单片机的地平仪　

温度检测与模糊ＰＩＤ控制　

周士兵杨晓宇　

（中国科学院上海技术物理研究所，上海２０００８３）　

摘要　以Ｐ８９Ｃ５１单片机为核心，设计了一套地平仪的温度检测和控制系统，该系统采用了分段建模的方法、模糊ＰＩＤ控制　

小信号　模糊ＰＩＤ控制　

Ａ　

地平仪　

算法，结合温度传感器及温控执行机构，实现了地平仪温度的检测与控制，系统具有采集精度高、控温迅速、准确的特点。　

关键词　热电偶　

中图法分类号ＴＰ２７３；　文献标识码

地平仪，又称红外地球敏感器，是基于对地球　

红外辐射的敏感，在轨实现卫星相对于地球局地垂　

平仪的温度检测和控制。　

基于Ｐ８９Ｃ５１单片机的温度检测和控制系统中　

涉及地平仪温度检测系统数学模型的建立和模糊　

ＰＩＤ控制算法的实现。　

１．１测温系统数学模型　

线的滚动、俯仰姿态角信号的测量，为卫星初始入　

射时对地球的捕获及稳态运行时卫星的姿态闭环　

控制提供测量基准。由于地平仪在太空这一特殊　

环境中工作，环境温度对于地平仪的正常工作至关　

重要。　

测温系统中选用的温度传感器为铜一康铜热电　

偶，在０～６０ｑＣ内，其输出电压为０～２．４６７ｍＶ，为了　

得到高精度的温度数据，采用分段建模的方法，推　

导出热电偶输出电压与测点温度的数学模型，如式　

（１）～式（５）所示。　

Ｔ＝Ｕ／０．０３９１（０≤Ｕ＜０．３９１）　（１）　

文中设计的基于Ｐ８９Ｃ５１单片机的温度检测和　

控制系统对地平仪的温度进行多路巡回检测，鉴于　

地平仪控温模型建立比较困难，因此在单片机软件　

中采用模糊ＰＩＤ控制算法对地平仪的温度进行控　

制，从而满足地平仪工作的环境温度要求。　

Ｔ：（　一０．３９１）／０．０４＋１０（０．３９１≤Ｕ＜１．０３２）　

（２）　

１系统的工作原理　

基于Ｐ８９Ｃ５１单片机的温控系统通过多路温度　

Ｔ：（Ｕ一１．０３２）／０．０４１＋２６（１．０３２￣＜Ｕ＜１．３６１）　

（３）　

Ｔ＝（Ｕ一１．３６１）／０．０４２＋３４（１．３６１≤Ｕ＜１．８２２）　

（４）　

传感器铜一康铜热电偶对地平仪的温度巡检、小信号　

放大、经多路开关后再次放大并进行Ａ／Ｄ转换、单　

片机读人数据并通过内部软件对输出量演算、单片　

机输出的数字控制量经Ｄ／Ａ转换后得到模拟控制　

量，控制地平仪热控系统的通断电，从而实现对地　

Ｔ＝（Ｕ—１．８２２）／０．０４３＋４５（１．８２２￣＜Ｕ＜２．４６７）　

（５）　

其中：　表示温度，单位为℃，　表示电压，单位　

为ｍＶ。　

１．２模糊ＰＩＤ控制算法　

２００７年５月１６日收到　

对于传统采用ＰＩＤ（比例一积分一微分）控制的　

系统，ＰＩＤ参数的整定方法很多，但大多数都是以对　

象特性为基础。当被控对象模型为未知时，则控制　

第一作者简介：周士兵（１９７１一），男，硕士。研究方向：卫星红外　

地球敏感器、智能控制研究。　

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ｌ７期　周士兵，等：基于Ｐ８９Ｃ５１单片机的地平仪温度检测与模糊ＰＩＤ控制　

