基于模糊單片機的溫控系統(tǒng)設計

0　引　言
　　壓電復合材料作為一種智能材料，在航天、航空、工業(yè)控制及制造等方面獲得了廣泛的應用。但是，能否對壓電復合材料極化時的溫度進行準確的控制是影響壓電復合材料性能的重要因素，在本系統(tǒng)中采用模糊控制的方法，利用模糊單片機NLX230對極化溫度進行控制。
　　NLX230是美國Neura Logic公司模糊單片機系統(tǒng)的一種基本型號，采用1．25微米COMS40腳DIP封裝，具有很強的模糊邏輯處理能力，并行處理速度達3000萬條／秒規(guī)則。它有和外部計算機的接口電路、外部EEPROM接口電路和振蕩接口電路，通過這些接口，可以和外部計算機進行有關信息的傳遞，能夠完成對溫度、位移等參量的精確控制。
1　NLX230的結構特點
　　NLX230結構如圖1所示，由模糊化輸入選擇器、16個模糊化器、最小比較器、最大比較器、輸出寄存器、規(guī)則寄存器和定時控制七個單元組成。
1．1　模糊化輸入選擇器和模糊化器
　　模糊化輸入選擇器是由“8選1”多路選擇器組成的選擇電路，模糊化器是用來求取輸入量對用戶所定義的隸屬函數(shù)的隸屬度。每個“8選1”選擇器都與一個模糊化器相連。因此，每個模糊化都可以從8位的外部信號任選一位輸入，完成對輸入信號的模糊化過程。NLX230中有16個模糊化器，一次最多可求取16個模糊量。

1．2　最小比較器和最大比較器
　　最小比較器是一個神經(jīng)網(wǎng)絡，可以根據(jù)規(guī)則寄存器置“1”位，將相應的模糊化器的輸出進行高速比較，求出最小值，作為最小比較器的結果輸出，即每條控制規(guī)則前件產(chǎn)生的最小值作為輸出結果。最大比較器對每條規(guī)則前件產(chǎn)生的最小值進行比較，求出其中的最大值，這就是模糊邏輯最小最大推理結果。含最大值的控制規(guī)則的后件的模糊量就是推理結果的模糊量（由于后件的模糊量實質是單點，取值范圍是－128～127，相當于完成了反模糊化的過程），故稱之為作用值。
1．3　輸出寄存器、規(guī)則寄存器
　　規(guī)則寄存器用于存放控制規(guī)則，NLX230最多可存放64條規(guī)則。輸出寄存器用于存放作用值，作用值對輸出值的修改采用累加法，即輸出值等于即時作用值與上次輸出值相加。
2　系統(tǒng)設計
　　NLX230有兩種工作方式：主動方式（NLX230自動從外部EEPROM中讀取數(shù)據(jù)）、從動方式（NLX230等待外部邏輯電路來讀寫數(shù)據(jù)），在本系統(tǒng)中NLX230工作在主動方式。圖2是NLX230工作在主動方式時的框圖。

整個系統(tǒng)的工作過程：首先NLX230送出串行時鐘信號SK作為外部EEPROM的時鐘信號，接著
送出片選信號CS選中EEPROM（EEPROM中存儲的是模糊控制器的控制規(guī)則）。然后，從串行數(shù)據(jù)輸出端DO送出一個讀標志和7位的地址，并從 EEPROM中讀出對應地址中的16位內容送入串行輸入DI端，此時，片選信號CS變負，接著變正。依次類推，直至EEPROM中的196個數(shù)據(jù)被讀入 NLX230中，即NLX230的結構配置過程結束。熱電偶測量極化點附近的溫度，熱電偶輸出的電壓信號經(jīng)A／D轉換器轉換后變?yōu)閿?shù)字信號，接入模糊單片機NLX230的DI0～DI7，NLX230對輸入端的數(shù)據(jù)按結構配置進行處理，輸出一個數(shù)字控制信號量。再經(jīng)D／A轉換器輸出一個控制電壓信號，它控制加熱電阻絲的電流，從而達到控制溫度的目的。
3　軟件設計
　　在本系統(tǒng)中，軟件設計包括：模糊控制器的設計（產(chǎn)生控制規(guī)則）和規(guī)則集文件的形成。
3．1　模糊控制器的設計
　　系統(tǒng)的模糊控制器即模糊模型的建立是整個軟件的核心環(huán)節(jié)。對于這個溫控系統(tǒng)而言，模糊控制器的輸入語言變量可選為實際溫度y與給定溫度S之間的誤差e＝y(tǒng)－S及其變化率e，而其輸出語言變量可選為控制加熱電阻絲的電流的可控硅導通角的變化量u，這樣，就為溫控系統(tǒng)選定了一個雙輸入單輸出的模糊控制系統(tǒng)，這就是系統(tǒng)的模糊模型。對于這個雙輸入單輸出模糊控制系統(tǒng)，設定誤差e的論域［－30℃，＋30℃］，選取輸入語言變量誤差E的論域X＝｛－6，－5，－4，－3，－2，－1，－0，＋0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6｝，則得到誤差e的量化因子k ＝1／5。這樣為語言變量E可選取8個語言值：PB、PM、PS、PO、NO、NS、NM和NB。根據(jù)雙輸入單輸出的模糊控制器的確立方法就可以確立該控制系統(tǒng)的模糊控制矩陣，該矩陣是個14×14的矩陣，將用編程器寫入EEPROM。
3．2　開發(fā)系統(tǒng)ADS230
　　和數(shù)字單片機一樣，模糊單片機也有它的開發(fā)系統(tǒng)。NLX230開發(fā)系統(tǒng)是ADS230，它由硬件和軟件兩部分組成，主要功能是將系統(tǒng)的控制規(guī)則寫成控制規(guī)則集文件，并將其轉換成有關寄存器的內容寫入NLX230的規(guī)則寄存器。下面是對厚度為1mm的 1～3型壓電復合材料極化時用ADS230書寫的規(guī)則集文件：

輸入物理量Temp相應模糊量的中心值、寬度。
4　結束語
　　系統(tǒng)自投入運行以來，進行了大量的實驗，系統(tǒng)的溫度控制性能穩(wěn)定，滿足極化時的溫度要求。實踐表明，采用模糊單片機NLX230能夠對溫度、位移等參量的精確控制。