即熱式電熱水器模糊控制器的設(shè)計

目錄摘要....................................................................................................................................................2第1章緒論....................................................................................................................................41.1模糊控制在家用電器中應(yīng)用的意義..................................................................................4（1）即電式熱水器研究的背景和意義...........................................................................4（2）模糊控制技術(shù)的優(yōu)點.................................................................................................41.2方案選擇與方案論證............................................................................................................51.3本研究課題研究內(nèi)容.............................................................................................................5第2章模糊控制器的設(shè)計........................................................................................................62.1模糊控制的基本原理..........................................................................................................62.2模糊控制器的設(shè)計................................................................................................................6（1）精確量的模糊化.........................................................................................................6（2）模糊控制算法設(shè)計...................................................................................................6（3）模糊控制狀態(tài)表與查詢表的建立...........................................................................7第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計.................................................................................................................93.1系統(tǒng)總體方案......................................................................................................................93.2系統(tǒng)硬件組成及工作原理...............................................................................................93.3系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計........................................................................................................10（1）溫度檢測電路.........................................................................................................10DS18B20測溫原理............................................................................................................10DS18B20與單片機的接口電路.........................................................................................11（2）水流檢測電路...........................................................................................................11（3）輸出控制電路.........................................................................................................12（4）鍵盤與顯示電路.....................