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基于模糊控制的水溫自動調節器
摘要：溫度傳感器及有關電路將溫度轉化為電脈沖的脈寬，單片機將測得的脈沖寬度的值轉化為與之對應的溫度值。與設定的溫度相比較后，以溫度偏差及其變化量為輸入、加熱量為輸出，通過模糊控制算法，就可達到水溫自動調節的目的。對任意溫度對應的脈寬還可進行自動測量，并加以顯示。關鍵詞：AT89C2051 單片機 模糊控制 溫度 電熱水器
模糊控制比傳統的PID等控制方法，在強時變、大時滯、非線性系統中的控制效果有著明顯的優勢。將模糊控制技術應用于家電產品在國外已是很普遍的現象。單片機是家用電器常用的控制器件，把二者結合起來，可使控制器的性能指標達到最優的目的。基于模糊控制技術的單片機控制的電熱水器，是對傳統的電熱水器開關控制的改造，具有達到設定溫度的時間短、穩態溫度波動小、反應靈敏、抗干擾能力強、節省電能等優點。
1 硬件電路總體設計
電熱水器水溫自動調節器以AT89C2051單片機為核心，由多諧振蕩器電路、溫度設定電路、單片機。設定溫度顯示電路、控制信號隔離輸出電路等幾部分組成，結構框圖如圖1所示。
①多諧振蕩電路。由G1、G2、G3、G4、Rt、Rs、C組成，具體電路如圖2。其中Rt是具有負溫度系數的熱敏電阻（0～100℃時，阻值在3～1kΩ之間變化），是本電路中的溫度傳感器，用環氧樹膠涂于其外表后置于熱水中。Rs是限流電阻，限值很小，只有100Ω。非門采用TTL門74LS04電路，振蕩周期T≈2.2RtC，脈寬為1.1RtC。可見，脈寬與Rt有一一對應關系，因此，溫度與脈寬也就有一一對應關系。
②AT89C2051單片機。本控制器的核心，模糊控制就是用它控制軟件來實現的。
③溫度設定電路。通過一個按鍵產生脈沖從INT1輸入單片機來調節水溫的設定值。
④設定溫度顯示電路。單片機將設定的溫度值通過動態掃描的方法輸出，數碼管上可直接顯示設定溫度。在自動測定各溫度對應的T0的計數值時，還可用來顯示TL0的值。
⑤控制信號隔離輸出電路。通過光耦將加熱強電電路與單片機隔離，防止其干擾單片機的工作。單片機的輸出控制信號控制兩電熱絲的斷通，從而調節水溫。
2 工作原理
INT1先用于各溫度值對應的脈寬計數器值的測量顯示。中斷1的中斷服務程序先固化自動測量、顯示的中斷服務程序如圖3所示。主程序不變，主程序如圖4所示。從INT1輸入的設定溫度用的脈沖將引起中斷，中斷服務程序可對與一定水溫對應的電脈沖寬度的計數值（TL0）進行測量并顯示，記下其數值后便可制定“溫度表”（與一定溫度對應的TL0值并存放于程序存儲器中的表），將“溫度表”固化于程序存儲器中。然后，INT1再用于溫度的設定，將中斷1的服務程序換為預溫溫度的程序，如圖5所示。讓定時器T1定時中斷，配合軟件計數器，每隔5s測量1次溫度的當前值。將測得的脈寬轉化為溫度值是這樣實現的：先讓脈沖從INT0進入單片機，T0在INT0為高電平時開始定時，變為低電平時停止，于是在TL0中得到脈寬對應的定時計數值，查找與“溫度表”中與計數值一一對應關系的溫度。將用的脈沖將引起中斷，中斷服務程序可對與一定水溫對應的電脈沖寬度計數值（TL0）進行測量并顯示，記下其數值后便可制定“溫度”（與一定溫度對應的TL0值并存放于程序存儲器中的表），將“溫度表”固化于程序存儲器中。然后，INT1再用于溫度的設定，將中斷1的服務程序換為預置溫度的程序，如圖5所示。讓定時器T1定時斷，配合軟件計數器，第隔5s測量1次溫度的當前值。將測得的脈寬轉化為溫度值是這樣實現的：先讓脈沖從INT0進入單片，T0在INT0為高電 平時開始定時，變為低電平時停止，于是在TL0中得到脈寬對應的定時計數值，查找與“溫度表”中與計數值一一對的溫度。將溫度的測量值及前次測得的值分別存于一個存儲單元，通過模糊控制程序以決定兩電熱絲的斷情況。初始化程序如下：
