基于太陽能熱水器智能控制器設計

王鵬宇　劉文君

摘 要： 結合太陽能熱水器的具體應用，設計了基于單片機的模糊智能控制器。系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機，利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器進行溫度測量，通過過零固態(tài)繼電器控制加熱棒以模擬太陽能熱水器的輔助加熱功能。實現(xiàn)在設定的時間內(nèi)智能調(diào)整輸出功率，使水溫在設定時間內(nèi)達到設定值。

關鍵詞： 太陽能熱水器； 模糊控制算法； 輸出功率； DS18B20

中圖分類號： TN95?34； TP29 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0124?03

0 引 言

由于太陽能強弱隨天氣和季節(jié)變化，因而太陽能熱水器需要輔助加熱裝置才能保證一年四季或全天候使用到熱水。目前大多數(shù)產(chǎn)品的電輔助加熱方式采用開關式或PID控制，但由于太陽能本身是一個時變的復雜非線性變量，太陽能熱水器的集熱和輔助加熱過程無法精確地用數(shù)學模型描述，采用傳統(tǒng)控制方式有時難以達到滿意的效果。近年來發(fā)展起來的模糊控制是一種智能的非線性控制方法，在家用電器和其他嵌入式控制系統(tǒng)中取得了很好的控制效果。本文結合太陽能熱水器的具體應用，設計了基于單片機的模糊智能控制器。

1 主要硬件設計

本系統(tǒng)以單片機STC89C52RC為控制器，采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器測量水溫，以DS12C887為系統(tǒng)提供高精度時鐘，通過模糊控制算法得到控制量，通過PWM波控制過零繼電器方法來控制加熱棒的功率，從而控制水溫。

1.1 單片機最小系統(tǒng)設計

實驗系統(tǒng)采用8051內(nèi)核的STC89C52RC單片機作為智能控制器。由于系統(tǒng)運算量不大，沒有太多的中間數(shù)據(jù)需要處理、保存，因此不必外擴數(shù)據(jù)存儲器，僅使用STC89C52RC內(nèi)部RAM和E2PROM完全能夠滿足要求。STC89C52RC最小系統(tǒng)電路如圖1所示。

1.2 溫度控制執(zhí)行器設計

該系統(tǒng)的水溫控制執(zhí)行部分是一個過零固態(tài)繼電器和加熱棒，繼電器輸入控制端為DC 3～32 V，輸出端為AC 5 A/380 V/50～60 Hz，加熱棒功率為500～1 000 W。通過控制單片機產(chǎn)生PWM波的占空比控制交流過零繼電器的通斷頻率，從而實現(xiàn)對加熱棒的功率控制。

1.3 溫度測量部分設計

采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其抗干擾能力強，并且不必要溫度標定，使用單片機分時復用原理與傳感器的單總線接口方式即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。DS18B20的硬件電路如圖2所示。

1.4 時鐘電路設計

為實現(xiàn)熱水器24 h供應熱水的目的，控制器必須有一個實時時鐘來為系統(tǒng)提供準確的基準時間。本系統(tǒng)中采用DS12C887時鐘芯片，該芯片采用CMOS技術，把時鐘芯片所需的晶振和電池以及相關的電路集成到芯片內(nèi)部，具有微功耗、外圍接口簡單、精度高，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。電路圖如圖3所示。

2 模糊控制器設計

2.1 模糊控制原理

模糊控制系統(tǒng)結構如圖4所示。模糊控制器的輸入、輸出量都是精確的數(shù)值，而模糊控制器采用模糊語言變量和模糊邏輯推理，因此必須將輸入變量變換成模糊語言變量，這個過程稱為精確量的模糊化；然后進行模糊推理，形成控制策略；最后將控制策略轉(zhuǎn)換為一個精確的控制變量值，即去模糊化，并對輸出控制變量進行控制。

2.2 模糊控制器實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用二維模糊控制器，以溫度誤差和誤差的變化率作為模糊控制器的輸入信號，模糊控制器輸出控制量[U，]單片機再根據(jù)[U]值確定輸出PWM波的占空比；時間設置值也作為控制器的輸入信號，用于對占空比進行時間上的優(yōu)化。

將模糊控制器的輸入、輸出變量的實際變化范圍稱為這些變量的基本論域。本系統(tǒng)中的誤差[e、]誤差的變化率[ec、]控制量[u]的基本論域分別為：[-2，+2]，[-0.2，+0.2]和[0，100%]。

3 結 語

經(jīng)實驗測試，本文所設計的控制算法和硬件電路能夠滿足設計要求，所構建的系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)誤差小、過渡時間短、成本低、智能化程度高等特點，可作為太陽能熱水器生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品設計參考。本系統(tǒng)溫度靜態(tài)誤差：[T≤]0.1 ℃；溫度超調(diào)量：[T≤]0.3 ℃。

參考文獻

[1] 黃曉林，梁玉紅.交流過零觸發(fā)PWM調(diào)功器的算法設計[J].汽車科技，1998（6）：26?30.

[2] 于江濤，王克奇，鐘曉偉.模糊控制理論在即熱式熱水器中的應用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2011，29（1）：42?45.

[3] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程：入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4] 張吉禮.模糊?神經(jīng)網(wǎng)絡控制原理與工程應用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004.

[5] 周潤景，徐宏偉，丁莉.單片機電路設計、分析與制作[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[6] 張敏.基于單片機結合模糊控制的電熱水器控制系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2008，31（16）：39?42.

