基于模糊控制的水溫自動調(diào)節(jié)器

 摘要：溫度傳感器及有關(guān)電路將溫度轉(zhuǎn)化為電脈沖的脈寬，單片機將測得的脈沖寬度的值轉(zhuǎn)化為與之對應(yīng)的溫度值。與設(shè)定的溫度相比較后，以溫度偏差及其變化量為輸入、加熱量為輸出，通過模糊控制算法，就可達到水溫自動調(diào)節(jié)的目的。對任意溫度對應(yīng)的脈寬還可進行自動測量，并加以顯示。

    關(guān)鍵詞：AT89C2051 單片機 模糊控制 溫度 電熱水器

模糊控制比傳統(tǒng)的PID等控制方法，在強時變、大時滯、非線性系統(tǒng)中的控制效果有著明顯的優(yōu)勢。將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于家電產(chǎn)品在國外已是很普遍的現(xiàn)象。單片機是家用電器常用的控制器件，把二者結(jié)合起來，可使控制器的性能指標達到最優(yōu)的目的。基于模糊控制技術(shù)的單片機控制的電熱水器，是對傳統(tǒng)的電熱水器開關(guān)控制的改造，具有達到設(shè)定溫度的時間短、穩(wěn)態(tài)溫度波動小、反應(yīng)靈敏、抗干擾能力強、節(jié)省電能等優(yōu)點。

1 硬件電路總體設(shè)計

電熱水器水溫自動調(diào)節(jié)器以AT89C2051單片機為核心，由多諧振蕩器電路、溫度設(shè)定電路、單片機。設(shè)定溫度顯示電路、控制信號隔離輸出電路等幾部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

①多諧振蕩電路。由G1、G2、G3、G4、Rt、Rs、C組成，具體電路如圖2。其中Rt是具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻（0～100℃時，阻值在3～1kΩ之間變化），是本電路中的溫度傳感器，用環(huán)氧樹膠涂于其外表后置于熱水中。Rs是限流電阻，限值很小，只有100Ω。非門采用TTL門74LS04電路，振蕩周期T≈2.2RtC，脈寬為1.1RtC。可見，脈寬與Rt有一一對應(yīng)關(guān)系，因此，溫度與脈寬也就有一一對應(yīng)關(guān)系。

②AT89C2051單片機。本控制器的核心，模糊控制就是用它控制軟件來實現(xiàn)的。

③溫度設(shè)定電路。通過一個按鍵產(chǎn)生脈沖從INT1輸入單片機來調(diào)節(jié)水溫的設(shè)定值。

④設(shè)定溫度顯示電路。單片機將設(shè)定的溫度值通過動態(tài)掃描的方法輸出，數(shù)碼管上可直接顯示設(shè)定溫度。在自動測定各溫度對應(yīng)的T0的計數(shù)值時，還可用來顯示TL0的值。

⑤控制信號隔離輸出電路。通過光耦將加熱強電電路與單片機隔離，防止其干擾單片機的工作。單片機的輸出控制信號控制兩電熱絲的斷通，從而調(diào)節(jié)水溫。

2 工作原理

INT1先用于各溫度值對應(yīng)的脈寬計數(shù)器值的測量顯示。中斷1的中斷服務(wù)程序先固化自動測量、顯示的中斷服務(wù)程序如圖3所示。主程序不變，主程序如圖4所示。從INT1輸入的設(shè)定溫度用的脈沖將引起中斷，中斷服務(wù)程序可對與一定水溫對應(yīng)的電脈沖寬度的計數(shù)值（TL0）進行測量并顯示，記下其數(shù)值后便可制定“溫度表”（與一定溫度對應(yīng)的TL0值并存放于程序存儲器中的表），將“溫度表”固化于程序存儲器中。然后，INT1再用于溫度的設(shè)定，將中斷1的服務(wù)程序換為預(yù)溫溫度的程序，如圖5所示。讓定時器T1定時中斷，配合軟件計數(shù)器，每隔5s測量1次溫度的當(dāng)前值。將測得的脈寬轉(zhuǎn)化為溫度值是這樣實現(xiàn)的：先讓脈沖從INT0進入單片機，T0在INT0為高電平時開始定時，變?yōu)榈碗娖綍r停止，于是在TL0中得到脈寬對應(yīng)的定時計數(shù)值，查找與“溫度表”中與計數(shù)值一一對應(yīng)關(guān)系的溫度。將用的脈沖將引起中斷，中斷服務(wù)程序可對與一定水溫對應(yīng)的電脈沖寬度計數(shù)值（TL0）進行測量并顯示，記下其數(shù)值后便可制定“溫度”（與一定溫度對應(yīng)的TL0值并存放于程序存儲器中的表），將“溫度表”固化于程序存儲器中。然后，INT1再用于溫度的設(shè)定，將中斷1的服務(wù)程序換為預(yù)置溫度的程序，如圖5所示。讓定時器T1定時斷，配合軟件計數(shù)器，第隔5s測量1次溫度的當(dāng)前值。將測得的脈寬轉(zhuǎn)化為溫度值是這樣實現(xiàn)的：先讓脈沖從INT0進入單片，T0在INT0為高電 平時開始定時，變?yōu)榈碗娖綍r停止，于是在TL0中得到脈寬對應(yīng)的定時計數(shù)值，查找與“溫度表”中與計數(shù)值一一對的溫度。將溫度的測量值及前次測得的值分別存于一個存儲單元，通過模糊控制程序以決定兩電熱絲的斷情況。初始化程序如下：

