基于模糊控制的水温自动调节器
摘要：温度传感器及有关电路将温度转化为电脉冲的脉宽，单片机将测得的脉冲宽度的值转化为与之对应的温度值。与设定的温度相比较后，以温度偏差及其变化量为输入、加热量为输出，通过模糊控制算法，就可达到水温自动调节的目的。对任意温度对应的脉宽还可进行自动测量，并加以显示。
关键词：AT89C2051 单片机 模糊控制 温度 电热水器
模糊控制比传统的PID等控制方法，在强时变、大时滞、非线性系统中的控制效果有着明显的优势。将模糊控制技术应用于家电产品在国外已是很普遍的现象。单片机是家用电器常用的控制器件，把二者结合起来，可使控制器的性能指标达到最优的目的。基于模糊控制技术的单片机控制的电热水器，是对传统的电热水器开关控制的改造，具有达到设定温度的时间短、稳态温度波动小、反应灵敏、抗干扰能力强、节省电能等优点。
1 硬件电路总体设计
电热水器水温自动调节器以AT89C2051单片机为核心，由多谐振荡器电路、温度设定电路、单片机。设定温度显示电路、控制信号隔离输出电路等几部分组成，结构框图如图1所示。
①多谐振荡电路。由G1、G2、G3、G4、Rt、Rs、C组成，具体电路如图2。其中Rt是具有负温度系数的热敏电阻（0～100℃时，阻值在3～1kΩ之间变化），是本电路中的温度传感器，用环氧树胶涂于其外表后置于热水中。Rs是限流电阻，限值很小，只有100Ω。非门采用TTL门74LS04电路，振荡周期T≈2.2RtC，脉宽为1.1RtC。可见，脉宽与Rt有一一对应关系，因此，温度与脉宽也就有一一对应关系。
②AT89C2051单片机。本控制器的核心，模糊控制就是用它控制软件来实现的。
③温度设定电路。通过一个按键产生脉冲从INT1输入单片机来调节水温的设定值。
④设定温度显示电路。单片机将设定的温度值通过动态扫描的方法输出，数码管上可直接显示设定温度。在自动测定各温度对应的T0的计数值时，还可用来显示TL0的值。
⑤控制信号隔离输出电路。通过光耦将加热强电电路与单片机隔离，防止其干扰单片机的工作。单片机的输出控制信号控制两电热丝的断通，从而调节水温。
2 工作原理
INT1先用于各温度值对应的脉宽计数器值的测量显示。中断1的中断服务程序先固化自动测量、显示的中断服务程序如图3所示。主程序不变，主程序如图4所示。从INT1输入的设定温度用的脉冲将引起中断，中断服务程序可对与一定水温对应的电脉冲宽度的计数值（TL0）进行测量并显示，记下其数值后便可制定“温度表”（与一定温度对应的TL0值并存放于程序存储器中的表），将“温度表”固化于程序存储器中。然后，INT1再用于温度的设定，将中断1的服务程序换为预温温度的程序，如图5所示。让定时器T1定时中断，配合软件计数器，每隔5s测量1次温度的当前值。将测得的脉宽转化为温度值是这样实现的：先让脉冲从INT0进入单片机，T0在INT0为高电平时开始定时，变为低电平时停止，于是在TL0中得到脉宽对应的定时计数值，查找与“温度表”中与计数值一一对应关系的温度。将用的脉冲将引起中断，中断服务程序可对与一定水温对应的电脉冲宽度计数值（TL0）进行测量并显示，记下其数值后便可制定“温度”（与一定温度对应的TL0值并存放于程序存储器中的表），将“温度表”固化于程序存储器中。然后，INT1再用于温度的设定，将中断1的服务程序换为预置温度的程序，如图5所示。让定时器T1定时断，配合软件计数器，第隔5s测量1次温度的当前值。将测得的脉宽转化为温度值是这样实现的：先让脉冲从INT0进入单片，T0在INT0为高电 平时开始定时，变为低电平时停止，于是在TL0中得到脉宽对应的定时计数值，查找与“温度表”中与计数值一一对的温度。将温度的测量值及前次测得的值分别存于一个存储单元，通过模糊控制程序以决定两电热丝的断情况。初始化程序如下：
MAIN：MOV TMOD，#1AH；T1工作于方式1，定时100ms；（配合软件计数器定时5s）
；T0工作于方式2，使用门控位，定时
MOV TM0，#20 ；TM0为设定温度存储单元，设定初始温度为20℃
MOV TH0，#0
MOV TL0，#0
MOV TH1，#3CH ；T1置产生100ms定时的初值（tosc=6MHz）。
MOV TL1，#0B0H
