毕业设计（论文）即热式电热水器模糊控制器的设计

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1、目 录摘 要2第1章 绪论41.1 模糊控制在家用电器中应用的意义4（1） 即电式热水器研究的背景和意义4（2）模糊控制技术的优点41.2 方案选择与方案论证51.3本研究课题研究内容5第2章 模糊控制器的设计62.1 模糊控制的基本原理62.2 模糊控制器的设计6（1）精确量的模糊化6（2） 模糊控制算法设计6（3） 模糊控制状态表与查询表的建立7第3章 系统硬件设计93.1 系统总体方案93.2系统硬件组成及工作原理93.3 系统硬件电路的设计10（1） 温度检测电路10DS18B20测温原理10DS18B20与单片机的接口电路11（2）水流检测电路11（3） 输出控制电路12（4） 键盘

2、与显示电路12（5） 核心部件单片机13（6） 整流和稳压电路13第4章 系统软件设计144.1 主程序144.2 T0、T1中断服务程序154.3 数据采集模块154.4 键扫描子程序164.5 显示子程序174.6 模糊控制程序18设计总结20参考文献21附录2223摘 要模糊控制理论是模糊数学在工程应用中的一个重要分支，其基本思想就是利用计算机来实现人的控制经验，它是模糊理论与计算机技术、自动化技术相结合的产物，由于其良好的控制特性而得到广泛应用。本文应用ATMEL单片机AT89S52作为核心部件，并引用了模糊控制理论与现场调试相结合的办法编制出具有智能补偿的系统软件，从而克服了PID控

3、制方式中存在的进入恒温状态所需时间长、控制精度低、PID参数设置方法不易掌握等缺陷而造成的时间和能源的浪费，使系统工作效率低下，不能很好满足使用的要求。实际运行表明，应用本系统控制技术而设计的即热式电热水器温度控制系统工作稳定可靠，控制精度高，过渡过程时间短。本系统可以实现对热水器水温的实时控制，程序的可移植性强，有很好的推广、应用价值。性能达到目前国内的同类设备水平，且价格低廉。关键词：模糊控制，PID控制，温度传感器，霍尔传感器 ABSTRACTThe fuzzy control theory is an important branch in engineering applicatio

4、ns of fuzzy mathematics. Its basic thought is using computer to realize peoples control experience .It is the result of the fuzzy theory combined with computer technology and automatic technology. And it is widely used because of its good control characteristics. This text uses single-chip microcomp

5、uter AT89S52 of ATMEL as the key part and have programmed system soft ware with intelligence compensation using the method of the fuzzy control theory combined together with field debug, thus overcomes the disadvantages of waste of time and energy existed in PID control method, caused by the long ne

6、cessary time to reach constant temperature state, low control precision, difficulty to grasp the setting methods of PID parameters etc., which make systematic working efficiency low and cant meet the demand. Practical running indicates that the temperature control system of electric heater designed

7、using this system control technology is steady and reliable, with high control precision and short transition time.This system can realize the re al-time control of the temperature of the water heater, with strong portability of the procedure. It is worthy of popularization and application and its p

8、erformance reaches the domestic similar equipment level at present, with low cost Key Words：fuzzy control, PID control, temperature sensor, Halls sensor第1章 绪论1.1 模糊控制在家用电器中应用的意义（1） 即电式热水器研究的背景和意义近年来，热水器已经成为与人们生活密切相关的电器设备。它有安全、环保等特点，对安装的要求比较简单，不受空间限制，可以因地制宜。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。近几

9、年来，随着人们生活水平的提高，住宅用户都有条件使用上述即热式电热水器，安全系数可以达到100%。通过检测，即热式比传统的热水器可节省40%能源。因为他既不需要预热，又不用保温，省去了大量的额外开支，给用户带来真正的实惠。即热式产品作为新型环保产品，在我国广泛使用是大势所趋符合现代消费潮流。（2）模糊控制技术的优点模糊控制力图对人们关于某个控制问题的成功与失败和经验进行加工, 总结出知识, 从中提炼出控制规则, 用一系列多维模糊条件语句构造系统的模糊语言变量模型, 应用CRI 等各类模糊推理方法,可以得到适合控制要求的控制量, 可以说模糊控制是一种语言变量的控制。模糊控制具有以下特点:(1) 模

