摘要：溫度是科學(xué)技術(shù)中最基本的物理量之一，雀工業(yè)生產(chǎn)和生活中,，常常是表征對(duì)象和過程狀態(tài)的重要參數(shù),，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,。設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)MSP430F149為系統(tǒng)的核心部件，并將模糊控制算法應(yīng)用到其中的溫控儀上,，溫度控制范圍為常溫0～100℃,，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℃,。該系統(tǒng)采用恒瀧供電,，電路較簡(jiǎn)單，成本低,，溫度控制精度高,，可以廣泛應(yīng)用于需要進(jìn)行恒溫控制的生產(chǎn)和生活中。
關(guān)鍵詞：MSP430F149,；溫度值實(shí)時(shí)顯示,；模糊控制；溫控儀
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,，看門狗可以使程序失控時(shí)迅速復(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],。輸入語言變量的語言值取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。輸出語言變量的語言值取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(jìn)行推理可以得出模糊控制器語言規(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)盡力使偏差迅速減小,；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(shí)作為相對(duì)獨(dú)立的功能模塊來實(shí)現(xiàn)，并自主程序運(yùn)行中按照設(shè)定的流程來調(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，說明滿足設(shè)計(jì)要求,。
5 結(jié)語
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,。