關(guān)于單片機(jī)的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

倪 濤

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡 438002）

隨著新能源的不斷開(kāi)發(fā)與利用，太陽(yáng)能熱水器已經(jīng)大量普及使用。太陽(yáng)能熱水器在晴天利用太陽(yáng)能進(jìn)行加熱，而在冬天或陰雨天等陽(yáng)光不足的情況下，就需要使用有電能進(jìn)行輔助加熱。輔助加熱控制系統(tǒng)有很多種，比較傳統(tǒng)的是PID控制或開(kāi)關(guān)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(duì)傳統(tǒng)模式具有很強(qiáng)的優(yōu)越性，對(duì)時(shí)滯性、非線(xiàn)性和大時(shí)變的控制都比較理想，隨著家電產(chǎn)品中對(duì)模糊控制技術(shù)運(yùn)用的越來(lái)越深入，模糊控制技術(shù)將成為智能家電的發(fā)展方向。本文利用單片機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)，以控制電輔助加熱，這種方法的優(yōu)點(diǎn)有：穩(wěn)態(tài)溫度波動(dòng)小、抗干擾能力強(qiáng)、達(dá)到設(shè)定溫度的時(shí)間短、節(jié)省電能和反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)。

1 整體設(shè)計(jì)

相比傳統(tǒng)熱水器溫度控制系統(tǒng)，利用單片機(jī)對(duì)太陽(yáng)能水溫進(jìn)行智能調(diào)節(jié)控制效果更明顯且性能更為先進(jìn)。而且，很穩(wěn)控制系統(tǒng)可以解決冬天和雨天太陽(yáng)能不足所導(dǎo)致的熱水不足的問(wèn)題。

本文所設(shè)計(jì)的恒溫控制系統(tǒng)的控制中心為高性能單片機(jī)，型號(hào)為12C5A（宏晶公司生產(chǎn)），系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于硬件設(shè)計(jì)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(yù)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述整體設(shè)計(jì)的要求和太陽(yáng)能的工作特點(diǎn)，首先需要對(duì)水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，這項(xiàng)任務(wù)由溫度傳感器來(lái)完成，當(dāng)熱水器水溫與用戶(hù)設(shè)定的水溫不同時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)水溫模糊控制系統(tǒng)。水溫模糊控制系統(tǒng)控制精度高且響應(yīng)速度快。如下圖，該圖為水溫溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。從圖1可知，熱水器溫度控制系統(tǒng)主要包括以下部分：溫度采集電路、液晶顯示、電源、預(yù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 溫度采集模塊

本設(shè)計(jì)將溫度檢測(cè)單元置于熱水器的開(kāi)關(guān)，并在左側(cè)、右側(cè)和底部分別安裝一個(gè)加熱片，這樣可以提高溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性，避免加熱不均所帶來(lái)的溫度檢測(cè)誤差。溫度采集模塊采集實(shí)時(shí)水溫，當(dāng)水溫低于設(shè)定溫度值則加熱裝置自動(dòng)啟動(dòng)，相反，當(dāng)水溫高于設(shè)定溫度值則加熱裝置自動(dòng)關(guān)閉。本文采用DS18B20作為溫度采集模塊 來(lái)。該型號(hào)的智能溫度傳感器經(jīng)過(guò)的一定的改進(jìn)，溫度測(cè)控范圍廣：為-55～125℃，溫度檢測(cè)精度高：可以精確到0.0675℃，本文擬設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)水溫變動(dòng)范圍為 10～60℃，水溫測(cè)控精度為 1℃，使用 DS18B20可以很好的滿(mǎn)足該系統(tǒng)。DS18B20體積小，電壓適用范圍寬，可以直接讀取被測(cè)物體的溫度值，該溫度傳感器除了能夠和傳統(tǒng)的熱敏電阻一樣直接讀出被測(cè)溫度，還可以通過(guò)一定的編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字值讀數(shù)。

2.2 加熱模塊

本文所設(shè)計(jì)的水溫控制系統(tǒng)以單片機(jī)為控制中心，通過(guò)單片機(jī)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(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水加熱；溫度采集模塊采集的實(shí)時(shí)溫度值達(dá)到用戶(hù)設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)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(dāng)溫度過(guò)高是還要作用于制冷片以達(dá)到水溫降低的目的，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)水溫控制。

