單片機與模糊控制的溫控儀設計與實(shí)現

　　0 引言

　　溫度控制對于工業(yè)和日常生活等領(lǐng)域都具有廣闊的應用前景，很多應用領(lǐng)域，需要精度較高的恒溫控制，由于其控制具有非線(xiàn)性、時(shí)滯性和不確定性，用傳統的控制達不到好的控制效果。模糊控制是一種基于規則的控制，它直接采用語(yǔ)言型控制規則，出發(fā)點(diǎn)是現場(chǎng)操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專(zhuān)家的知識，其魯棒性強，干擾和參數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(gè)16位的、具有精簡(jiǎn)指令集的、超低功耗的混合型單片機。MSP430F149單片機采用了精簡(jiǎn)指令（RISC），具有豐富的尋址方式（7種源操作數尋址、4種目的操作數尋址）、簡(jiǎn)潔的27條內核指令以及大量的模擬指令，大量的寄存器以及片內數據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晶體驅動(dòng)下指令周期為125 ns。這些特點(diǎn)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(shí)器（Basic Timer）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門(mén)狗可以使程序失控時(shí)迅速復位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設計出A／D轉換器。該系統采用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 系統設計

　　系統以MSP430F149單片機為控制核心，溫度測量由鉑電阻恒流調理電路完成，調理電路的輸出電壓送入單片機，在單片機內部實(shí)現A／D轉換，并對采樣數據進(jìn)行濾波及標度變換處理，溫度值由3位數碼管顯示。輸入的溫度設定值由4位獨立式鍵盤(pán)電路進(jìn)行，設定值送入單片機后，由另一個(gè)3位數碼管顯示。系統設計框圖如圖1所示。

　　2 主要硬件電路設計

　　2．1 鉑電阻測溫調理電路

　　在本系統中，實(shí)際溫度值由鉑電阻恒流工作調理電路進(jìn)行測量。為了克服鉑電阻的非線(xiàn)性特點(diǎn)，在信號調理電路中加入負反饋非線(xiàn)性矯正網(wǎng)絡(luò )。如圖2所示，鉑電阻選用標稱(chēng)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(shí)，在鉑電阻傳感器上有壓降，這個(gè)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，使恒流工作調理電路的輸出實(shí)際不為0，所以需要對這個(gè)偏置電壓調零，圖中R3為調零電阻。圖中運放A3及電阻R1，R4和R6構成負反饋非線(xiàn)性校正網(wǎng)絡(luò )。R5用于調整運放A2的增益。

　　2．2 溫度控制電路

　　系統加熱絲與風(fēng)扇均采用圖3所示電路形式。電路采用了晶體管驅動(dòng)的直流電磁繼電器。當單片機的P5．4為低電平時(shí)，繼電器RL1吸合，當P5．4為高電平時(shí)，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(shí)不吸合。繼電器由晶體管2N222A驅動(dòng)，可以提供所需的驅動(dòng)電流。

　　3 模糊控制規則表及軟件流程圖
3．1 建立模糊控制規則表

　　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(yǔ)言變量的語(yǔ)言值取7個(gè)，輸出控制量用于控制繼電器驅動(dòng)電路。將占空比模糊控制量設定為0，1／4，1／2，3／4，1五個(gè)單點(diǎn)模糊量和1個(gè)控制風(fēng)扇吹風(fēng)的單點(diǎn)模糊量。輸出語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值取6個(gè)。當U=0時(shí)，單片機P3．5口置低電平，使風(fēng)扇控制電路工作；當U=1時(shí)，加熱絲控制電路工作，且繼電器在1個(gè)周期內全關(guān)斷；當U=2時(shí)，加熱絲控制電路工作，且繼電器在1／4個(gè)周期內接通，在3／4個(gè)周期內關(guān)斷；當U=5時(shí)，加熱絲控制電路工作，且繼電器在1個(gè)周期內全接通。本控制系統選用三角函數、升半梯形函數與降半梯形函數作為輸入量語(yǔ)言值的隸屬函數，用脈沖函數作為輸出量語(yǔ)言值的隸屬函數。模糊控制規則如表1所示。

　　由模糊規則進(jìn)行推理可以得出模糊控制器語(yǔ)言規則的輸入輸出關(guān)系，其關(guān)系是一個(gè)非線(xiàn)性的關(guān)系曲面。當偏差較大時(shí)，控制量的變化應盡力使偏差迅速減??；當偏差較小時(shí)，除了要消除偏差外，還要考慮系統的穩定性，防止系統出現過(guò)沖，甚至引起系統振蕩。

　　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(pán)處理等在編程時(shí)作為相對獨立的功能模塊來(lái)實(shí)現，并自主程序運行中按照設定的流程來(lái)調用，完成相應的任務(wù)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分析加熱器控制信號與風(fēng)扇控制信號輸出端口的占空比。當輸入電壓為2．7 V時(shí)，系統的輸出顯示實(shí)際溫度為54℃，系統的設定溫度為55℃，此時(shí)P5．4輸出占空比為2：1的加熱器控制信號；而當系統的實(shí)際溫度大于設定溫度時(shí)，系統輸出適當的風(fēng)扇控制信號以恒定的功率散熱，說(shuō)明滿(mǎn)足設計要求。

　　5 結語(yǔ)

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