模糊控制的电热水器水温自动调节器.docx

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模糊控制的电热水器水温自动调节器

陕西理工学院

毕业论文﹙设计﹚任务书

电气工程系院（系）自动化专业064班学生郭经汉

一、毕业论文﹙设计﹚题目模糊控制的电热水器水温自动调节器

二、毕业论文﹙设计﹚工作自__2010___年_3_月__20_日起至_2010年6月__10_日止

三、毕业论文﹙设计﹚进行地点:

501电气系实验室

四、毕业论文﹙设计﹚的内容要求：

用温度传感器测出热水器水温，利用单片机将测得温度与设定温度进行比较，再通过模糊控制算法控制电热水器不同电热丝的开启与关闭以达到水温自动调节的目的。

1.选用DS18B20作为温度传感器。

2.根据模糊控制原理将实际温度与设定温度的偏差E分为四个模糊子集，即B（大）、M（中）、S（小）、N（负），并将温度偏差的变化量

E分为三个模糊子集，即P（正）、Z（零）、N（负）。

3．将电热丝加热量分为四个模糊子集，分别对应两根电热丝加热的四种状态组合。

4．利用单片机实现温度的自动调节，并实时显示温度值。

5.完成毕业设计论文。

指导教师胡波教研室自动化教研室

教研室主任（签名）批准日期

接受论文（设计）任务开始执行日期学生签名：

模糊控制的电热水器水温自动调节器

作者：

郭经汉

（陕西理工学院电气工程系自动化专业064班，陕西汉中723003）

指导教师：

胡波

[摘要]由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值相比较后，通过模糊控制算法控制电热水器电热丝的开启与关闭就可达到水温自动调节的目的。

对任意温度对应的脉宽值还可进行自动检测，并加以显示。

[关键词]单片机模糊控制温度传感器

Fuzzycontrolofautomaticwaterheatertemperatureregulator

Author:

GuoJinghan

（Grade06,Class4,MajorAutomation，ElectricalEngineeringDept.，ShaanxiUniversityofTechnology，Hanzhong723003，Shaanxi）

Tutor:

HuBo

Abstract：

Thepulse’Swidthisturnedfromtemperaturebytemperaturesensorandconcernedcircuit．Comparingthetemperaturetestedwiththe

settingone，thepurposeofautomaticadjustmentcouldberealizedbythefuzzy-controllercontrollingonandoffoftheelectrothermalwaterheater．Alsothepulse’swidthincorrespondencewithanytemperaturecanbetestedanddisplayed．

