基于模糊单片机的温控系统设计

0　引　言
　　压电复合材料作为一种智能材料，在航天、航空、工业控制及制造等方面获得了广泛的应用。但是，能否对压电复合材料极化时的温度进行准确的控制是影响压电复合材料性能的重要因素，在本系统中采用模糊控制的方法，利用模糊单片机NLX230对极化温度进行控制。
　　NLX230是美国Neura Logic公司模糊单片机系统的一种基本型号，采用1．25微米COMS40脚DIP封装，具有很强的模糊逻辑处理能力，并行处理速度达3000万条／秒规则。它有和外部计算机的接口电路、外部EEPROM接口电路和振荡接口电路，通过这些接口，可以和外部计算机进行有关信息的传递，能够完成对温度、位移等参量的精确控制。
1　NLX230的结构特点
　　NLX230结构如图1所示，由模糊化输入选择器、16个模糊化器、最小比较器、最大比较器、输出寄存器、规则寄存器和定时控制七个单元组成。
1．1　模糊化输入选择器和模糊化器
　　模糊化输入选择器是由“8选1”多路选择器组成的选择电路，模糊化器是用来求取输入量对用户所定义的隶属函数的隶属度。每个“8选1”选择器都与一个模糊化器相连。因此，每个模糊化都可以从8位的外部信号任选一位输入，完成对输入信号的模糊化过程。NLX230中有16个模糊化器，一次最多可求取16个模糊量。

1．2　最小比较器和最大比较器
　　最小比较器是一个神经网络，可以根据规则寄存器置“1”位，将相应的模糊化器的输出进行高速比较，求出最小值，作为最小比较器的结果输出，即每条控制规则前件产生的最小值作为输出结果。最大比较器对每条规则前件产生的最小值进行比较，求出其中的最大值，这就是模糊逻辑最小最大推理结果。含最大值的控制规则的后件的模糊量就是推理结果的模糊量（由于后件的模糊量实质是单点，取值范围是－128～127，相当于完成了反模糊化的过程），故称之为作用值。
1．3　输出寄存器、规则寄存器
　　规则寄存器用于存放控制规则，NLX230最多可存放64条规则。输出寄存器用于存放作用值，作用值对输出值的修改采用累加法，即输出值等于即时作用值与上次输出值相加。
2　系统设计
　　NLX230有两种工作方式：主动方式（NLX230自动从外部EEPROM中读取数据）、从动方式（NLX230等待外部逻辑电路来读写数据），在本系统中NLX230工作在主动方式。图2是NLX230工作在主动方式时的框图。

整个系统的工作过程：首先NLX230送出串行时钟信号SK作为外部EEPROM的时钟信号，接着
送出片选信号CS选中EEPROM（EEPROM中存储的是模糊控制器的控制规则）。然后，从串行数据输出端DO送出一个读标志和7位的地址，并从 EEPROM中读出对应地址中的16位内容送入串行输入DI端，此时，片选信号CS变负，接着变正。依次类推，直至EEPROM中的196个数据被读入 NLX230中，即NLX230的结构配置过程结束。热电偶测量极化点附近的温度，热电偶输出的电压信号经A／D转换器转换后变为数字信号，接入模糊单片机NLX230的DI0～DI7，NLX230对输入端的数据按结构配置进行处理，输出一个数字控制信号量。再经D／A转换器输出一个控制电压信号，它控制加热电阻丝的电流，从而达到控制温度的目的。

3　软件设计
　　在本系统中，软件设计包括：模糊控制器的设计（产生控制规则）和规则集文件的形成。
3．1　模糊控制器的设计
　　系统的模糊控制器即模糊模型的建立是整个软件的核心环节。对于这个温控系统而言，模糊控制器的输入语言变量可选为实际温度y与给定温度S之间的误差e＝y－S及其变化率e，而其输出语言变量可选为控制加热电阻丝的电流的可控硅导通角的变化量u，这样，就为温控系统选定了一个双输入单输出的模糊控制系统，这就是系统的模糊模型。对于这个双输入单输出模糊控制系统，设定误差e的论域［－30℃，＋30℃］，选取输入语言变量误差E的论域X＝｛－6，－5，－4，－3，－2，－1，－0，＋0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6｝，则得到误差e的量化因子k ＝1／5。这样为语言变量E可选取8个语言值：PB、PM、PS、PO、NO、NS、NM和NB。根据双输入单输出的模糊控制器的确立方法就可以确立该控制系统的模糊控制矩阵，该矩阵是个14×14的矩阵，将用编程器写入EEPROM。
3．2　开发系统ADS230
　　和数字单片机一样，模糊单片机也有它的开发系统。NLX230开发系统是ADS230，它由硬件和软件两部分组成，主要功能是将系统的控制规则写成控制规则集文件，并将其转换成有关寄存器的内容写入NLX230的规则寄存器。下面是对厚度为1mm的 1～3型压电复合材料极化时用ADS230书写的规则集文件：

输入物理量Temp相应模糊量的中心值、宽度。
4　结束语
　　系统自投入运行以来，进行了大量的实验，系统的温度控制性能稳定，满足极化时的温度要求。实践表明，采用模糊单片机NLX230能够对温度、位移等参量的精确控制。