MAIN：MOV TMOD，#1AH；T1工作于方式1，定時100ms；（配合軟件計數(shù)器定時5s）

；T0工作于方式2，使用門控位，定時

MOV TM0，#20 ；TM0為設(shè)定溫度存儲單元，設(shè)定初始溫度為20℃

MOV TH0，#0

MOV TL0，#0

MOV TH1，#3CH ；T1置產(chǎn)生100ms定時的初值（tosc=6MHz）。

MOV TL1，#0B0H

MOV TMER，#50 ；TMER為軟件計數(shù)器單元；50×100ms=5s

SETB TR1 ；啟動定時器T1

SETB EA ；開CPU中斷

SETB EX1 ；開外部中斷1

SETB IT1 ；設(shè)定為邊沿觸發(fā)。

SETB PX1 ；設(shè)定溫度的中斷優(yōu)先級為高級中斷。

SETB ET1 ；開T1中斷

SETB P3.7 ；不加熱

SETB P1.7

……

3 模糊控制的原理

模糊控制器的輸入為測得溫度與設(shè)定溫度的偏差E（E=t0-t;t0為設(shè)定的水溫，t為測得的水溫。）以及偏差的變化量ΔE（ΔE=t本-t前，其中t前為前次測得的溫度，t本為本次測得的溫度），輸出為電熱絲加熱量U。將E分為四個模糊子集B（大）、M（中）、S（?。?、N（負），對應(yīng)溫度的偏差為：t0-t>TM1℃、TM2℃<t0-t<TM1℃、0℃<t0-t<TM2℃、t0-t<0℃（TM1>TM2>0）。ΔE分為三個模糊子集P（正）、Z（零）、N（負），對應(yīng)的偏差變化量為：t本-t前>A0、-A0<t本-t前<A0、t本-t前<-A0（A0>0）；電熱絲加熱量分為四個模糊子集B（大）、M（中）、S(小)、Z（零），對應(yīng)于二極電熱絲的四種狀態(tài)的組合：電熱絲1電熱絲2都加熱、電熱絲1加熱、電熱絲2加熱、電熱絲1電熱絲2都不加熱（其中電熱絲1的功率大于電熱絲2的功率）。模糊控制規(guī)則如表1所列。

表1 

ΔE      E	P	Z	N
B	B	B	B
M	M	M	S
S	S	S	Z
N	Z	Z	Z

表2

E+ΔE      E	ΔE 1	0	-1
6	7	6	5
3	4	3	2
1	2	1	0
-1	0	-1	-2

4 模糊控制程序

由單片機對溫度進行測量，將本次測得的溫度與設(shè)定的溫度值相減得到溫度的偏差E，并存儲到存儲單元TMS；將本次測得的溫度減前次測量的溫度，得到溫度的偏差變化量ΔE并存入存儲單元TMCB；根據(jù)溫度的偏差及偏差的變化量由模糊控制表決定電熱絲的斷閉。如果將E的四個模糊子集N、S、M、B分別用數(shù)字-1、1、3、6表示，ΔE的四個模糊子集N、Z、P分別用數(shù)字-1、0、1表示，則根據(jù)模糊控制規(guī)則表1，可得到如表2所示的E+ΔE。將表2與表1對照可以看出：當(dāng)E+ΔE≤0時，加熱量為Z；當(dāng)1≤E+ΔE<3時，加熱量為S；當(dāng)3≤E+ΔE<5時，加熱量為M；當(dāng)E+ΔE≥5時，加熱量為B。故可編制所求的模糊控制程序。

該溫度控制器已應(yīng)用于筆者家中自制的電熱水器中，經(jīng)幾個月的使用證明非常實用，且性能穩(wěn)定。