2.3 顯示模塊和鍵盤(pán)輸入

本文設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)鍵盤(pán)采用掃描鍵盤(pán)（3*3），將鍵盤(pán)模塊與單片機(jī)進(jìn)行連接，用引腳P1.0-P1.6就可以輸入00.0-99.9℃范圍溫度設(shè)定值，也可以根據(jù)用戶(hù)的要求隨時(shí)對(duì)設(shè)定值進(jìn)行更改。

顯示模塊由溫度顯示模塊和始終顯示模塊兩個(gè)部分組成。本系統(tǒng)采用MS12864R液晶屏作為溫度顯示模塊，單片機(jī)的P2.3連接該液晶屏的RS引腳，單片機(jī)的P3.6連接EN引腳，單片機(jī)的P3.7連接RW引腳，時(shí)間、傳感器檢測(cè)溫度值以及輸入溫度數(shù)值的顯示都是通過(guò)該液晶屏實(shí)現(xiàn)的。

溫度值的輸入通過(guò)鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)，輸入精度為0.1℃，本設(shè)計(jì)采用的是3*3鍵盤(pán)，鍵盤(pán)包括9個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵的用途如下：按鍵1表示將水溫溫度十位數(shù)加1，按鍵2表示將水溫溫度個(gè)位數(shù)加1，按鍵3表示將水溫溫度小數(shù)點(diǎn)后一位加1，按鍵4表示將水溫溫度十位數(shù)減1，按鍵5表示將水溫溫度個(gè)位數(shù)減1，按鍵6表示將水溫溫度小數(shù)點(diǎn)后一位減1，按鍵7表示計(jì)時(shí)時(shí)間開(kāi)始，按鍵8表示時(shí)間計(jì)時(shí)結(jié)束，按鍵9表示輸入結(jié)束，進(jìn)入控制。為了方便操作，鍵盤(pán)的輸入同時(shí)會(huì)有提示聲。

以上便是該溫度控制系統(tǒng)的主要硬件部分，硬件搭配完成以后，溫度控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)還依賴(lài)于軟件的設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C51編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，首先對(duì)模塊進(jìn)行初始化，然后調(diào)用讀溫度、處理溫度、顯示、按鍵和繼電器各模塊，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)模塊的控制。如圖2所示。

由圖2可知，初始化時(shí)首先通過(guò)3*3的鍵盤(pán)系統(tǒng)進(jìn)行輸入設(shè)定，然后對(duì)否設(shè)定結(jié)束進(jìn)行判斷，判斷設(shè)定完成則進(jìn)入控制系統(tǒng)，該過(guò)程中采用模糊控制算法，對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并將檢測(cè)值顯示于液晶屏，如果實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度與用戶(hù)設(shè)定值相同則控制過(guò)程結(jié)束并進(jìn)入恒溫保持階段。

4 模糊控制算法

雖然該系統(tǒng)的控制中心12C5A系列單片機(jī)，具有高性?xún)r(jià)和高速度的特點(diǎn)，但是依然難于通過(guò)建立精確數(shù)學(xué)模型來(lái)達(dá)到控制溫度的目的，這主要是因?yàn)閮蓚€(gè)原因：首先是無(wú)法直接精確檢測(cè)熱水器出口溫度，然后是超調(diào)現(xiàn)象在系統(tǒng)溫度加熱時(shí)普遍存在。基于這些原因本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對(duì)溫度恒溫控制的實(shí)現(xiàn)采用模糊控制算法。模糊控制中輸入信號(hào)為溫度偏差量和加熱時(shí)間，輸出量為不同溫度調(diào)節(jié)器的工作狀態(tài)，該模糊控制器設(shè)計(jì)為雙輸入單輸出，如圖3所示。

圖2 水溫控制系統(tǒng)主程序流程圖

圖3 模糊控制器示意圖

以一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明模糊控制方式如何自動(dòng)調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)水溫恒溫：現(xiàn)在家丁用戶(hù)的設(shè)定溫度值為61℃，溫度收集模塊的實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度值為29℃，運(yùn)用該設(shè)計(jì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)從29℃至61℃的耗時(shí)平均為6分29秒，加熱過(guò)程中，當(dāng)溫度收集模塊的實(shí)時(shí)檢測(cè)值顯示超過(guò)61℃后加熱系統(tǒng)就會(huì)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(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，模糊控制算法具有精度高、反應(yīng)靈敏和高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

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