................................................................................12（5）核心部件單片機.....................................................................................................13（6）整流和穩(wěn)壓電路.....................................................................................................13第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計...............................................................................................................144.1主程序................................................................................................................................144.2T0、T1中斷服務(wù)程序......................................................................................................154.3數(shù)據(jù)采集模塊....................................................................................................................154.4鍵掃描子程序......................................................................................................................164.5顯示子程序..........................................................................................................................174.6模糊控制程序......................................................................................................................18設(shè)計總結(jié)...........................................................................................................................................20參考文獻(xiàn)...........................................................................................................................................21附錄....................................................................................................................................................221摘要模糊控制理論是模糊數(shù)學(xué)在工程應(yīng)用中的一個重要分支，其基本思想就是利用計算機來實現(xiàn)人的控制經(jīng)驗，它是模糊理論與計算機技術(shù)、自動化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，由于其良好的控制特性而得到廣泛應(yīng)用。本文應(yīng)用ATMEL單片機AT89S52作為核心部件，并引用了模糊控制理論與現(xiàn)場調(diào)試相結(jié)合的辦法編制出具有智能補償?shù)南到y(tǒng)軟件，從而克服了PID控制方式中存在的進入恒溫狀態(tài)所需時間長、控制精度低、PID參數(shù)設(shè)置方法不易掌握等缺陷而造成的時間和能源的浪費，使系統(tǒng)工作效率低下，不能很好滿足使用的要求。實際運行表明，應(yīng)用本系統(tǒng)控制技術(shù)而設(shè)計的即熱式電熱水器溫度控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，控制精度高，過渡過程時間短。本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對熱水器水溫的實時控制，程序的可移植性強，有很好的推廣、應(yīng)用價值。性能達(dá)到目前國內(nèi)的同類設(shè)備水平，且價格低廉。