系统品质指标无法保持在最佳范围内。模糊理论　

是解决这一问题的有效途径，运用模糊数学的基本　

理论和方法，把规则的条件与操作用模糊集表示，　

并把这些模糊控制规则以及有关信息（如评价指　

标，初始ＰＩＤ参数等）存人计算机知识库中，计算机　

根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，即　

可自动实现对ＰＩＤ参数的最佳调整，这就是模糊　

ＰＩＤ控制。　

模糊ＰＩＤ是在ＰＩＤ算法的基础上，通过计算当　

前系统误差ｅ和误差变化率ｅ　，利用模糊规则进行　

模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整。　

模糊控制设计的核心是总结工程设计人员　

的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规　

则表，得到针对Ｋ。、Ｋ　、

Ｂ　

Ｍ　

三个参数分别整定的　

Ｓ　）　Ｓ　Ｍ　０　Ｂ　

模糊控制规则表，模糊控制规则表如表１、２、３　

所示。　

０　０　０　船　

表１　的模糊规则表　

０　

Ｂ　Ｂ　Ｍ　Ｓ　）　Ｓ　Ｂ　№　０　

Ｂ　Ｍ　Ｍ　Ｓ）　０　Ｓ　Ｍ　

№　０　

№　０　

Ｏ　０　０　明　

表３　的模糊规则表　

ＮＢ　ＮＭ　ＮＳ　０　ＰＳ　ＰＭ　ＰＢ　

规则表中：Ｋ、Ｋ　、Ｋｄ分别为ＰＩＤ三个控制参数　

的取值；　

ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ分别表示正小、正中、正大；　

ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ分别表示负大、负中、负小；　

Ｏ表示零。　

Ｋ。、Ｋ、　的模糊规则表建立好以后，可根据如　

下方法进行　、ＫＩ、　的自适用校正。将系统误差ｅ　

和误差变化率ｅ　的变化范围定义为模糊集上的　

论域。　

ｅ，ｅ　＝一６，一５，一４，一３，一２，一１，０，１，２，３，　

４，５，６　

其模糊子集为ｅ，ｅ　＝ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，Ｏ，ＰＳ，　

ＰＭ，ＰＢ　

设ｅ、　和Ｋ、Ｋ、　均服从正态分布，因此可得　

出各模糊子集的隶属度，根据各模糊子集的隶属度　

赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理　

设计肋参数的模糊矩阵表，查出修正参数代人下　

式计算：　

＝

Ｋ　’＋｛ｅＩ，ｅＣ　｝Ｐ　（６）　

Ｋｉ＝ｇｉ’＋｛ｅｆ，ｅ　ｉ｝ｉ　（７）　

Ｋｄ＝Ｋｄ’＋｛ｅ　ｃ　｝ｄ　（８）　

在线运行过程中，计算机测控系统通过对模糊　

逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对ＰＩＤ参数　

的在线自校正。　

２系统的硬件设计　

２．１单片机　

地平仪温度检测和控制系统中选用Ｐ８９Ｃ５１单片　

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科学技术与工程　７卷　

机，该型单片机采用高性能低功耗的静态８０Ｃ５１设　

计，由先进ＣＭＯＳ工艺制造并带有非易失性ＦＬＡＳＨ　

程序存储器，片内包含１２８字节ＲＡＭ、３２条Ｉ／０口　

线、３个１６位定日寸／记数器、６输入４优先级嵌套中　

断、１个串行Ｉ／０口及片内振荡器和时钟电路。　

２．２前端处理电路　

前端处理电路包括多路温度巡回检测电路、小　

信号放大电路、Ａ／Ｄ转换电路和多路温度显示电　

路，电路原理框图如图１所示。　

图１　前端处理电路原理框图　

电路设计中，采用铜一康铜热电偶作为温度传感　

器，输出为小信号，放大２００倍后经过ＣＤ４０５１多路　

模拟电子开关，再放大１０倍后送Ａ／Ｄ转换，其中，　

Ａ／Ｄ转换芯片选用ＡＤ７８２１，该型芯片为８位、单电　

源工作、内部电路具有采样保持功能。ＡＤ７８２１转　

换完后产生中断，单片机响应中断读取转换数据、　

存储并显示。　

考虑到运放电路的噪声引入，其一级运放放大　

倍数不宜过大，因此文中所述系统电路对温度传感　

器输出的小信号分两级放大，总放大倍数为２０００　

倍，且信号放大电路中运算放大器选用ＯＰ０７，该型　

运算放大器具有高速、低功耗、低失调电压、低零漂　

的特点。　

２．３后端控制电路　

单片机读人Ａ／Ｄ转换数据，与目标数据比较并　

计算出差值，根据差值的大小和差值的变化率用模　

糊ＰＩＤ算法计算出控制量，该控制量为数字量，输出　

