基于单片机结合模糊控制的电热水器控制系统设计
摘 要：根据近几年来的电热水器发展趋势，利用AT89C51单片机作为控制器的核心，结合模糊控制技术，设计出功能较为完善的电热水器控制系统。该控制系统除了具有通常的控制加热和保护外，还具有较强的智能性，包括根据用户设定的温度自动控制加热管的工作，给出恒定温度的出水以及漏电保护等功能，具有较强的实用性。
关键词：AT89C51单片机；模糊控制；漏电保护；传感器
中图分类号：TP274 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1603904
Control System Design of Electric Water Heaters Based on Single Chip
Microcomputer with Fuzzy Control
ZHANG Min
(Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang,414000,China)
Abstract：According to the electric boiler development tendency in the last few years,the function comparison perfect control system of electric water heaters is designed with fuzzy control and taking the AT89C51 SCM(single chip microcomputer) as the core.This control system in addition to the usual control heating and protection,but also has strong intelligence,including according to userset temperature to control heating pipe work,produces constant temperature water and provide leakage protection and so on.The control system is very practical.
Keywords：AT89C51 single chip microcomputer;fuzzy control;leakage protection;sensor
1 引 言
热水器是一种可供浴室，洗手间及厨房使用的家用电器。就中国的具体情况而言，电热水器因其具有无污染、安全、保温时间长、使用方便等优点，越来越受到消费者的青睐。单片机是家用电器常用的控制器件，模糊控制方法，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，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。
2 系统设计
电热水器由微控制器对水温进行智能控制，并且实现温度数字化显示。测温范围在0~100 ℃，温度设定范围在10~85 ℃，能根据要求任意调节使用。进入水温控制，系统自动设定45 ℃，如果需要另外设定温度，仅由增加、减少2个按键进入或者完成设定状态，数字为闪烁状态，每设定一个温度值，都有声音提示。当实际温度达到设定温度时，受控电路由通态（即加热态）转换至断态（停止加热），同时发光二极管由显示红色转为显示绿色，处于保温状态，但不断开电源，以防用户继续加热，并且通过单片机进行蜂鸣报警5 s。温度下降2~5 ℃时，受控电路由断态又转为通态，加热同时，发光二极管由绿色转化为红色。系统对温度的调节和控制都伴有声光提示。
本控制系统的设计以AT89C51单片机为核心的控制单元，热电阻温度传感器Cu100为传感器，用2根PTC系列的MZ41型陶瓷波纹式电热丝为加热器,以模糊控制作为水温控制原理,本控制电路另具有漏电保护功能，当有漏电时，强制断电，提高使用安全性。
3 系统组成
3.1 温度测量电路
本系统设计中选用具有负温度系数的热敏电阻Cu100型的铜电阻（当0～100 ℃时，阻值在3～1 kΩ之间变化）作为温度测量传感器，用环氧树胶涂于其外表后置于热水中，将温度变化量转化成电阻变化量输出。该热敏电阻具有良好的稳定性，测温范围：-50～150 ℃；温度系数α为4.265×10.－3/℃；零度电阻为100 Ω。热敏电阻的阻值计算方法如下：R<t<= R<0<（1+α）t(1) 式（1）中，R<t<,R<0<分别为铜电阻在t ℃和0 ℃时的电阻值。
由G<1<,G<2<,G<3<,G<4<,R<t<,R<s<,C组成多谐振荡电路，是本系统中的温度测量电路，将温度传感器接入,通过多谐振荡电路把温度转化为对应频率,接入单片机的INT0口，电路如图4所示。其中R<s<是限流电阻（100 Ω），非门采用TTL门74LS04电路。振荡周期T2.2 R<t<C，脉宽为1.1 R<t<C。可见，脉宽与R<t<是一一对应关系，因此，温度与脉宽也就有一一对应关系。
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值还可进行自动测量，并加以显示。
多谐振荡电路的输出脉宽信号接入单片机，利用公式(2)将振荡频率f转化为温度形式并且制表存入单片机中。
f=1/T=1/2.2R<t<C =1/2.2R<0<(1+α)t·C （2）
3.2 控制信号隔离输出电路
本系统中的光电隔离电路如图2所示，通过光耦将加热强电电路与单片机控制电路隔离，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。
3.3 加热器的选择
加热器使用苏州新业电子有限公司生产的MZFR系列波纹式PTC加热器。将其与ICNE555时基电路相连，用温度控制器的输出量U来控制双向可控硅的导通角，控制加热器的通断和加热时间来实现温度的调节。
3.4 显示器及键盘设计
由于单片机AT89C51的I/O口资源有限，不能满足系统对I/O口的要求，必须用芯片8155A扩展AT89C51的I/O口。单片机P2.0作为8155A I/O口或存储器RAM的选择信号，P2.7作为8155的片选信号；AT89C51通过P0向8155写入命令和数据；或从8155读出数据(主要是按键键位信号)；数据的写入和读出由时钟信号控制。