關(guān)鍵詞：模糊控制，PID控制，溫度傳感器，霍爾傳感器ABSTRACTThefuzzycontroltheoryisanimportantbranchinengineeringapplicationsoffuzzymathematics.Itsbasicthoughtisusingcomputertorealizepeople'scontrolexperience.Itistheresultofthefuzzytheorycombinedwithcomputertechnologyandautomatictechnology.Anditiswidelyusedbecauseofitsgoodcontrolcharacteristics.Thistextusessingle-chipmicrocomputerAT89S52ofATMELasthekeypartandhaveprogrammedsystemsoftwarewithintelligencecompensationusingthemethodofthefuzzycontroltheorycombinedtogetherwithfielddebug,thusovercomesthedisadvantagesofwasteoftimeandenergyexistedinPIDcontrolmethod,causedbythelongnecessarytimetoreachconstanttemperaturestate,lowcontrolprecision,difficultytograspthesettingmethodsofPIDparametersetc.,whichmakesystematicworkingefficiencylowandcan'tmeetthedemand.Practicalrunningindicatesthatthetemperaturecontrolsystemofelectricheaterdesignedusingthissystemcontroltechnologyissteadyandreliable,withhighcontrolprecisionandshorttransitiontime.Thissystemcanrealizethereal-timecontrolofthetemperatureofthewaterheater,withstrongportabilityoftheprocedure.Itisworthyofpopularizationandapplicationanditsperformancereachesthedomesticsimilarequipmentlevelatpresent,withlowcostKeyWords：fuzzycontrol,PIDcontrol,temperaturesensor,Hall'ssensor第1章緒論1.1模糊控制在家用電器中應(yīng)用的意義（1）即電式熱水器研究的背景和意義近年來，熱水器已經(jīng)成為與人們生活密切相關(guān)的電器設(shè)備。它有安全、環(huán)保等特點，對安裝的要求比較簡單，不受空間限制，可以因地制宜。模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制技術(shù)。近幾年來，隨著人們生活水平的提高，住宅用戶都有條件使用上述即熱式電熱水器，安全系數(shù)可以達(dá)到100%。通過檢測，即熱式比傳統(tǒng)的熱水器可節(jié)省40%能源。因為他既不需要預(yù)熱，又不用保溫，省去了大量的額外開支，給用戶帶來真正的實惠。即熱式產(chǎn)品作為新型環(huán)保產(chǎn)品，在我國廣泛使用是大勢所趨符合現(xiàn)代消費潮流。（2）模糊控制技術(shù)的優(yōu)點模糊控制力圖對人們關(guān)于某個控制問題的成功與失敗和經(jīng)驗進行加工,總結(jié)出知識,從中提煉出控制規(guī)則,用一系列多維模糊條件語句構(gòu)造系統(tǒng)的模糊語言變量模型,應(yīng)用CRI等各類模糊推理方法,可以得到適合控制要求的控制量,可以說模糊控制是一種語言變量的控制。模糊控制具有以下特點:(1)模糊控制直接采用語言型控制規(guī)則,出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識,設(shè)計簡單,便于應(yīng)用。(2)模糊控制對那些數(shù)學(xué)模型難以獲取、動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。(3)模糊控制算法有利于模擬人工控制的過程和方法,使之具有一定的智能水平。除此,模糊控制還有比較突出的兩個優(yōu)點:第一,模糊控制在許多應(yīng)用中可以有效且便捷地實現(xiàn)人的控制策略和經(jīng)驗。第二,模糊控制可以不需被控對象的數(shù)學(xué)模型即可實現(xiàn)較好的控制。模糊控制也有缺陷,主要表現(xiàn)在:1)精度不太高;2)自適應(yīng)能力有限;3)易4產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。1.2方案選擇與方案論證即熱式熱水器使用前無需加熱，以做到即開即熱，市場上的即熱式熱水器一般采用繼電器調(diào)節(jié)加熱檔位，這種控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，在某一檔位下，以固定功率加熱，當(dāng)入水溫度或水壓變化時，出水溫度就會發(fā)生變化，需要重新調(diào)節(jié)加熱檔位。目前流行恒溫式即熱式熱水器一般采用單純的PID調(diào)節(jié)的方式控溫，直接檢測出水溫度構(gòu)成反饋控制系統(tǒng)這種單純的反饋控制在水壓恒定，入水溫度不太低的情況下能滿足控制要求，由于溫度控制系統(tǒng)存在的滯后性，在水壓波動，電壓波動，入水溫度變化等外界干擾較大的情況下可能會造成出水溫度波動過大，調(diào)節(jié)時間過長，不能滿足即熱式熱水器快速恒溫的要求因此我選擇采用模糊控制器來實現(xiàn)即熱式電熱水器的控制，而模糊控制器直接采用語言型控制規(guī)則,出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識,設(shè)計簡單,便于應(yīng)用。并且模糊控制對那些數(shù)學(xué)模型難以獲取、動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。而且模糊控制算法有利于模擬人工控制的過程和方法,使之具有一定的智能水平。我的設(shè)計方案的工作原理為：溫度傳感器及有關(guān)電路將電熱水器出口溫度轉(zhuǎn)化為電壓，再通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，單片機將測得的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為與之對應(yīng)的溫度值。與設(shè)定的溫度相比較后，以偏差及其變化量為輸入、加熱量為輸出，通過模糊控制算法，就可達(dá)到水溫自調(diào)的目的，并加以顯示。