基于單片機的水溫恒溫模糊控制系統設計

摘要：隨著電子信息技術的不斷發展，電子信息技術對于人們的生產生活都產生了巨大的影響，而且隨著電子信息技術向智能化方向發展，人們生活中出現了越來越多的智能電子產品。智能化電子產品主要來源于它的智能控制系統，當前作為智能控制系統核心的為PLC、FPGA以及單片機。文章針對單片機的水溫恒溫模糊控制系統設計進行了分析。

關鍵詞：單片機；水溫恒溫；模糊控制系統；智能控制系統；智能電子產品 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2015）17-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.17.013

單片機作為當前電子產品的主要芯片之一，是當前電子技術人員最為熟悉的電子芯片，單片機又稱為微處理器，與處理器不同的是其可裁剪性、可移植性以及針對性都是十分優秀的，當前單片機根據位數分為4位、8位、16位和32位單片機，我相信在不久的將來，將會出現64位單片機，首先根據功能來區分，可分為低端市場的4位、8位和16位單片機，單片機主要是跑裸機程序，也就是不帶操作系統的程序，此類單片機可用于做一些簡單的控制作用，而針對高端單片機32位單片機又分為控制類單片機和操作類單片機，例如32位的STM32系統單片機主要用于做控制類單片機，一般情況下是直接跑裸機程序，如果是針對復雜的項目則可以運行UCOS、UCOSII和UCOSIII系統的操作系統，在四軸飛行器上所使用的單片機則是運行著UCOSII系統的stm32單片機；操作類的單片機主要用于做一些高端的電子產品，例如智能手機、智能MP5，攝像機等高端智能產品，其結構較為復雜，需要使用嵌入式技術來進行設計。

本文設計的單片機的水溫恒溫模糊控制系統則需要單片機，但是根據其控制情況而言，使用8位的單片機便足以滿足電路的實際需求。

1 電路硬件設計

單片機的水溫恒溫模糊控制系統設計所使用的主要的芯片便是單片機，編寫單片機程序，通過單片機引腳對實際的電路情況進行控制，基于單片機的水溫恒溫模糊控制系統與傳統的水溫控制系統而言，其先進性主要在于它的智能控溫這一特點，通過單片機的智能控溫系統使得熱水器能夠充分節約電源，這對于節約能源、保護環境、維持發展有重要的意義。

1.1 整體設計

如圖1為基于單片機的水溫恒溫模糊控制系統整體設計圖，根據圖1可得，單片機為整個電路中的核心芯片，當前眾多的電子智能產品中都是采用單片機為整個電路的控制核心，加上其他的外圍電路來實現自己想要的功能，基于單片機的水溫恒溫模糊控制系統使用的是最為普遍的8位單片機51單片AT89C51，AT89C51單片機共有40個引腳，4個IO端口（P0、P1、P2和P3），其中AT89C51單片機的P3端口具有第二功能可作為其他作用使用，其他控制功能使用單片機的P0～P23個端口就足夠了（P0端口需要外接上拉電阻，其他端口自帶有）。從圖1中可得基于單片機的水溫恒溫模糊控制系統主要是分為溫度采集電路、預置電路、電源、單片機、液晶顯示電路、控制電路以及加熱器，通過軟件編程對實際電路進行控制。

1.2 溫度采集電路

設計將溫度檢測單元作為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，使用的溫度采集裝置為DS18B20溫度傳感器，DS18B20傳感器體積小、靈敏性高、成本低，能夠滿足單片機的水溫恒溫模糊控制系統實際的溫度采集需求，通過采集DS18B20傳感器引腳的電平變化，可以測出實際的DS18B20傳感器溫度系數，根據公式可以計算出實際的溫度，溫度誤差與實際單片機控制有關，通常的單片機程序都能將溫度誤差控制在0.5℃以內，根據系統實際的靈敏度的需求，需要根據實際要求設計程序算法來減少溫度誤差，需要注意的是DS18B20傳感器的最高溫度最好不要超過150℃，否則容易將傳感器損壞，導致傳感器靈敏性降低。