10、糊控制直接采用语言型控制规则, 出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识, 设计简单, 便于应用。(2)模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。(3) 模糊控制算法有利于模拟人工控制的过程和方法, 使之具有一定的智能水平。除此, 模糊控制还有比较突出的两个优点:第一, 模糊控制在许多应用中可以有效且便捷地实现人的控制策略和经验。第二, 模糊控制可以不需被控对象的数学模型即可实现较好的控制。模糊控制也有缺陷, 主要表现在: 1) 精度不太高; 2) 自适应能力有限; 3) 易产生振荡现象。1.2 方案选择与方案论证即热式热水器使用前无需加热，以做到即开

11、即热，市场上的即热式热水器一般采用继电器调节加热档位，这种控制属于开环控制系统，在某一档位下，以固定功率加热，当入水温度或水压变化时，出水温度就会发生变化，需要重新调节加热档位。目前流行恒温式即热式热水器一般采用单纯的 PID 调节的方式控温，直接检测出水温度构成反馈控制系统这种单纯的反馈控制在水压恒定，入水温度不太低的情况下能满足控制要求，由于温度控制系统存在的滞后性，在水压波动，电压波动，入水温度变化等外界干扰较大的情况下可能会造成出水温度波动过大，调节时间过长，不能满足即热式热水器快速恒温的要求因此我选择采用模糊控制器来实现即热式电热水器的控制，而模糊控制器直接采用语言型控制规则, 出发

12、点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识, 设计简单, 便于应用。并且模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。而且模糊控制算法有利于模拟人工控制的过程和方法, 使之具有一定的智能水平。 我的设计方案的工作原理为：温度传感器及有关电路将电热水器出口温度转化为电压，再通过A/D转换为数字量，单片机将测得的数字量转化为与之对应的温度值。与设定的温度相比较后，以偏差及其变化量为输入、加热量为输出，通过模糊控制算法，就可达到水温自调的目的，并加以显示。1.3本研究课题研究内容采用模糊控制算法实现热水器的温控，利用热敏电阻检测电热水器出水口温度，根据出水口温度与设定

13、温度的差值及该差值随时间的变化率实施模糊逻辑控制。课题主要要求：1阐述恒温模糊控制的原理； 2基于单片机恒温模糊控制系统硬件结构的设计； 3控制系统软件的编制； 4绘制硬件结构图和软件流程图； 第2章 模糊控制器的设计2.1 模糊控制的基本原理模糊控制的基本原理可由图2.1表示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线框中所示。模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现，微机通过采样获取被控制量的精确值然后将此量与给定值比较得到误差信号E,一般误差信号E作为模糊控制器的输入量。把误差信号的精确量进行模糊化得到模糊量，误差E的模糊量可以响应的模糊语言表示。至此，得到模糊误差E的模糊语言集合的一个子集e。

14、再由e和模糊控制规则根据推理合成规则进行决策，得到模糊控制量u。图2.1 模糊控制器原理框图2.2 模糊控制器的设计（1）精确量的模糊化模糊控制器的输入要求为模糊集合，因此需要将确定数模糊化。常用的方法有以下两种: 将确定数如看作模糊集合的一个特例。此时，模糊集合只包含一个元素, =*,在该元素上的隶属度为，即=0 0 0 1 0 0 （2.5） 根据确定数及量化因子，由=*求得在基本论域-，上的量化等级；其次查找语言变量的赋值表，找出在元素上与最大隶属度对应的语言值所决定的模糊集合，该模糊集合就代表了确定数的迷糊化。（2） 模糊控制算法设计模糊控制算法，或称模糊控制规则，实质上是将操作者在控