Keywords：

AT89C2051,microcontroller,fuzzy-control,temperatureelectrothermal,waterheater

目录

1绪论1

2方案论证与确定2

2.1方案的论证及选择2

2.2系统基本方案确定2

2.3模糊控制介绍3

2.3.1模糊控制原理

3

2.3.2隶属度函数的型式4

2.3.3模糊控制规则5

2.3.4模糊推论5

2.3.5解模糊化

6

2.3.6模糊控制算法6

2.4软件工具介绍7

3硬件设计9

3.1控制器模块9

3.1.1AT89S51控制电路9

3.1.2AT89S51单片机最小系统及外围电路接口图12

3.2水温检测模块12

3.2.1DS18B20单线数字温度传感器12

3.2.2DS18B20的使用方法14

3.2.3DS18B20单线数字温度传感器电路17

3.3显示模块18

3.3.1LCD1602液晶显示屏18

3.3.2LCD1602液晶显示屏显示电路图20

3.4水温加热模块20

3.4.1继电器主要技术参数21

3.4.2HK4100F继电器驱动电路原理21

3.5键盘电路22

3.5.1键盘电路图22

3.5.2按键说明22

3.6蜂鸣器报警电路22

3.7复位、时钟电路和电源22

3.7.1复位电路23

3.7.2时钟电路23

3.7.3电源电路设计23

4软件设计24

4.1主程序流程24

4.2模糊控制算法的实现24

4.3温度采集子程序25

4.4按键设置27

4.5LCD1602显示28

5综合调试29

5.1仿真与调试29

5.2系统整体电路图32

5.3遇到的问题及解决方法33

6总结34

致谢35

参考文献36

附录A硬件电路图37

附录B原器件清单38

附录C总体仿真图39

英文资料及译文40

IntroductionofProgrammablecontrollers40

1绪论

电热水器是一种广泛使用的家用电器。

它具有无污染、安全、保温时间长、使用方便等优点。

目前市场上有两种电热水器。

连续水流式和储水式。

前者虽然具有加热速度快和体积小等优点，但需要功率大，储水式电热水器大多数采用机械式，存在温度控制简单、精度低、加热时间长、可靠性差且功能单一等不足。

针对上述情况，利用51系列单片机作为控制器的核心，结合模糊控制技术。

设计了一种多功能电热水器水温自动调节器。

本次课题所选的便是基于单片机的模糊控制的一种水温控制。

电热水器是日常生活中应用很广的加热设备，再生产中人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素，因此温度控制是生产自动化的重要任务。

无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。

目前，我国电阻炉控制设备的现状是一小部分比较先进的设备和大部分比较落后的设备并存。

整体上，我国的电阻炉控制系统与国外发达国家相比还比较落后。

占主导地位的是仪表控制，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确。

控制精度依赖于试验者的调节，控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置。

操作不方便，控制数据无法保存。

因而，对生产工艺的研究很困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低，这些都影响了企业的效益。

近年来，虽然引进了国外的一些控制器，但其设置仍然繁杂。

随着电子技术以及应用需求的发展，现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。

但随之而来的是巨额的成本。

在很多的小型系统中，处理机的成本占系统成本的比例高达20%，而对于这些小型的系统来说，配置一个如此高速的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用成本低廉的单片机来做控制不但不是很复杂，而且也不需要大量复杂运算。

随着科学技术的迅猛发展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与自适应能力的要求越来越高。

单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，由于它体积小、功能强、性价比高，在高集成度、高速度、低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。

自动化、智能化均离不开单片机的应用。

所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。

采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。

我们现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易地做到多点的温度检测，如果稍加改进，还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。

本课题研究的主要目的是采用模糊算法控制对电热水器进行控制进而对水温进行控制，可增加其精确度的测量，控制稳定。

采用AT89S51作为系统的控制器，其软件编程灵活，自由度大，并且可实现显示、按键或键盘设定等多种功能，又易于扩展。

本论文主要设计了一个基于单片机的电热水器温度控制的简单系统。

分别从系统方案论证与确、单元电路设计、硬件软件设计、系统仿真、调试与运行等方面对电热水器水温自动调节器基本原理和实现做了阐述，同时还适量的论及控制系统的研究方向和发展动向。

2方案论证与确定

2.1方案的论证及选择

由温度传感器及相关电路将温度转化为电脉冲的脉宽，单片机将测得的脉宽值转化为与之对应的温度值，并于设定的温度相比较后，通过模糊控制算法控制电热水器的开启与关闭，并对温度进行显示。

本系统根据要求可有多种实现方案。

方案一：

选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。

系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用数码显示，不能用键盘设定。

方案二：

此方案采用89S51单片机系统来实现。

单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制看法和逻辑控制。

以要求算法采用模糊算法。

本设计也可实现LCD1602液晶显示和键盘设定等多种功能，下图2.1为单片机系统电路框图：

图2.189S51单片机系统电路框图

方案一是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改也较麻烦。

而方案二是采用以89S51为控制核心的单片机控制系统，尤其对温度控制，它可达到模拟控制所达不到的控制效果，并且可实现显示、键盘设定等多种功能，又易于扩展，大大提高了系统的智能化，也使得系统所测结果效果大大提高。

故选择方案二，下面对方案二的温度控制系统结构进行设计。

方案二的算法可采用常用的PID算法或模糊算法，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优势。

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。

所以选用方案二。

2.2系统基本方案确定

系统主要可以划分为控制器模块，温度测量模块，水温加热模块，显示模块。

①51核单片机是单片机中最基本的产品,它采用可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机,属于标准的MCS51的HCMOS产品。

它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征,它继承和扩展了MCS48单片机的体系结构和指令系统。