后经Ｄ／Ａ转换，得到的模拟控制量经热控系统控制　

加热系统的输入电压，从而达到对系统温度控制的　

目的。系统中选用的Ｄ／Ａ转换芯片型号为　

ＡＤ５３０１，该芯片为８位、单电源工作方式，选用的热　

控系统为可控硅调功器。温度控制电路原理图如　

图２所示。　

２８　

加热器　

图２温度控制电路原理图　

３系统的软件设计　

系统软件用汇编语言编写，编译链接后生成十　

六进制文件，用ＦＬＡＳＨ　ＭＡＧＩＣ软件通过串口线烧　

录到单片机中。　

系统中，多路电子开关ＣＤ４０５１各通路的开、　

关、ＡＤ７８２１的转换启动、Ａ／Ｄ转换数据读人、数据　

显示、数据处理和数字控制量的Ｄ／Ａ转换都由单片　

机严格的时序控制，通过相应的软件实现。单片机　

软件流程图如图３所示。　

图３单片机软件流程图　

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１７期　周士兵，等：基于Ｐ８９Ｃ５１单片机的地平仪温度检测与模糊ＰＩＤ控制　４２９１　

４结束语　

文中设计了基于Ｐ８９Ｃ５１单片机的多路温度检　

测与控制系统，在控温软件算法中采用了有别于经　

参考文献　

１李士勇．模糊控制和智能控制理论与应用．哈尔滨：哈尔滨工业　

大学出版社，１９９０，２５Ｏ—２８Ｏ　

２何立民．ＭＣＳ一５１系列单片机应用系统设计．北京：北京航空航　

天大学出版社，１９９６，２５４—３Ｏ５　

典控制的模糊ＰＩＤ控制，通过地面调试和标定，该系　

统具有采集精度高、控温迅速准确、易于实现的特　

点，且控温超调量小。该系统已经成功应用于航天　

工程某项目上，并获得了满意的结果。　

３孙增圻．计算机控制理论及应用．北京：清华大学出版社，１９８９，　

２８２—３１２　

４韩京清．非线性ＰＩＤ控制器．自动化学报，１９９４；２０（４）：４８７－－４９０　

Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｅａｒｔｈ　Ｓｅｎｓｏｒ　

Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐ８９　Ｃ５１　Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　

ＺＨＯＵ　Ｓｈｉ—ｂｉｎｇ，ＹＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｙｕ　

（Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｈｓｈａｉ　２０００８３，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）　

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｏｎｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｅａｒｔｈ　ｓｅｎｓｏｒ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　

Ｐ８９Ｃ５　１　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｈｅ　ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ，ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅ　ｓｙｓ—　

ｔｅｍ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｅａｒｔｈ　ｓｅｎｓｏｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃ．　

ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｆａｓｔ　ａｎｄ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔ．　

［Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ］ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｉｒｃ　ｃｏｕｐｌｅ　ｓｍａｌｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌｎｆｒａｒｅｄ　ｅａｒｔｈ　ｓｅｎｓｏｒ