15、制过程中的手动操作策略加以总结而得到的模糊条件语句的集合。除了用模糊条件语句表达控制规则外，还可以用模糊控制状态表来表示。常见的模糊控制器结构如图2.2所示，其中分(a)、(b)、(c)分别对应单输入单输出模糊控制器、双输入单输出模糊控制器、多输入单输出模糊控制器。模糊控制器模糊控制器 模糊控制器(a)单入单出模糊控制器 (b)双入单出模糊控制器 (c)多入单出模糊控制器图2.2 模糊控制器结构（3） 模糊控制状态表与查询表的建立由if E=NB or NM and EC=NB or NM then u=PB所确定的模糊关系可用式2.6写出，即： （2.6）如果令此刻采样所得到的实际误差量为e

16、且误差的变化为ec，由式可以算出控制量为： （2.7）对于e及ec的隶属函数值对应于所量化的等级上取1，其余均取零，这样式2.7可以简化为： （2.8）式中，是模糊集合NBE和NME第i个元素的隶属度，而，是模糊集合NBEC和NMEC第j个元素的隶属度。同理，可以由其余各条语句分别求出控制量，控制量为模糊集合u，表示为： (2.9)由式2.9计算出的模糊控制量可以选用一种判决方法，如最大隶属度法，将控制量由模糊量变为精确量。由模糊条件语句表达的控制规则，可得出如表2.4所示的模糊控制状态表以及如表2.5所示的模糊控制器查询表表2.4 模糊控制规则表NBNMNS0PSPMPBNBPBPBPBPB

17、PM00NMPBPBPBPBPM00NSPMPMPMPM0NSNSN0PMPMPS0NSNMNMP0PMPMPS0NSNMNMPSPSPS0NMNMNMNMPM00NMNBNBNBNBPB00NMNBNBNBNB表2.5 模糊控制器查询表-6-5-4-3-2-10123456-67676777442000-56666666442000-47676777442000-37666666320-1-1-1-24445444100-1-1-1-14445441000-3-2-104445110-1-1-1-4-4-404445110-1-1-1-4-4-41222200-1-4-4-3-4-4-421

18、2120-3-4-4-4-3-4-4-430000-3-3-6-6-6-6-6-6-64000-2-4-4-7-7-7-6-7-6-75000-2-4-4-6-6-6-6-6-6-66000-2-4-4-7-7-7-6-7-6-7第3章 系统硬件设计3.1 系统总体方案本系统中，需要检测的输入信号有出水口温度和内胆温度及水流检测信号。需要输出的信号主要是双向可控硅的导通时间以控制加热功率的大小。还要完成数据的实时显示及各工作阶段指示、出水温度的设置、自动检测故障原因并显示等功能，还具有各种完善的保护功能，如温度的超限报警、防干烧。系统结构框图如下： 图3.1 系统结构框图3.2 系统硬件组成及

19、工作原理 AT89S52水流检测电路键盘、显示接口电路加热输出控制电路工作指示和保护电路过零检测电路温度传感器图3.2 控制系统原理框图即热式电热水器控制系统由水流检测电路、显示键盘电路、测温电路、加热输出控制电路、工作指示及保护电路和过零检测等电路组成。控制系统原理框图如图3.2所示。首先通过温度传感器DS18B20将出水口温度直接变换成数字量送到单片机。单片机对接收到的信号与设定信号进行比较，采用模糊控制的方法，输出一个控制量，控制可控硅的导通周波数，以实现对加热量的控制。同时用LED显示当前温度。3.3 系统硬件电路的设计控制系统硬件电路图如附录所示，下面就各个硬件电路设计模块分别描述。

20、（1） 温度检测电路DS18B20测温原理如图3.3所示，图中低温度系数晶振用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。图3.3 DS18B20测温原理图减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置值将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。DS18B20与单片机的接口电路如图3.4所示。单片机端口接