1.3本研究課題研究內(nèi)容采用模糊控制算法實現(xiàn)熱水器的溫控，利用熱敏電阻檢測電熱水器出水口溫度，根據(jù)出水口溫度與設(shè)定溫度的差值及該差值隨時間的變化率實施模糊邏輯控制。課題主要要求：1．闡述恒溫模糊控制的原理；2．基于單片機恒溫模糊控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計；3．控制系統(tǒng)軟件的編制；4．繪制硬件結(jié)構(gòu)圖和軟件流程圖；5第2章模糊控制器的設(shè)計2.1模糊控制的基本原理模糊控制的基本原理可由圖2.1表示，它的核心部分為模糊控制器，如圖中虛線框中所示。模糊控制器的控制規(guī)則由計算機的程序?qū)崿F(xiàn)，微機通過采樣獲取被控制量的精確值然后將此量與給定值比較得到誤差信號E,一般誤差信號E作為模糊控制器的輸入量。把誤差信號的精確量進行模糊化得到模糊量，誤差E的模糊量可以響應(yīng)的模糊語言表示。至此，得到模糊誤差E的模糊語言集合的一個子集e。再由e和模糊控制規(guī)則根據(jù)推理合成規(guī)則進行決策，得到模糊控制量u。圖2.1模糊控制器原理框圖2.2模糊控制器的設(shè)計（1）精確量的模糊化模糊控制器的輸入要求為模糊集合，因此需要將確定數(shù)模糊化。常用的方法有以下兩種:①將確定數(shù)如e1看作模糊集合E1的一個特例。此時，模糊集合E1只包含一個元素ni,ni=Ke*e1,在該元素上的隸屬度為，即E1=〔00?010?0〕（2.5）②根據(jù)確定數(shù)e1及量化因子Ke，由ni=Ke*e1求得e1在基本論域〔-e，e〕上的量化等級ni；其次查找語言變量E的賦值表，找出在元素ni上與最大隸屬度對應(yīng)的語言值所決定的模糊集合，該模糊集合就代表了確定數(shù)e1的迷糊化。（2）模糊控制算法設(shè)計模糊控制算法，或稱模糊控制規(guī)則，實質(zhì)上是將操作者在控制過程中的手動操作策略加以總結(jié)而得到的模糊條件語句的集合。除了用模糊條件語句表達(dá)控制規(guī)則外，還可以用模糊控制狀態(tài)表來表示。常見的模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖2.2所示，其中分(a)、(b)、(c)分別對應(yīng)單輸入單輸出模糊控制器、雙輸入單輸出模糊控制器、多輸入單輸出模糊控制器。(a)單入單出模糊控制器(b)雙入單出模糊控制器(c)多入單出模糊控制器圖2.2模糊控制器結(jié)構(gòu)（3）模糊控制狀態(tài)表與查詢表的建立由ifE=NBorNMandEC=NBorNMthenu=PB所確定的模糊關(guān)系可用式2.6寫出，即：（2.6）如果令此刻采樣所得到的實際誤差量為e且誤差的變化為ec，由式u=eR可以算出控制量為：（2.7）對于e及ec的隸屬函數(shù)值對應(yīng)于所量化的等級上取1，其余均取零，這樣式2.7可以簡化為：u1=min{max[μNBE(i);μNME(i)];max[μNBEC(j);μNMEC(j)];μPBU(x)}（2.8）x式中μNBE(i)，μNME(i)是模糊集合NBE和NME第i個元素的隸屬度，而μNBEC(j)，μNM(j)是模糊集合NBEC和NMEC第j個元素的隸屬度。EC同理，可以由其余各條語句分別求出控制量u2,???,u21，控制量為模糊集合u，表示為：u=u1+u2+???+u21(2.9)由式2.9計算出的模糊控制量可以選用一種判決方法，如最大隸屬度法，將控制量由模糊量變?yōu)榫_量。由模糊條件語句表達(dá)的控制規(guī)則，可得出如表2.4所示的模糊控制狀態(tài)表以及如表2.5所示的模糊控制器查詢表表2.4模糊控制規(guī)則表表2.5模糊控制器查詢表第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)總體方案本系統(tǒng)中，需要檢測的輸入信號有出水口溫度和內(nèi)膽溫度及水流檢測信號。需要輸出的信號主要是雙向可控硅的導(dǎo)通時間以控制加熱功率的大小。還要完成數(shù)據(jù)的實時顯示及各工作階段指示、出水溫度的設(shè)置、自動檢測故障原因并顯示等功能，還具有各種完善的保護功能，如溫度的超限報警、防干燒。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：圖3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2系統(tǒng)硬件組成及工作原理圖3.2控制系統(tǒng)原理框圖即熱式電熱水器控制系統(tǒng)由水流檢測電路、顯示鍵盤電路、測溫電路、加熱輸出控制電路、工作指示及保護電路和過零檢測等電路組成?？刂葡到y(tǒng)原理框圖如圖3.2所示。首先通過溫度傳感器DS18B20將出水口溫度直接變換成數(shù)字量送到單片機。單片機對接收到的信號與設(shè)定信號進行比較，采用模糊控制的方法，輸出一個控制量，控制可控硅的導(dǎo)通周波數(shù)，以實現(xiàn)對加熱量的控制。同時用LED顯示當(dāng)前溫度。3.3系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計控制系統(tǒng)硬件電路圖如附錄所示，下面就各個硬件電路設(shè)計模塊分別描述。（1）溫度檢測電路DS18B20測溫原理如圖3.3所示，圖中低溫度系數(shù)晶振用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1,高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1的預(yù)置值將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值就是所測溫度值。DS18B20與單片機的接口電路如圖3.4所示。單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。圖3.4DS18B20采用寄生電源的電路圖當(dāng)DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us.