②温度检测电路部分使用DS18B20单线数字温度传感器,它可以将模拟量转化为数字量，不需要再进行数模转换，测出温度值,受工业现场影响比较小

③实时的给定温度等显示部分选用了LCD1602液晶显示屏,第一行显示设定温度，第二行显示实际温度,采用动态扫描显示的方式进行温度显示。

④按键输入部分使用三个按键,进行的数字设定,还有几个功能键,如停止加热、开始加热、复位等,在实际应用中可方便地进行操作。

⑤温度控制执行部份用二条I/O线与可控硅的控制端相连接,并通过程序输出导通脉冲的宽度和导通时间。

采用光耦元件4N25在控制部分进行光电隔离,此外采用继电器实现弱强电的电源隔离。

最终选定的整体系统框图如图2.2所示。

2.2水温控制系统框图

2.3模糊控制介绍

模糊逻辑控制技术是一种新的控制技术，它可以模仿人的思维方法．运用不精确不确定的模糊信息来决策实现成功的控制。

用模糊逻辑实现控制，只需要关心功能而不是系统的数学模型，研究的重点是控制器本身而不是被控现象。

所以这种系统对系统参数变化不敏感．具有很强的鲁棒性，适用于对不同对象的控制。

本系统的模糊逻辑控制是调整控制加热丝的通断，实现升温并使温度恒定。

模糊逻辑控制器的工作过程分为三个阶段。

第一阶段是“模糊化”，就是把精确的输入量转换成用模糊集合的隶属函数。

表示某一模糊变量的语言值，即模糊输入；第二阶段是“模糊推理”，即把模糊输入加到一个“IF—THEN”控制规则库中．并把激活的各个规则所产生的结果“加”到一起．产生一个“模糊输出”集合；第三阶段是对这些模糊输出进行解模糊判决，即在一个输出范围内找到一个最具有代表性的、可直接驱动执行机构的、确切的输出控制量。

图2.3模糊控制系统框图

2.3.1模糊控制原理

模糊控制（FuzzyControl）是以模糊计算理论为基础的一种非线性控制方法，其实质是用模糊推理系统代替了传统控制系统中的控制器。

模糊推理系统能够以任意精度逼近任一非线性控制曲线，是模糊控制得以实现的理论基础。

模糊控制不依赖于被控对象的数学模型，具有广阔的应用范围。

与其他控制方法相比，模糊控制的主要特点有：

不需要已知被控对象的精确数学模型。

适用于建模困难的被控对象，只要提供操作人员经验、知识或操作数据即可。

模糊控制是一种语言变量控制器，用语言变量描述的控制规则易于表达专家的知识和操作者的经验。

较易建立语言变量规则，同时易于实现实时控制，控制方法简单。

控制系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制。

模糊推理过程类似人的决策。

①定义变量

也就是决定程序被观察的状况及考虑控制的动作，例如在一般控制问题上，输入变量有输出误差E与输出误差之变化率CE，而控制变量则为下一个状态之输入U。

其中E、CE、U统称为模糊变量。

②模糊化（fuzzify）

将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程，依适合的语言值（linguisitcvalue）求该值相对之隶属度，此口语化变量我们称之为模糊子集合（fuzzysubsets）。

③知识库

包括数据库（database）与规则库（rulebase）两部分，其中数据库是提供处理模糊数据之相关定义；而规则库则藉由一群语言控制规则描述控制目标和策略。

④逻辑判断

模仿人类下判断时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，而得到模糊控制讯号。

此部分是模糊控制器的精髓所在。

⑤解模糊化（defuzzify）

将推论所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，做为系统的输入值。

变量选择与论域分割

①变量选择

控制变量的选择要能够具有系统特性，而控制变量选择是否正确，对系统的性能将有很大的影响。

例如做位置控制时，系统输出与设定值的误差量即可当做模糊控制器的输入变量。

一般而言，可选用系统输出、输出变化量、输出误差、输出误差变化量及输出误差量总和等，做为模糊控制器的语言变量，而如何选择则有赖工程师对于系统的了解和专业知识而定。

因此，经验和工程知识在选择控制变量时占有相当重要的角色。

②论域分割

前面提到了控制变量的选择问题，当控制变量确定之后，接下来就是根据经验写出控制规则，但是在做成模糊控制规则之前，首先必需对模糊控制器的输入和输出变量空间做模糊分割。