21、单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。图3.4 DS18 B20采用寄生电源的电路图当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us.采用寄生电源供电方式时VDD和GND端均接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口是三态的。它与单片机的连接电路请看附录。（2）水流检测电路 由于本热水器的贮水箱容积非常小，必须做到通水通电，断水断电，因此必须对水流进行检测，防止干烧发生事故。在本设计中采用了霍尔传感器。霍尔器件是一种磁传感器，用它们可以检测磁场及其变化。图3.6 水流检测电

22、路水流检测电路的结构如图3.6所示，由开关型霍尔器件、放大电路和光电藕合器组成。当没有接通水源时，因磁钢离霍尔器件有一定的距离，无法在霍尔器件上形成足够的磁场强度，霍尔器件输出高电平，三极管Q5截止，输出控制信号为高电平，该控制信号经或非门输出低电平，切断了加热控制回路。当接通水源时，磁钢随水流上升至霍尔器件位置，并在霍尔器件上形成足够的磁场强度，此时，霍尔器件输出低电平，三极管导通，通过光藕输出低电平的控制信号，此信号和单片机发出的低电平控制信号或非后，输出高电平，接通了加热控制回路。（3） 输出控制电路输出控制电路如图3.7所示，主要由光电耦合器OPTOIS01,OPTOTRIAC、双问可

23、控硅Q7、继电器和加热管等器件组成。利用光电耦合器隔离交直流信号，以保证由单片机输出的信号与外部设备之间的电隔离。当单片机发出的控制信号为高电平时，光电耦合器U2导通，输出低电平，继电器导通，接通加热控制回路。此时，单片机将检测到Pl.7 引脚变为低电平，输出干烧报警信号。图3.7 输出控制电路图（4） 键盘与显示电路键盘接口电路由按键SB1-SB3组成，这3个按键分别接到单片机的输入引脚P1.2, P1.3 和Pl.4, 按键SB1作为整个控制系统的启/停键，按键SB2、SB3作为设定键，用于设置温度的增减。单片机的输出引脚P2.0和P2.1分别通过限流电阻和三极管与数码管的阳极相连向它们提

24、供选通信号。当端口输出低电平时，相应的三极管导通，从而使相应的7段数码管选通。（5） 核心部件单片机系统采用单片机AT89S52作为模糊处理的核心， AT89S52具有如下特点:40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器(RAM), 32个外部双向输入了输出(v0)口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗(WDT)电路，片内时钟振荡器。其晶振电路与复位电路如图3.9所示 图3.9单片机复位与晶振电路（6） 整流和稳压电路 在本控制器中使用了三种电源，它们分别是系统电源+5V,测温放大电路中U

25、A741的供电电源和PWM输出电源12V。采用如图3.10所示的稳压电路。图3.10 整流与稳压电路第4章 系统软件设计单片机控制系统的整个程序由主程序、TO,T1定时中断服务程序、INT1过零触发中断服务程序(包括以上五个模块)组成。在整个程序中使用了三个中断，T0,T1定时中断为内部中断，主要是为了控制采样时间和控制双向可控硅的导通时间。INT1中断主要为了检测过零信号而设的外部中断，每检测到一个过零信号，就产生一个中断请求。4.1 主程序在主程序中，先进行各部分的初始化，包括单片机的初始化、定时器、外部中断及数据单元的初始化等。TO中断服务程序的运行时间必须小于采样时间，采样时间设计为0

26、.5s。主程序的流程图如图4.1所示 图4.1 主程序流程图4.2 T0、T1中断服务程序TO中断服务程序用于等待DS18B20进行温度转换所需的时间。TO定时/计数器的初值由DS18B20的延时时间以及TO溢出中断次数来决定。因为本设计中时钟频率为6MHz，即使采用16位的定时方式，也无法实现0.5s的定时，故必须在硬件定时的基础上再用软件计数的方式来完成。先在定时器中设计一个时间常数，使其每隔20ms产生一次溢出中断，CPU响应中断后将R1中计数值加一，当R1中内容为25时，即可实现0.5 s的定时。其流程图如图4.2图4.2 T0中断服务程序T1中断服务程序用于控制双向可控硅触发脉冲的延

