單片機與模糊控制的溫控儀設計與實現(xiàn)

　　0 引言

　　溫度控制對于工業(yè)和日常生活等領域都具有廣闊的應用前景，很多應用領域，需要精度較高的恒溫控制，由于其控制具有非線性、時滯性和不確定性，用傳統(tǒng)的控制達不到好的控制效果。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關專家的知識，其魯棒性強，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，所以特別適合于0～100℃溫度的精確控制。

　　MSP430系列單片機是一個16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機。MSP430F149單片機采用了精簡指令（RISC），具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令，大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算，還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHz晶體驅(qū)動下指令周期為125 ns。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。MSP430F149單片機具有10位／12位ADC、16位Sigma-Delta A／D、直接尋址模塊（DMA）、端口1～6、基本定時器（Basic Timer）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出A／D轉(zhuǎn)換器。該系統(tǒng)采用MSP430F149單片機，可以省去A／D等硬件電路，使其成本降低，可靠性大大增強。

　　1 系統(tǒng)設計

　　系統(tǒng)以MSP430F149單片機為控制核心，溫度測量由鉑電阻恒流調(diào)理電路完成，調(diào)理電路的輸出電壓送入單片機，在單片機內(nèi)部實現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，并對采樣數(shù)據(jù)進行濾波及標度變換處理，溫度值由3位數(shù)碼管顯示。輸入的溫度設定值由4位獨立式鍵盤電路進行，設定值送入單片機后，由另一個3位數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

　　2 主要硬件電路設計

　　2．1 鉑電阻測溫調(diào)理電路

　　在本系統(tǒng)中，實際溫度值由鉑電阻恒流工作調(diào)理電路進行測量。為了克服鉑電阻的非線性特點，在信號調(diào)理電路中加入負反饋非線性矯正網(wǎng)絡。如圖2所示，鉑電阻選用標稱值為100Ω的RT100作為溫度傳感器。A1，A2和A3采用低溫漂運放OP07，由于有電流流經(jīng)鉑電阻傳感器，所以當溫度為0℃時，在鉑電阻傳感器上有壓降，這個電壓為鉑電阻傳感器的偏置電壓，是運放A1輸出電壓的一部分，使恒流工作調(diào)理電路的輸出實際不為0，所以需要對這個偏置電壓調(diào)零，圖中R3為調(diào)零電阻。圖中運放A3及電阻R1，R4和R6構成負反饋非線性校正網(wǎng)絡。R5用于調(diào)整運放A2的增益。

　　2．2 溫度控制電路

　　系統(tǒng)加熱絲與風扇均采用圖3所示電路形式。電路采用了晶體管驅(qū)動的直流電磁繼電器。當單片機的P5．4為低電平時，繼電器RL1吸合，當P5．4為高電平時，繼電器RL1釋放。采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復位或單片機受控復位時不吸合。繼電器由晶體管2N222A驅(qū)動，可以提供所需的驅(qū)動電流。

　　3 模糊控制規(guī)則表及軟件流程圖
3．1 建立模糊控制規(guī)則表

　　采用溫度誤差E和溫度誤差變化率Ec作為模糊控制器的輸入變量，溫度控制量U作為模糊控制器的輸出變量。系統(tǒng)中溫度誤差E、溫度誤差變化率Ec和溫度控制量U（單位：℃）的基本域分別為［-5，+5］，［-2，+2］和［0，1］。輸入語言變量的語言值取7個，輸出控制量用于控制繼電器驅(qū)動電路。將占空比模糊控制量設定為0，1／4，1／2，3／4，1五個單點模糊量和1個控制風扇吹風的單點模糊量。輸出語言變量的語言值取6個。當U=0時，單片機P3．5口置低電平，使風扇控制電路工作；當U=1時，加熱絲控制電路工作，且繼電器在1個周期內(nèi)全關斷；當U=2時，加熱絲控制電路工作，且繼電器在1／4個周期內(nèi)接通，在3／4個周期內(nèi)關斷；當U=5時，加熱絲控制電路工作，且繼電器在1個周期內(nèi)全接通。本控制系統(tǒng)選用三角函數(shù)、升半梯形函數(shù)與降半梯形函數(shù)作為輸入量語言值的隸屬函數(shù)，用脈沖函數(shù)作為輸出量語言值的隸屬函數(shù)。模糊控制規(guī)則如表1所示。

　　由模糊規(guī)則進行推理可以得出模糊控制器語言規(guī)則的輸入輸出關系，其關系是一個非線性的關系曲面。當偏差較大時，控制量的變化應盡力使偏差迅速減??；當偏差較小時，除了要消除偏差外，還要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)出現(xiàn)過沖，甚至引起系統(tǒng)振蕩。

　　3．2 軟件流程圖

　　主程序軟件流程如圖4所示。

　　溫度采集和顯示、鍵盤處理等在編程時作為相對獨立的功能模塊來實現(xiàn)，并自主程序運行中按照設定的流程來調(diào)用，完成相應的任務后再返回主程序即可。

　　4 仿真分析

　　在Proteus仿真軟件中加入編譯后的HEX文件，使用分析圖表分析系統(tǒng)分析加熱器控制信號與風扇控制信號輸出端口的占空比。當輸入電壓為2．7 V時，系統(tǒng)的輸出顯示實際溫度為54℃，系統(tǒng)的設定溫度為55℃，此時P5．4輸出占空比為2：1的加熱器控制信號；而當系統(tǒng)的實際溫度大于設定溫度時，系統(tǒng)輸出適當?shù)娘L扇控制信號以恒定的功率散熱，說明滿足設計要求。

　　5 結語

　　本系統(tǒng)采用低功耗MSP430系列單片機作為控制核心，整個控制電路較簡單，用模糊控制算法設計程序，設定溫度值與測量溫度值實時顯示，控制精度可達±0．5℃，在實際生產(chǎn)和生活中具有廣泛的實用性。