采用寄生電源供電方式時VDD和GND端均接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口是三態(tài)的。它與單片機的連接電路請看附錄。（2）水流檢測電路由于本熱水器的貯水箱容積非常小，必須做到通水通電，斷水?dāng)嚯姡虼吮仨殞λ鬟M行檢測，防止干燒發(fā)生事故。在本設(shè)計中采用了霍爾傳感器?；魻柶骷且环N磁傳感器，用它們可以檢測磁場及其變化。圖3.6水流檢測電路水流檢測電路的結(jié)構(gòu)如圖3.6所示，由開關(guān)型霍爾器件、放大電路和光電藕合器組成。當(dāng)沒有接通水源時，因磁鋼離霍爾器件有一定的距離，無法在霍爾器11件上形成足夠的磁場強度，霍爾器件輸出高電平，三極管Q5截止，輸出控制信號為高電平，該控制信號經(jīng)或非門輸出低電平，切斷了加熱控制回路。當(dāng)接通水源時，磁鋼隨水流上升至霍爾器件位置，并在霍爾器件上形成足夠的磁場強度，此時，霍爾器件輸出低電平，三極管導(dǎo)通，通過光藕輸出低電平的控制信號，此信號和單片機發(fā)出的低電平控制信號或非后，輸出高電平，接通了加熱控制回路。（3）輸出控制電路輸出控制電路如圖3.7所示，主要由光電耦合器OPTOIS01,OPTOTRIAC、雙問可控硅Q7、繼電器和加熱管等器件組成。利用光電耦合器隔離交直流信號，以保證由單片機輸出的信號與外部設(shè)備之間的電隔離。當(dāng)單片機發(fā)出的控制信號為高電平時，光電耦合器U2導(dǎo)通，輸出低電平，繼電器導(dǎo)通，接通加熱控制回路。此時，單片機將檢測到Pl.7引腳變?yōu)榈碗娖剑敵龈蔁龍缶盘?。AC220V圖3.7輸出控制電路圖（4）鍵盤與顯示電路鍵盤接口電路由按鍵SB1-SB3組成，這3個按鍵分別接到單片機的輸入引腳P1.2,P1.3和Pl.4,按鍵SB1作為整個控制系統(tǒng)的啟/停鍵，按鍵SB2、SB3作為設(shè)定鍵，用于設(shè)置溫度的增減。單片機的輸出引腳P2.0和P2.1分別通過限流電阻和三極管與數(shù)碼管的陽極相連向它們提供選通信號。當(dāng)端口輸出低電平時，相應(yīng)的三極管導(dǎo)通，從而使相應(yīng)的7段數(shù)碼管選通。（5）核心部件單片機系統(tǒng)采用單片機AT89S52作為模糊處理的核心，AT89S52具有如下特點:40個引腳，8kBytesFlash片內(nèi)程序存儲器，256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM),32個外部雙向輸入了輸出(v0)口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗(WDT)電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。其晶振電路與復(fù)位電路如圖3.9所示圖3.9單片機復(fù)位與晶振電路（6）整流和穩(wěn)壓電路在本控制器中使用了三種電源，它們分別是系統(tǒng)電源+5V,測溫放大電路中UA741的供電電源和PWM輸出電源±12V。采用如圖3.10所示的穩(wěn)壓電路。2圖3.10整流與穩(wěn)壓電路第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計單片機控制系統(tǒng)的整個程序由主程序、TO,T1定時中斷服務(wù)程序、INT1過零觸發(fā)中斷服務(wù)程序(包括以上五個模塊)組成。在整個程序中使用了三個中斷，T0,T1定時中斷為內(nèi)部中斷，主要是為了控制采樣時間和控制雙向可控硅的導(dǎo)通時間。INT1中斷主要為了檢測過零信號而設(shè)的外部中斷，每檢測到一個過零信號，就產(chǎn)生一個中斷請求。4.1主程序在主程序中，先進行各部分的初始化，包括單片機的初始化、定時器、外部中斷及數(shù)據(jù)單元的初始化等。TO中斷服務(wù)程序的運行時間必須小于采樣時間，采樣時間設(shè)計為0.5s。主程序的流程圖如圖4.1所示圖4.1主程序流程圖4.2T0、T1中斷服務(wù)程序TO中斷服務(wù)程序用于等待DS18B20進行溫度轉(zhuǎn)換所需的時間。TO定時/計數(shù)器的初值由DS18B20的延時時間以及TO溢出中斷次數(shù)來決定。因為本設(shè)計中時鐘頻率為6MHz，即使采用16位的定時方式，也無法實現(xiàn)0.5s的定時，故必須在硬件定時的基礎(chǔ)上再用軟件計數(shù)的方式來完成。先在定時器中設(shè)計一個時間常數(shù)，使其每隔20ms產(chǎn)生一次溢出中斷，CPU響應(yīng)中斷后將R1中計數(shù)值加一，當(dāng)R1中內(nèi)容為25時，即可實現(xiàn)0.5s的定時。其流程圖如圖4.2圖4.2T0中斷服務(wù)程序T1中斷服務(wù)程序用于控制雙向可控硅觸發(fā)脈沖的延時時間。本次設(shè)計T1做為計數(shù)器，計過零脈沖個數(shù)。4.3數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊主要用來采集電熱水器出水口的溫度，其框圖如圖4.3、圖4.4所示。在一次采集中，對二個通道連續(xù)各采集3次數(shù)據(jù)，經(jīng)DS18B20轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后并經(jīng)過數(shù)字中值濾波消除干擾，存入相應(yīng)寄存器，再送入單片機內(nèi)進行數(shù)據(jù)處15理。圖4.3溫度讀取流程圖圖4.4數(shù)據(jù)采集流程圖4.4鍵掃描子程序由于人們對熱水器水溫要求的不同，因此即熱式電熱水器的出水溫度可通過16鍵盤來設(shè)置所需的數(shù)值。根據(jù)功能設(shè)置了三個鍵，分別為開關(guān)鍵、溫度增加鍵和減少鍵。在軟件設(shè)計上主要采用掃描來檢測有無鍵按下，當(dāng)檢測到低電平時，調(diào)用一段延時來消除抖動，防止誤觸發(fā)。其框圖如圖4.5所示。圖4.5鍵掃描子程序流程圖4.5顯示子程序顯示部分主要用于實時顯示出水口溫度的值。數(shù)據(jù)每0.5s更新一次，與采樣的時間間隔相同。本次設(shè)計要進行溫度的兩位顯示，并且進