摘要：溫度是科學(xué)技術(shù)中zui基本的物理量之一，雀工業(yè)生產(chǎn)和生活中，常常是表征對象和過程狀態(tài)的重要參數(shù)，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。設(shè)計一種以單片機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)定溫度值與測量溫度值實時顯示，控制精度可達±0．5℃。該系統(tǒng)采用恒瀧供電，電路較簡單，成本低，溫度控制精度高，可以廣泛應(yīng)用于需要進行恒溫控制的生產(chǎn)和生活中。
　　
　　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(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(guān)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125ns。這些特點保證了可編制出率的源程序。MSP430F149單片機具有10位／12位ADC、16位Sigma-DeltaA／D、直接尋址模塊（DMA）、端口1～6、基本定時器（BasicTimer）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(fù)位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設(shè)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(shè)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(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位獨立式鍵盤電路進行，設(shè)定值送入單片機后，由另一個3位數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。　　
　　2、主要硬件電路設(shè)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(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，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(gòu)成負(fù)反饋非線性校正網(wǎng)絡(luò)。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(fēng)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(dāng)單片機的P5．4為低電平時，繼電器RL1吸合，當(dāng)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(fù)位或單片機受控復(fù)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(shè)定為0，1／4，1／2，3／4，1五個單點模糊量和1個控制風(fēng)扇吹風(fēng)的單點模糊量。輸出語言變量的語言值取6個。當(dāng)U=0時，單片機P3．5口置低電平，使風(fēng)扇控制電路工作；當(dāng)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(guān)斷；當(dāng)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(guān)斷；當(dāng)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(guān)系，其關(guān)系是一個非線性的關(guān)系曲面。當(dāng)偏差較大時，控制量的變化應(yīng)盡力使偏差迅速減?。划?dāng)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(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與風(fēng)扇控制信號輸出端口的占空比。當(dāng)輸入電壓為2．7V時，系統(tǒng)的輸出顯示實際溫度為54℃，系統(tǒng)的設(shè)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(dāng)系統(tǒng)的實際溫度大于設(shè)定溫度時，系統(tǒng)輸出適當(dāng)?shù)娘L(fēng)扇控制信號以恒定的功率散熱，說明滿足設(shè)計要求。
　　
　　5、結(jié)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(shè)計程序，設(shè)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。