例如当输入空间只有单一变量时，可以用三个或五个模糊集合对空间做模糊分割，划分成三个或五个区域。

当输入空间为二元变量时，如采用四条模糊控制规则，可以将空间分成四个区域。

模糊分割时各领域间重叠的程度大大地影响控制的性能；一般而言，模集合重叠的程度并没有明确的决定方法，目前大都依靠模拟和实验的调整决定分割方式，不过最近有些报告提出大约１/3~1/2最为理想。

重叠的部份意味着模糊控制规则间模糊的程度，因此模糊分割是模糊控制的重要特征。

2.3.2隶属度函数的型式

　模糊变量分为连续型和离散型两种型式，因此隶属度函数的型式也可以分为连续型与离散型两种。

由于语言变量及相对应隶属度函数的选择，将造成多不同的模糊控制器架构。

①连续型隶属度函数

模糊控制器中常见的连续型隶属度函数有下列三种：

吊钟形，三角形，梯形。

　　一般用参数ａ表示隶属度函数中隶属度为１时的ｘ值，参数W为隶属度函数涵盖论域宽窄的程度。

而NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB等是论域中模糊集合的标记，其意义如下所示：

　　NB=负方向大的偏差（NegativeBig）

　　NM=负方向中的偏差（NegativeMedium）

　　NS=负方向小的偏差（NegativeSmall）

　　ZO=近于零的偏差（Zero）

　　PS=正方向小的偏差（PositiveSmall）

　　PM=正方向中的偏差（PositiveMedium）

　　PB=正方向大的偏差（PositiveBig）

　　将模糊集合之全集合加以正规化为区间〔-1,1〕，在模糊控制上，使用标准化的模糊变量，其全集也常正规化，这时之正规化常数（亦称为增益常数），也是在设计模糊控制器时必须决定的重要参数。

②离散型隶属度函数

　　除了使用连续型之外，另外也用全集合由１３个元素所构成的离散合。

而且模糊集合之隶属度均以整数表示，这是由于用微处理机计算时使用整数比用〔0,1〕的小数更方便。

模糊控制理论发展之初，大都采用吊钟形的隶属度函数，但近几年几乎都已改用三角形的隶属度函数，这是由于三角形计算上比较简单，且在性能上正与吊钟形几乎没有差别的缘故。

2.3.3模糊控制规则

控制规则是模糊控制器的核心，规则的正确与否直接影响控制器的性能，而规则数目的多寡也是一个重要因素。

模糊控制规则的来源

　　模糊控制规则的取得方式

　　①专家的经验和知识

　　前面曾经提到模糊控制也称为控制上的专家系统，专家的经验和知识是设计上有余力的线索。

人类日常生活常中判断事情时，使用语言定性分析多于数值定量分析；而模糊控制规则提供了一个自然的架构来描述人类的行为及决策分析，并且专家的知识通常可用if….then的型式来表示。

　　藉由询问经验丰富的专家，在获得系统的知识后，将知识改为if….then的型式，则如此便可构成模糊控制规则。

为了获得最佳的系统性能，常需多次使用试误法，以修正模糊控制规则。

　　②操作员的操作模式

　　现在流行的专家系统，其想法只考虑知识的获得，专家巧妙地操作复杂的控制对象，但要将专家的诀窍加以逻辑化并不容易；因此，在控制上也要考虑技巧的获得。

在许多工业系统无法以一般的控制理论做正确的控制，但是熟练的操员在没有数学模式下，也能够成功地控制这些系统；因此，记录操作员的操作模式，并将其整理为if….then的型式，可构成一组控制规则。

　　③学习

为了改善模糊控制器的性能，必须让它有自我学习或自我组织的能力，得模糊控制器能依设定的目标，增加或修改模糊控制规则。

2.3.4模糊推论

　　模糊控制理论发展至今，模糊推论的方法大致可分为三种，第一种推论法是依据模糊关系的合成法则，第二种推论法是依据模糊逻辑的推论法简化而成，第三种推论法和第一种相类似，只是其后件部分改由一般的线性式组成的。