LED显示器采用3位共阴极显示器的动态显示，8155A的B口的低3位PB5～PB7作为扫描口，经反相驱动器75452接口显示器公共阴极；A口作为段数据，经同相驱动器7407接显示器的各个阴极，对于3位显示器在AT89C51RAM存储器中设置3个显示缓冲器单元38H～40H，分别存放3位显示器的显示数据。
键盘由3个功能按键组成，与8155A的C口采用相互独立的接口方法，采用软件查询方法实现其键盘接口。按键S1～S3各自具有一种功能分别为“+”键、“-”键、开机电源键，当他们全部打开时均为高电平，经3输入与非门及反相器后仍为高电平，因而不会产生中断。当其中某一按键被按下时，INTO端变为低电平，向CPU申请中断。CPU响应中断后，通过软件查询方法查找功能键的入口地址，转相应功能键服务程序。
3.5 系统漏电保护电路
电热水器工作在潮湿的场合，为了确保人身安全，控制系统应具备漏电检测和保护功能。漏电检测线圈的输出经过比较器后送给单片机中断口，一旦漏电超过规定的阀值，单片机立即响应中断，切断整个系统的电源。电热水器漏电检测电路由电感L<1<，L<2<，电阻R<1～R<4，电容C<1和比较器LM393组成(漏电检测电路如图3所示)。
在热水器安全状态下，热水器中的加热元件加热器，不管是处于正常通电工作或非工作状态，通过电感L<1<上的电流都是恒定的。根据电磁感应定律，在电感L<2<上不会有感应电流通过；但在热水器非安全状态下(即漏电状态下)，热水器中的加热元件加热器工作回路有泄漏电流产生，这时通过电感L<1<上的电流就会有变化。根据电磁感应定律，通过电感L<1<有变化的电流，就会产生磁场，产生的磁场感应电感L<2<，电感L<2<上就有电流通过。在图3中A点的电位就升高，当漏电电流超过规定安全值，即图3中A点的电位大于图3中B点的电位时，经比较器LM393比较后送到单片机的中断口，单片机立即响应中断。
电热水器漏电控制电路由光耦4N32、电阻、晶体三极管Q<1，二极管D<1和继电器J1，J2组成。当单片机响应中断后，从I/O口输出高电平经过光电耦合器4N32进行光电隔离，使三极管Q<1导通并驱动继电器J1闭合，继电器J2通电，在0.1 s内迅速切断整个系统的供电，从而可迅速切断电流对人体的伤害程度，确保人身安全。同时，从单片机P1.5输出信号，实现报警。
3.6 报警电路
采用模拟声音集成芯片KD9561报警。它有多种不同的声音（机枪、警笛、救护车、消防车声），用户可以自主选择自己喜爱的声音。
声光报警电路（如图4示）与AT89C51的P1.5口相连接，当温度没达到设定的温度时，P1.5为高电平，通过74LS04转换为低电平，声光报警电路不工作，发光二极管光显为绿色，当温度达到设定温度时，则为低电平，通过74LS04转换为高电平，声光报警电路中的发光二极管发光为红色、鸣叫，发出声光报警信号。同时控制切换自动切换加热器的工作状态，使之为保温状态。
3.7 基于模糊控制原理的温度控制电路
为了提高温度控制的精度，设计双输入单输出模糊控制器，将温度检测部分得到温度偏差E（实际温度0与给定温度1的偏差）和偏差变化率ΔE作为模糊控制器的输入信号，输出量μ用来控制双向可控硅的导通角，控制加热器的加热时间来实现温度的调节。
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4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 ℃< t0-t
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4个模糊子集N，S，M，B分别用数字-1，1，3，6表示，ΔE的3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。故可编制所需的模糊控制程序。
4 软件设计
系统软件设计的关键是继电器的开断（加热及停止加热），为了降低功耗，继电器的开断是由P1.7唤醒的。条件是在温度设定后自动打开，当温度到达设定温度时，判断P1.7是否控制继电器的断开。然后判断温度是否下降2~5 ℃，又进行打开或者不打开。
需要说明的是，保护电路的程序问题仅作为参考，现今电热水器的有效期为5年，随着电热丝的老化及内胆的固化，导致加热失调的情况不考虑在内。模糊控制部分，只判断温度偏差，以控制电热水器的加热速度。
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5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的服务程序换为预置温度的程序，如图5所示。让定时器T1定时中断，配合软件计数器，每隔5 s测量1次温度的当前值。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通断情况。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。
5 结 语
本文设计的电热水器控制系统由单片机AT89C51、温度传感器、多谐振荡电路、输出信号隔离及加热元件控制电路、键盘及显示电路、漏电保护电路、声光报警电路等部分构成。系统软件的设计采用模块化结构，采用定时中断的结构，主要由主系统程序、LED显示子程序、键盘中断服务子程序、中值滤波子程序等程序组成。该控制系统具有较强的智能，可根据用户设定的温度自动控制加热管的工作，给出恒定温度的出水以及漏电保护等功能。且具有不需预热、无需等待、节能省电、安全环保、体积小巧、节约空间和水温恒定等突出优点。
参 考 文 献
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［4］陈建华,李干林.基于模糊理论的单片机温度控制系统的设计［J］.热力发电,2007,36(1):6769.
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作者简介 张 敏 女，1974年出生，讲师，研究生。主要研究方向为光机电一体化、自动控制。
