基于模糊控制的水温自动调节器_电测仪表论文
关键词：at89c2051 单片机 模糊控制 温度 电热水器
模糊控制比传统的pid等控制方法，在强时变、大时滞、非线性系统中的控制效果有着明显的优势。将模糊控制技术应用于家电产品在国外已是很普遍的现象。单片机是家用电器常用的控制器件，把二者结合起来，可使控制器的性能指标达到最优的目的。基于模糊控制技术的单片机控制的电热水器，是对传统的电热水器开关控制的改造，具有达到设定温度的时间短、稳态温度波动小、反应灵敏、抗干扰能力强、节省电能等优点。
1 硬件电路总体设计
电热水器水温自动调节器以at89c2051单片机为核心，由多谐振荡器电路、温度设定电路、单片机。设定温度显示电路、控制信号隔离输出电路等几部分组成，结构框图如图1所示。
①多谐振荡电路。由g1、g2、g3、g4、rt、rs、c组成，具体电路如图2。其中rt是具有负温度系数的热敏电阻（0～100℃时，阻值在3～1kΩ之间变化），是本电路中的温度传感器，用环氧树胶涂于其外表后置于热水中。rs是限流电阻，限值很小，只有100Ω。非门采用ttl门74ls04电路，振荡周期t≈2.2rtc，脉宽为1.1rtc。可见，脉宽与rt有一一对应关系，因此，温度与脉宽也就有一一对应关系。
②at89c2051单片机。本控制器的核心，模糊控制就是用它控制软件来实现的。
③温度设定电路。通过一个按键产生脉冲从int1输入单片机来调节水温的设定值。
④设定温度显示电路。单片机将设定的温度值通过动态扫描的方法输出，数码管上可直接显示设定温度。在自动测定各温度对应的t0的计数值时，还可用来显示tl0的值。
⑤控制信号隔离输出电路。通过光耦将加热强电电路与单片机隔离，防止其干扰单片机的工作。单片机的输出控制信号控制两电热丝的断通，从而调节水温。
2 工作原理
int1先用于各温度值对应的脉宽计数器值的测量显示。中断1的中断服务程序先固化自动测量、显示的中断服务程序如图3所示。主程序不变，主程序如图4所示。从int1输入的设定温度用的脉冲将引起中断，中断服务程序可对与一定水温对应的电脉冲宽度的计数值（tl0）进行测量并显示，记下其数值后便可制定“温度表”（与一定温度对应的tl0值并存放于程序存储器中的表），将“温度表”固化于程序存储器中。然后，int1再用于温度的设定，将中断1的服务程序换为预温温度的程序，如图5所示。让定时器t1定时中断，配合软件计数器，每隔5s测量1次温度的当前值。将测得的脉宽转化为温度值是这样实现的：先让脉冲从int0进入单片机，t0在int0为高电平时开始定时，变为低电平时停止，于是在tl0中得到脉宽对应的定时计数值，查找与“温度表”中与计数值一一对应关系的温度。将用的脉冲将引起中断，中断服务程序可对与一定水温对应的电脉冲宽度计数值（tl0）进行测量并显示，记下其数值后便可制定“温度”（与一定温度对应的tl0值并存放于程序存储器中的表），将“温度表”固化于程序存储器中。然后，int1再用于温度的设定，将中断1的服务程序换为预置温度的程序，如图5所示。让定时器t1定时断，配合软件计数器，第隔5s测量1次温度的当前值。将测得的脉宽转化为温度值是这样实现的：先让脉冲从int0进入单片，t0在int0为高电 平时开始定时，变为低电平时停止，于是在tl0中得到脉宽对应的定时计数值，查找与“温度表”中与计数值一一对的温度。将温度的测量值及前次测得的值分别存于一个存储单元，通过模糊控制程序以决定两电热丝的断情况。初始化程序如下：
main：mov tmod，#1ah；t1工作于方式1，定时100ms；（配合软件计数器定时5s）
；t0工作于方式2，使用门控位，定时
mov tm0，#20 ；tm0为设定温度存储单元，设定初始温度为20℃
mov th0，#0
mov tl0，#0
mov th1，#3ch ；t1置产生100ms定时的初值（tosc=6mhz）。
mov tl1，#0b0h
mov tmer，#50 ；tmer为软件计数器单元；50×100ms=5s
setb tr1 ；启动定时器t1
setb ea ；开cpu中断
setb ex1 ；开外部中断1
setb it1 ；设定为边沿触发。
setb px1 ；设定温度的中断优先级为高级中断。
setb et1 ；开t1中断
setb p3.7 ；不加热
setb p1.7
……
3 模糊控制的原理
模糊控制器的输入为测得温度与设定温度的偏差e（e=t0-t;t0为设定的水温，t为测得的水温。）以及偏差的变化量Δe（Δe=t本-t前，其中t前为前次测得的温度，t本为本次测得的温度），输出为电热丝加热量u。将e分为四个模糊子集b（大）、m（中）、s（小）、n（负），对应温度的偏差为：t0-t>tm1℃、tm2℃<t0-t<tm1℃、0℃<t0-t<tm2℃、t0-t<0℃（tm1>tm2>0）。Δe分为三个模糊子集p（正）、z（零）、n（负），对应的偏差变化量为：t本-t前>a0、-a0<t本-t前<a0、t本-t前<-a0（a0>0）；电热丝加热量分为四个模糊子集b（大）、m（中）、s(小)、z（零），对应于二极电热丝的四种状态的组合：电热丝1电热丝2都加热、电热丝1加热、电热丝2加热、电热丝1电热丝2都不加热（其中电热丝1的功率大于电热丝2的功率）。模糊控制规则如表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
由单片机对温度进行测量，将本次测得的温度与设定的温度值相减得到温度的偏差e，并存储到存储单元tms；将本次测得的温度减前次测量的温度，得到温度的偏差变化量Δe并存入存储单元tmcb；根据温度的偏差及偏差的变化量由模糊控制表决定电热丝的断闭。如果将e的四个模糊子集n、s、m、b分别用数字-1、1、3、6表示，Δe的四个模糊子集n、z、p分别用数字-1、0、1表示，则根据模糊控制规则表1，可得到如表2所示的e+Δe。将表2与表1对照可以看出：当e+Δe≤0时，加热量为z；当1≤e+Δe<3时，加热量为s；当3≤e+Δe<5时，加热量为m；当e+Δe≥5时，加热量为b。故可编制所求的模糊控制程序。
该温度控制器已应用于笔者家中自制的电热水器中，经几个月的使用证明非常实用，且性能稳定。