模糊推论大都采三段论法，可表示如下：

　　条件命题：

IfxisAthenyisB

　　事　实：

xisA’

　　结　论：

yisB’

　　表示法中的条件命题相当于模糊控制中的模糊控制规则，前件部和后件部的关系，可以用模糊关系式来表达；至于推论演算，则是将模糊关系和模糊集合A’进行合成演算，得到模糊集合B’。

　　若前件部分含有多个命题时，则可表示如下：

　　条件命题：

Ifx1isA1….andxnisAnthenyisB

　　事　实：

xisA’1and….andxnisA’n

　　结　论：

yisB’

　　这种模糊推论法其前件部用“”连结各命题，推论演算的过程则以模糊逻辑来结合前件部中各命题的模糊集合，故前件部的集合A可表示如下：

　　A=A1∩A2∩….∩An=∩iAi

　　由上式可得到模糊集合A和后件部的模糊集合B，利用模糊关系R的定义来求得条件命题的模糊关系，其隶属度函数可用μR（x1,x2,….,xn,y）来表示同样地，事实部分的模糊集合A’，亦可表为：

　　A’=∩iAi

　　因此，以合成算法可得到推论结果如下：

　　μB’（y）=μA’（x）。

μR（x1,x2,….,xn,y）

　针对第一种和第三种推论法做介绍：

　第一种推论法

　　为Mamdani教授最初所使用的方法，其所用的控制规则如下所述：

　　R1:

Ifx1isA11and…andxnisA1ntheny1isB1

　　R2:

Ifx1isA21and…andxnisA2ntheny2isB2

　　Rn:

Ifx1isAm1and…andxnisAmnthenymisBm

　　其中Aij,Bi代表论域中的模糊集合。

若使用模糊关系Rc和最大－最小合成的模糊推论，则推论结果可得到模糊集合Bi’的隶属函数为：

　　在实行模糊控制时，将许多条适合的规则进行上述的推论演算，然后结合各个由算法得到的推论结果来获得模糊集合B’。

　　第二种推论法

　　此种推论法为日本Takagi和Sugano所提出，将Mamdani模糊推论法之件命题后件部改为控制器输出入的线性函数式，其模糊控制规则型式表示如下：

　　此种型态的模糊控制规则其前件部大多使用梯形隶属度函数，而后件部的线性函数式亦可使用非线性函数式取代。

　　综合上述各控制规则得到的推论结果，经解模糊化程序后，便可得到明确的控制器输出值。

这种模糊控制推论藉由多个线性函数式表示控制器的输出入关系。

将输入变量空间作模糊分割，并平滑各分割空间接续的地方，而被平滑化的地方即模糊的区域。

2.3.5解模糊化

　　在实行模糊控制时，将许多控制规则进行上述推论演算，然后结合各个由演算得到的推论结果获得控制输出。

2.3.6模糊控制算法

由于温度场具有较大的惯性．温度变化一般不可能很快，温度采样时间间隔为5s。

模糊控制器的输入为设定温度与实际测得温度的偏差E（E=to-t；to为设定的温度，t为实际测得的温度。

），以及偏差的变化量△E（△E=E．-E前=（to—t）本一（to—t）前=t前一t本，其中E前为前次测量得到的温度偏差。

E本为本次测量得到的温度偏差；t前为前次测量得到的温度，t本为本次测量得到的温度，设定温度to不变），输出为加热器的加热量U。

根据实际情况将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：

to—t>TM1℃、TM2oCTM2>0℃；TM1、TM2为根据实际确定的两个温度偏差的阈值）；△E分为三个模糊子集：

P（正）、z（零）、N（负），对应的偏差变化量为：

t前一t本>Ao",--AoO．Ao为根据实际确定的一个不大的温度偏差变化量阈值）。

电热水器电热丝加热量u分为四个模糊子集：

B（大）、M（中）、S（小）、z（零），对应于二根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