單片機(jī)與模糊控制的溫控儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　0 引言

　　溫度控制對(duì)于工業(yè)和日常生活等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，很多應(yīng)用領(lǐng)域，需要精度較高的恒溫控制，由于其控制具有非線性、時(shí)滯性和不確定性，用傳統(tǒng)的控制達(dá)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(yǔ)言型控制規(guī)則，出發(fā)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識(shí)，其魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)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(jī)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(jī)。MSP430F149單片機(jī)采用了精簡(jiǎn)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(jiǎn)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(chǔ)器都可參加多種運(yùn)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(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(jī)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?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出A／D轉(zhuǎn)換器。該系統(tǒng)采用MSP430F149單片機(jī)，可以省去A／D等硬件電路，使其成本降低，可靠性大大增強(qiáng)。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)以MSP430F149單片機(jī)為控制核心，溫度測(cè)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(jī)，在單片機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波及標(biāo)度變換處理，溫度值由3位數(shù)碼管顯示。輸入的溫度設(shè)定值由4位獨(dú)立式鍵盤(pán)電路進(jìn)行，設(shè)定值送入單片機(jī)后，由另一個(gè)3位數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

　　2．1 鉑電阻測(cè)溫調(diào)理電路

　　在本系統(tǒng)中，實(shí)際溫度值由鉑電阻恒流工作調(diào)理電路進(jìn)行測(cè)量。為了克服鉑電阻的非線性特點(diǎn)，在信號(hào)調(diào)理電路中加入負(fù)反饋非線性矯正網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示，鉑電阻選用標(biāo)稱值為100Ω的RT100作為溫度傳感器。A1，A2和A3采用低溫漂運(yùn)放OP07，由于有電流流經(jīng)鉑電阻傳感器，所以當(dāng)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(yùn)放A1輸出電壓的一部分，使恒流工作調(diào)理電路的輸出實(shí)際不為0，所以需要對(duì)這個(gè)偏置電壓調(diào)零，圖中R3為調(diào)零電阻。圖中運(yùn)放A3及電阻R1，R4和R6構(gòu)成負(fù)反饋非線性校正網(wǎng)絡(luò)。R5用于調(diào)整運(yùn)放A2的增益。

　　2．2 溫度控制電路

　　系統(tǒng)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(qū)動(dòng)的直流電磁繼電器。當(dāng)單片機(jī)的P5．4為低電平時(shí)，繼電器RL1吸合，當(dāng)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(fù)位或單片機(jī)受控復(fù)位時(shí)不吸合。繼電器由晶體管2N222A驅(qū)動(dòng)，可以提供所需的驅(qū)動(dòng)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(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(qū)動(dòng)電路。將占空比模糊控制量設(shè)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(dāng)U=0時(shí)，單片機(jī)P3．5口置低電平，使風(fēng)扇控制電路工作；當(dāng)U=1時(shí)，加熱絲控制電路工作，且繼電器在1個(gè)周期內(nèi)全關(guān)斷；當(dāng)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(nèi)接通，在3／4個(gè)周期內(nèi)關(guān)斷；當(dāng)U=5時(shí)，加熱絲控制電路工作，且繼電器在1個(gè)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(yǔ)言值的隸屬函數(shù)，用脈沖函數(shù)作為輸出量語(yǔ)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(jìn)行推理可以得出模糊控制器語(yǔ)言規(guī)則的輸入輸出關(guān)系，其關(guān)系是一個(gè)非線性的關(guān)系曲面。當(dāng)偏差較大時(shí)，控制量的變化應(yīng)盡力使偏差迅速減??；當(dāng)偏差較小時(shí)，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(guò)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(pán)處理等在編程時(shí)作為相對(duì)獨(dú)立的功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，并自主程序運(yùn)行中按照設(shè)定的流程來(lái)調(diào)用，完成相應(yīng)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(tǒng)分析加熱器控制信號(hào)與風(fēng)扇控制信號(hào)輸出端口的占空比。當(dāng)輸入電壓為2．7 V時(shí)，系統(tǒng)的輸出顯示實(shí)際溫度為54℃，系統(tǒng)的設(shè)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(hào)；而當(dāng)系統(tǒng)的實(shí)際溫度大于設(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)輸出適當(dāng)?shù)娘L(fēng)扇控制信號(hào)以恒定的功率散熱，說(shuō)明滿足設(shè)計(jì)要求。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　本系統(tǒng)采用低功耗MSP430系列單片機(jī)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(shè)計(jì)程序，設(shè)定溫度值與測(cè)量溫度值實(shí)時(shí)顯示，控制精度可達(dá)±0．5℃，在實(shí)際生產(chǎn)和生活中具有廣泛的實(shí)用性。