MOV TMER，#50 ；TMER为软件计数器单元；50×100ms=5s
SETB TR1 ；启动定时器T1
SETB EA ；开CPU中断
SETB EX1 ；开外部中断1
SETB IT1 ；设定为边沿触发。
SETB PX1 ；设定温度的中断优先级为高级中断。
SETB ET1 ；开T1中断
SETB P3.7 ；不加热
SETB P1.7
……
3 模糊控制的原理
模糊控制器的输入为测得温度与设定温度的偏差E（E=t0-t;t0为设定的水温，t为测得的水温。）以及偏差的变化量ΔE（ΔE=t本-t前，其中t前为前次测得的温度，t本为本次测得的温度），输出为电热丝加热量U。将E分为四个模糊子集B（大）、M（中）、S（小）、N（负），对应温度的偏差为：t0-t>TM1℃、TM2℃TM2>0）。ΔE分为三个模糊子集P（正）、Z（零）、N（负），对应的偏差变化量为：t本-t前>A0、-A00）；电热丝加热量分为四个模糊子集B（大）、M（中）、S(小)、Z（零），对应于二极电热丝的四种状态的组合：电热丝1电热丝2都加热、电热丝1加热、电热丝2加热、电热丝1电热丝2都不加热（其中电热丝1的功率大于电热丝2的功率）。模糊控制规则如表1所列。
4 模糊控制程序
由单片机对温度进行测量，将本次测得的温度与设定的温度值相减得到温度的偏差E，并存储到存储单元TMS；将本次测得的温度减前次测量的温度，得到温度的偏差变化量ΔE并存入存储单元TMCB；根据温度的偏差及偏差的变化量由模糊控制表决定电热丝的断闭。如果将E的四个模糊子集N、S、M、B分别用数字-1、1、3、6表示，ΔE的四个模糊子集N、Z、P分别用数字-1、0、1表示，则根据模糊控制规则表1，可得到如表2所示的E+ΔE。将表2与表1对照可以看出：当E+ΔE≤0时，加热量为Z；当1≤E+ΔE<3时，加热量为S；当3≤E+ΔE<5时，加热量为M；当E+ΔE≥5时，加热量为B。故可编制所求的模糊控制程序。
该温度控制器已应用于笔者家中自制的电热水器中，经几个月的使用证明非常实用，且性能稳定。
关键词：AT89C2051 单片机 模糊控制 温度 电热水器
模糊控制比传统的PID等控制方法，在强时变、大时滞、非线性系统中的控制效果有着明显的优势。将模糊控制技术应用于家电产品在国外已是很普遍的现象。单片机是家用电器常用的控制器件，把二者结合起来，可使控制器的性能指标达到最优的目的。基于模糊控制技术的单片机控制的电热水器，是对传统的电热水器开关控制的改造，具有达到设定温度的时间短、稳态温度波动小、反应灵敏、抗干扰能力强、节省电能等优点。
1 硬件电路总体设计
电热水器水温自动调节器以AT89C2051单片机为核心，由多谐振荡器电路、温度设定电路、单片机。设定温度显示电路、控制信号隔离输出电路等几部分组成，结构框图如图1所示。
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①多谐振荡电路。由G1、G2、G3、G4、Rt、Rs、C组成，具体电路如图2。其中Rt是具有负温度系数的热敏电阻（0～100℃时，阻值在3～1kΩ之间变化），是本电路中的温度传感器，用环氧树胶涂于其外表后置于热水中。Rs是限流电阻，限值很小，只有100Ω。非门采用TTL门74LS04电路，振荡周期T≈2.2RtC，脉宽为1.1RtC。可见，脉宽与Rt有一一对应关系，因此，温度与脉宽也就有一一对应关系。
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②AT89C2051单片机。本控制器的核心，模糊控制就是用它控制软件来实现的。
③温度设定电路。通过一个按键产生脉冲从INT1输入单片机来调节水温的设定值。
④设定温度显示电路。单片机将设定的温度值通过动态扫描的方法输出，数码管上可直接显示设定温度。在自动测定各温度对应的T0的计数值时，还可用来显示TL0的值。
⑤控制信号隔离输出电路。通过光耦将加热强电电路与单片机隔离，防止其干扰单片机的工作。单片机的输出控制信号控制两电热丝的断通，从而调节水温。
2 工作原理