MAIN：MOV TMOD，#1AH；T1工作于方式1，定時100ms；（配合軟件計數器定時5s）
；T0工作于方式2，使用門控位，定時
MOV TM0，#20 ；TM0為設定溫度存儲單元，設定初始溫度為20℃
MOV TH0，#0
MOV TL0，#0
MOV TH1，#3CH ；T1置產生100ms定時的初值（tosc=6MHz）。
MOV TL1，#0B0H
MOV TMER，#50 ；TMER為軟件計數器單元；50×100ms=5s
SETB TR1 ；啟動定時器T1
SETB EA ；開CPU中斷
SETB EX1 ；開外部中斷1
SETB IT1 ；設定為邊沿觸發。
SETB PX1 ；設定溫度的中斷優先級為高級中斷。
SETB ET1 ；開T1中斷
SETB P3.7 ；不加熱
SETB P1.7
……
3 模糊控制的原理
模糊控制器的輸入為測得溫度與設定溫度的偏差E（E=t0-t;t0為設定的水溫，t為測得的水溫。）以及偏差的變化量ΔE（ΔE=t本-t前，其中t前為前次測得的溫度，t本為本次測得的溫度），輸出為電熱絲加熱量U。將E分為四個模糊子集B（大）、M（中）、S（小）、N（負），對應溫度的偏差為：t0-t>TM1℃、TM2℃<t0-t<TM1℃、0℃<t0-t<TM2℃、t0-t<0℃（TM1>TM2>0）。ΔE分為三個模糊子集P（正）、Z（零）、N（負），對應的偏差變化量為：t本-t前>A0、-A0<t本-t前<A0、t本-t前<-A0（A0>0）；電熱絲加熱量分為四個模糊子集B（大）、M（中）、S(小)、Z（零），對應于二極電熱絲的四種狀態的組合：電熱絲1電熱絲2都加熱、電熱絲1加熱、電熱絲2加熱、電熱絲1電熱絲2都不加熱（其中電熱絲1的功率大于電熱絲2的功率）。模糊控制規則如表1所列。
表1
E P Z N B B B B M M M S S S S Z N Z Z Z
表2
E+ΔEE ΔE
1
0
-1 6 7 6 5 3 4 3 2 1 2 1 0 -1 0 -1 -2
4 模糊控制程序
由單片機對溫度進行測量，將本次測得的溫度與設定的溫度值相減得到溫度的偏差E，并存儲到存儲單元TMS；將本次測得的溫度減前次測量的溫度，得到溫度的偏差變化量ΔE并存入存儲單元TMCB；根據溫度的偏差及偏差的變化量由模糊控制表決定電熱絲的斷閉。如果將E的四個模糊子集N、S、M、B分別用數字-1、1、3、6表示，ΔE的四個模糊子集N、Z、P分別用數字-1、0、1表示，則根據模糊控制規則表1，可得到如表2所示的E+ΔE。將表2與表1對照可以看出：當E+ΔE≤0時，加熱量為Z；當1≤E+ΔE<3時，加熱量為S；當3≤E+ΔE<5時，加熱量為M；當E+ΔE≥5時，加熱量為B。故可編制所求的模糊控制程序。
該溫度控制器已應用于筆者家中自制的電熱水器中，經幾個月的使用證明非常實用，且性能穩定。
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