關于單片機的水溫恒溫模糊控制系統設計

倪 濤

（黃岡職業技術學院，湖北 黃岡 438002）

隨著新能源的不斷開發與利用，太陽能熱水器已經大量普及使用。太陽能熱水器在晴天利用太陽能進行加熱，而在冬天或陰雨天等陽光不足的情況下，就需要使用有電能進行輔助加熱。輔助加熱控制系統有很多種，比較傳統的是PID控制或開關控制，這兩種控制方法都存在著明顯的缺陷，首先是控制精度差，其次是控制效果不理想。模糊控制相對傳統模式具有很強的優越性，對時滯性、非線性和大時變的控制都比較理想，隨著家電產品中對模糊控制技術運用的越來越深入，模糊控制技術將成為智能家電的發展方向。本文利用單片機代替傳統的開關控制系統，以控制電輔助加熱，這種方法的優點有：穩態溫度波動小、抗干擾能力強、達到設定溫度的時間短、節省電能和反應靈敏等優點。

1 整體設計

相比傳統熱水器溫度控制系統，利用單片機對太陽能水溫進行智能調節控制效果更明顯且性能更為先進。而且，很穩控制系統可以解決冬天和雨天太陽能不足所導致的熱水不足的問題。

本文所設計的恒溫控制系統的控制中心為高性能單片機，型號為12C5A（宏晶公司生產），系統功能實現依賴于硬件設計和軟件編程。前者主要包括四部分：控制模塊、溫度采集電路模塊、液晶顯示模塊、預置電路模塊；后者即軟件編程采用單輸入雙輸出的形式的控制算法來實現。

2 系統硬件設計

根據上述整體設計的要求和太陽能的工作特點，首先需要對水溫進行實時檢測，這項任務由溫度傳感器來完成，當熱水器水溫與用戶設定的水溫不同時，自動啟動水溫模糊控制系統。水溫模糊控制系統控制精度高且響應速度快。如下圖，該圖為水溫溫度控制系統結構框圖。從圖1可知，熱水器溫度控制系統主要包括以下部分：溫度采集電路、液晶顯示、電源、預置電路、加熱器及控制電路等，如圖1。

圖1 水溫溫度控制系統結構框圖

2.1 溫度采集模塊

本設計將溫度檢測單元置于熱水器的開關，并在左側、右側和底部分別安裝一個加熱片，這樣可以提高溫度檢測的準確性，避免加熱不均所帶來的溫度檢測誤差。溫度采集模塊采集實時水溫，當水溫低于設定溫度值則加熱裝置自動啟動，相反，當水溫高于設定溫度值則加熱裝置自動關閉。本文采用DS18B20作為溫度采集模塊 來。該型號的智能溫度傳感器經過的一定的改進，溫度測控范圍廣：為-55～125℃，溫度檢測精度高：可以精確到0.0675℃，本文擬設計的溫度控制系統水溫變動范圍為 10～60℃，水溫測控精度為 1℃，使用 DS18B20可以很好的滿足該系統。DS18B20體積小，電壓適用范圍寬，可以直接讀取被測物體的溫度值，該溫度傳感器除了能夠和傳統的熱敏電阻一樣直接讀出被測溫度，還可以通過一定的編程實現數字值讀數。

2.2 加熱模塊

本文所設計的水溫控制系統以單片機為控制中心，通過單片機控制繼電器的通斷最后控制加熱棒的工作。具體方式是采用通斷連接加熱棒兩端電壓的方法進行控制，以實現對水加熱；溫度采集模塊采集的實時溫度值達到用戶設定值時，單片機作為控制中心首先作用于繼電器，再用繼電器作用于自制恒溫箱，當溫度過高是還要作用于制冷片以達到水溫降低的目的，這樣就實現了對水溫控制。

2.3 顯示模塊和鍵盤輸入

本文設計的溫度控制系統鍵盤采用掃描鍵盤（3*3），將鍵盤模塊與單片機進行連接，用引腳P1.0-P1.6就可以輸入00.0-99.9℃范圍溫度設定值，也可以根據用戶的要求隨時對設定值進行更改。

顯示模塊由溫度顯示模塊和始終顯示模塊兩個部分組成。本系統采用MS12864R液晶屏作為溫度顯示模塊，單片機的P2.3連接該液晶屏的RS引腳，單片機的P3.6連接EN引腳，單片機的P3.7連接RW引腳，時間、傳感器檢測溫度值以及輸入溫度數值的顯示都是通過該液晶屏實現的。

溫度值的輸入通過鍵盤實現，輸入精度為0.1℃，本設計采用的是3*3鍵盤，鍵盤包括9個按鍵，每個按鍵的用途如下：按鍵1表示將水溫溫度十位數加1，按鍵2表示將水溫溫度個位數加1，按鍵3表示將水溫溫度小數點后一位加1，按鍵4表示將水溫溫度十位數減1，按鍵5表示將水溫溫度個位數減1，按鍵6表示將水溫溫度小數點后一位減1，按鍵7表示計時時間開始，按鍵8表示時間計時結束，按鍵9表示輸入結束，進入控制。為了方便操作，鍵盤的輸入同時會有提示聲。

以上便是該溫度控制系統的主要硬件部分，硬件搭配完成以后，溫度控制系統功能的實現還依賴于軟件的設計。

3 系統軟件設計

該系統的軟件設計采用C51編程語言來實現，首先對模塊進行初始化，然后調用讀溫度、處理溫度、顯示、按鍵和繼電器各模塊，最后實現對每一個模塊的控制。如圖2所示。

由圖2可知，初始化時首先通過3*3的鍵盤系統進行輸入設定，然后對否設定結束進行判斷，判斷設定完成則進入控制系統，該過程中采用模糊控制算法，對溫度進行實時檢測并將檢測值顯示于液晶屏，如果實時檢測溫度與用戶設定值相同則控制過程結束并進入恒溫保持階段。

4 模糊控制算法

雖然該系統的控制中心12C5A系列單片機，具有高性價和高速度的特點，但是依然難于通過建立精確數學模型來達到控制溫度的目的，這主要是因為兩個原因：首先是無法直接精確檢測熱水器出口溫度，然后是超調現象在系統溫度加熱時普遍存在。基于這些原因本文設計的控制系統對溫度恒溫控制的實現采用模糊控制算法。模糊控制中輸入信號為溫度偏差量和加熱時間，輸出量為不同溫度調節器的工作狀態，該模糊控制器設計為雙輸入單輸出，如圖3所示。

圖2 水溫控制系統主程序流程圖

圖3 模糊控制器示意圖

以一個實例來說明模糊控制方式如何自動調節以實現水溫恒溫：現在家丁用戶的設定溫度值為61℃，溫度收集模塊的實時檢測溫度值為29℃，運用該設計通過實驗從29℃至61℃的耗時平均為6分29秒，加熱過程中，當溫度收集模塊的實時檢測值顯示超過61℃后加熱系統就會停止工作，水溫不再上升，然后溫度降至60.8℃并一直保持在該溫度。通過實驗數據可以看出，模糊控制算法具有精度高、反應靈敏和高穩定性等優點。

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