INT1先用于各温度值对应的脉宽计数器值的测量显示。中断1的中断服务程序先固化自动测量、显示的中断服务程序如图3所示。主程序不变，主程序如图4所示。从INT1输入的设定温度用的脉冲将引起中断，中断服务程序可对与一定水温对应的电脉冲宽度的计数值（TL0）进行测量并显示，记下其数值后便可制定“温度表”（与一定温度对应的TL0值并存放于程序存储器中的表），将“温度表”固化于程序存储器中。然后，INT1再用于温度的设定，将中断1的服务程序换为预温温度的程序，如图5所示。让定时器T1定时中断，配合软件计数器，每隔5s测量1次温度的当前值。将测得的脉宽转化为温度值是这样实现的：先让脉冲从INT0进入单片机，T0在INT0为高电平时开始定时，变为低电平时停止，于是在TL0中得到脉宽对应的定时计数值，查找与“温度表”中与计数值一一对应关系的温度。将用的脉冲将引起中断，中断服务程序可对与一定水温对应的电脉冲宽度计数值（TL0）进行测量并显示，记下其数值后便可制定“温度”（与一定温度对应的TL0值并存放于程序存储器中的表），将“温度表”固化于程序存储器中。然后，INT1再用于温度的设定，将中断1的服务程序换为预置温度的程序，如图5所示。让定时器T1定时断，配合软件计数器，第隔5s测量1次温度的当前值。将测得的脉宽转化为温度值是这样实现的：先让脉冲从INT0进入单片，T0在INT0为高电 平时开始定时，变为低电平时停止，于是在TL0中得到脉宽对应的定时计数值，查找与“温度表”中与计数值一一对的温度。将温度的测量值及前次测得的值分别存于一个存储单元，通过模糊控制程序以决定两电热丝的断情况。初始化程序如下：
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MAIN：MOV TMOD，#1AH；T1工作于方式1，定时100ms；（配合软件计数器定时5s）
；T0工作于方式2，使用门控位，定时
MOV TM0，#20 ；TM0为设定温度存储单元，设定初始温度为20℃
MOV TH0，#0
MOV TL0，#0
MOV TH1，#3CH ；T1置产生100ms定时的初值（tosc=6MHz）。
MOV TL1，#0B0H
MOV TMER，#50 ；TMER为软件计数器单元；50×100ms=5s
SETB TR1 ；启动定时器T1
SETB EA ；开CPU中断
SETB EX1 ；开外部中断1
SETB IT1 ；设定为边沿触发。
SETB PX1 ；设定温度的中断优先级为高级中断。
SETB ET1 ；开T1中断
SETB P3.7 ；不加热
SETB P1.7
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3 模糊控制的原理
模糊控制器的输入为测得温度与设定温度的偏差E（E=t0-t;t0为设定的水温，t为测得的水温。）以及偏差的变化量ΔE（ΔE=t本-t前，其中t前为前次测得的温度，t本为本次测得的温度），输出为电热丝加热量U。将E分为四个模糊子集B（大）、M（中）、S（小）、N（负），对应温度的偏差为：t0-t>TM1℃、TM2℃
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| 表1 |
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| 表2 |
4 模糊控制程序
由单片机对温度进行测量，将本次测得的温度与设定的温度值相减得到温度的偏差E，并存储到存储单元TMS；将本次测得的温度减前次测量的温度，得到温度的偏差变化量ΔE并存入存储单元TMCB；根据温度的偏差及偏差的变化量由模糊控制表决定电热丝的断闭。如果将E的四个模糊子集N、S、M、B分别用数字-1、1、3、6表示，ΔE的四个模糊子集N、Z、P分别用数字-1、0、1表示，则根据模糊控制规则表1，可得到如表2所示的E+ΔE。将表2与表1对照可以看出：当E+ΔE≤0时，加热量为Z；当1≤E+ΔE<3时，加热量为S；当3≤E+ΔE<5时，加热量为M；当E+ΔE≥5时，加热量为B。故可编制所求的模糊控制程序。
该温度控制器已应用于笔者家中自制的电热水器中，经几个月的使用证明非常实用，且性能稳定。
(编辑 Linda)