27、时时间。本次设计T1做为计数器，计过零脉冲个数。4.3 数据采集模块数据采集模块主要用来采集电热水器出水口的温度，其框图如图4.3、图4.4所示。在一次采集中，对二个通道连续各采集3次数据，经DS18B20转换成数字量后并经过数字中值滤波消除干扰，存入相应寄存器，再送入单片机内进行数据处理。图4.3 温度读取流程图 图4.4 数据采集流程图4.4 键扫描子程序由于人们对热水器水温要求的不同，因此即热式电热水器的出水温度可通过键盘来设置所需的数值。根据功能设置了三个键，分别为开关键、温度增加键和减少键。在软件设计上主要采用扫描来检测有无键按下，当检测到低电平时，调用一段延时来消除抖动，防止误触发

28、。其框图如图4.5所示。图4.5 键扫描子程序流程图4.5 显示子程序显示部分主要用于实时显示出水口温度的值。数据每0.5s更新一次，与采样的时间间隔相同。本次设计要进行温度的两位显示，并且进行动态显示，那么我们先通过查表把个位数字的编码送到P0口，同时送个位数字显示器的位控信号，接着送十位。此程序循环调用后就能同时显示出2位数字。其流程图如图4.6所示。图4.6 显示子程序流程图4.6 模糊控制程序该系统运用模糊控制算法对系统进行控制,使热水器出水温度达到设定值。具体控制如下:模糊控制流程图如图4.7所示。 图4.7 模糊控制算法流程图设计总结为期两周的微机原理课程设计结束了，这次我的课题是

29、“即热式电热水器模糊控制器的设计”， 刚开始确实不怎么有头绪，在老师细心的指导下和同学们的帮助下，如期完成了设计任务。这期间感触颇多。刚接触这个题目时仅仅只有一个感性的认识，后来通过查阅资料，渐渐地有了一个思路。接下来就是方案论证了。这期间我有了几套方案，经过老师的审核和同学们的讨论，最后确定了这个最终的方案。本以为方案论证一完成就成功了一半，但是在实际过程中，总会遇到各种问题。包括各种芯片的选择匹配问题，以及算法的设计，本以为自己的算法很完美，但是最后却发现没有考虑硬件的限制，只得重新再来。还有就是模型的建立，因为以前这方面的经验比较缺乏，所以很困难，只能去请教老师和其他有经验的学长，在他们

30、的帮助下，我自己也到处查资料，模型终于建立起来了。还有就是各种图形的绘画，因为长时间没接触的缘故，开始时用的不怎么熟练，后来就游刃有余了。两周时间很快就过去了，这期间我学会了很多东西，对于控制系统的认识也有了一个升华。感谢胡老师和皮老师的悉心指导和同学们的帮助，正是因为你们的奉献，我才顺利的完成了本次课程设计。参考文献1 孙庆.模糊控制综述.控制工程J，19952 何平，王鸿绪.模糊控制器的设计及应用M.北京：科学出版社，19973 章卫国，杨向忠.模糊控制理论与应用M.西北工业大学出版社，20014 党建武，王阳萍.模糊控制技术M.中国铁道出版社，20075 刘建辉. 单片机模糊控制技术及应用M.沈阳：辽宁大学出版社，20016 曹琳琳单片机原理应用及接口技术M国防科技大学出版社7 沈红卫.单片机应用系统实例分析M.北京：北京航天大学出版社，20038 宋文绪，杨帆.传感器与检测技术M.北京：高等教育出版社，20049 王建华，黄河清.计算机控制技术.北京：高等教育出版社，200310 陶永华.PID控制原理和自整定策略J.工业仪表与自动化装置，1997 11 韩瑞珍，陈国定，杨马英.基于模糊推理的自整定PID控制器J.控制工程，200212 何新贵.模糊知识处理的理论与技术M.北京:国防工业出版社，1998.04附录 即热式电热水器硬件原理图