1.3 預制電路

主要是單片機的一些工作電路以及整個電路的穩定、安全的保護電路。

1.4 電源電路

水溫恒溫模糊控制系統中單片機使用的電源電壓為5V，所以電路需要將220V、50Hz的電路轉為5V直流電壓，如果超過5V電壓容易損壞單片機和其他電路，所以單片機的水溫恒溫模糊控制系統的電源是一個穩壓的5V電源，并且在電路中還需要設計電路保護系統，其作用主要是用于電流過載保護，主要使用鉭電容來實現。

1.5 顯示電路與按鍵

單片機的水溫恒溫模糊控制系統所使用的顯示電路為12864液晶顯示屏，顯示電路主要是動態顯示實際的水溫值，至于顯示的靈敏度則需要根據實際的單片機程序來決定，顯示的溫度范圍0℃～100℃，此外還設有按鍵電路來對水溫值進行設置，用戶可以根據自己的實際需要來設置水溫的大小，按鍵主要是4*4的矩陣鍵盤，可以通過鍵盤上的0～9數字以及確定、取消按鍵進行實際電路控制。

1.6 控制電路和加熱器

加熱器采用有加熱功能的加熱棒，而控制電路的作用對象便是加熱棒，所以控制電路需要使用ADC數模裝換芯片將單片機的數字信號轉變實際的模擬信號，在對實際控制電路進行控制，進而實現對加熱棒的控制，控制電路等同于一個開關，單片機通過DS18B20傳感器所采集的數據進行處理，之后再通過控制電路判斷是打開加熱棒還是關閉加熱棒。

2 電路軟件設計

單片機的水溫恒溫模糊控制系統的軟件設計主要是針對單片機的控制程序設計，在單片機的水溫恒溫模糊控制系統程序中主要涉及到了一個模糊算法的概念。一般單片機設計主要是需要建立精確數學模型來設計算法，而模糊算法便是針對一些難以確保其實際情況參數確定的數學算法，眾所周知溫度是動態的，而單片機控制系統是十分精確的，所以模糊算法對單片機引腳所有采集的數據進行分析，而得到一種實際的精確數值的算法。假設不通過模糊控制器這一環節，如果當前這種算法還是存在一定的誤差，就需要提高單片機的控制精度，改進算法或者是重新設計算法，這顯然是大大超出了實際的成本價值。所以在單片機的水溫恒溫模糊控制系統中采用模糊算法來編寫單片機程序，進而達到系統實際的自動控制效果。

模糊算法主要用于單片機的水溫恒溫模糊控制系統的溫度采集以及控制分析中，而用戶通過鍵盤所設定的溫度則是模糊算法的運行電路控制標準，對于用戶溫度輸入值則是通過單片機自身的數據處理功能來實現，需要編寫鍵盤控制程序對鍵盤輸入數據進行處理，之后再通過模糊算法進行控制，進而達到系統的恒溫自動控制的目的。

3 結語

綜上所述，通過對單片機的水溫恒溫模糊控制系統的硬件電路和單片機軟件程序的設計進行全面的分析，我們對于電路整體設計以及運行情況都能一目了然，但是在實際電路運行中還需要考慮實際電路環境對于電路的影響，以及系統的穩定性情況。單片機的水溫恒溫模糊控制系統所面臨的對象是水，所以整個系統電路需要做好防水措施，同時還需要注意實際溫度對電路的穩定性的影響，以保證單片機的水溫恒溫模糊控制系統能夠穩定的運行，所以針對單片機的水溫恒溫模糊控制系統設計，除了需要重視電路本身的功能之外，還需要注意外接環境對于電路穩定的影響，這樣設計出來的產品才能算是一個合格的產品。

參考文獻

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作者簡介：張豐（1982-），女，遼寧錦州人，供職于黑龍江省綏化學院，碩士，研究方向：控制理論及其應用。

（責任編輯：周 瓊）