[7] 龔愛平.基于模糊控制的電子水煲的研究與實現(xiàn)[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2009.

[8] 賀啟峰.基于模糊PID控制的恒溫水浴控制器的研究[D].長春：吉林大學，2011.

[9] 曹輝，何波，劉慧明，等.模糊控制在加熱爐溫度控制系統(tǒng)中的應用研究[J].現(xiàn)代制造工程，2010（5）：137?140.

摘 要： 結合太陽能熱水器的具體應用，設計了基于單片機的模糊智能控制器。系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機，利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器進行溫度測量，通過過零固態(tài)繼電器控制加熱棒以模擬太陽能熱水器的輔助加熱功能。實現(xiàn)在設定的時間內(nèi)智能調(diào)整輸出功率，使水溫在設定時間內(nèi)達到設定值。

關鍵詞： 太陽能熱水器； 模糊控制算法； 輸出功率； DS18B20

中圖分類號： TN95?34； TP29 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0124?03

0 引 言

由于太陽能強弱隨天氣和季節(jié)變化，因而太陽能熱水器需要輔助加熱裝置才能保證一年四季或全天候使用到熱水。目前大多數(shù)產(chǎn)品的電輔助加熱方式采用開關式或PID控制，但由于太陽能本身是一個時變的復雜非線性變量，太陽能熱水器的集熱和輔助加熱過程無法精確地用數(shù)學模型描述，采用傳統(tǒng)控制方式有時難以達到滿意的效果。近年來發(fā)展起來的模糊控制是一種智能的非線性控制方法，在家用電器和其他嵌入式控制系統(tǒng)中取得了很好的控制效果。本文結合太陽能熱水器的具體應用，設計了基于單片機的模糊智能控制器。

1 主要硬件設計

本系統(tǒng)以單片機STC89C52RC為控制器，采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器測量水溫，以DS12C887為系統(tǒng)提供高精度時鐘，通過模糊控制算法得到控制量，通過PWM波控制過零繼電器方法來控制加熱棒的功率，從而控制水溫。

1.1 單片機最小系統(tǒng)設計

實驗系統(tǒng)采用8051內(nèi)核的STC89C52RC單片機作為智能控制器。由于系統(tǒng)運算量不大，沒有太多的中間數(shù)據(jù)需要處理、保存，因此不必外擴數(shù)據(jù)存儲器，僅使用STC89C52RC內(nèi)部RAM和E2PROM完全能夠滿足要求。STC89C52RC最小系統(tǒng)電路如圖1所示。

1.2 溫度控制執(zhí)行器設計

該系統(tǒng)的水溫控制執(zhí)行部分是一個過零固態(tài)繼電器和加熱棒，繼電器輸入控制端為DC 3～32 V，輸出端為AC 5 A/380 V/50～60 Hz，加熱棒功率為500～1 000 W。通過控制單片機產(chǎn)生PWM波的占空比控制交流過零繼電器的通斷頻率，從而實現(xiàn)對加熱棒的功率控制。

1.3 溫度測量部分設計

采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其抗干擾能力強，并且不必要溫度標定，使用單片機分時復用原理與傳感器的單總線接口方式即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。DS18B20的硬件電路如圖2所示。

1.4 時鐘電路設計

為實現(xiàn)熱水器24 h供應熱水的目的，控制器必須有一個實時時鐘來為系統(tǒng)提供準確的基準時間。本系統(tǒng)中采用DS12C887時鐘芯片，該芯片采用CMOS技術，把時鐘芯片所需的晶振和電池以及相關的電路集成到芯片內(nèi)部，具有微功耗、外圍接口簡單、精度高，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。電路圖如圖3所示。

2 模糊控制器設計

2.1 模糊控制原理

模糊控制系統(tǒng)結構如圖4所示。模糊控制器的輸入、輸出量都是精確的數(shù)值，而模糊控制器采用模糊語言變量和模糊邏輯推理，因此必須將輸入變量變換成模糊語言變量，這個過程稱為精確量的模糊化；然后進行模糊推理，形成控制策略；最后將控制策略轉(zhuǎn)換為一個精確的控制變量值，即去模糊化，并對輸出控制變量進行控制。

2.2 模糊控制器實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用二維模糊控制器，以溫度誤差和誤差的變化率作為模糊控制器的輸入信號，模糊控制器輸出控制量[U，]單片機再根據(jù)[U]值確定輸出PWM波的占空比；時間設置值也作為控制器的輸入信號，用于對占空比進行時間上的優(yōu)化。

將模糊控制器的輸入、輸出變量的實際變化范圍稱為這些變量的基本論域。本系統(tǒng)中的誤差[e、]誤差的變化率[ec、]控制量[u]的基本論域分別為：[-2，+2]，[-0.2，+0.2]和[0，100%]。

3 結 語

經(jīng)實驗測試，本文所設計的控制算法和硬件電路能夠滿足設計要求，所構建的系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)誤差小、過渡時間短、成本低、智能化程度高等特點，可作為太陽能熱水器生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品設計參考。本系統(tǒng)溫度靜態(tài)誤差：[T≤]0.1 ℃；溫度超調(diào)量：[T≤]0.3 ℃。

參考文獻

[1] 黃曉林，梁玉紅.交流過零觸發(fā)PWM調(diào)功器的算法設計[J].汽車科技，1998（6）：26?30.

[2] 于江濤，王克奇，鐘曉偉.模糊控制理論在即熱式熱水器中的應用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2011，29（1）：42?45.

[3] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程：入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4] 張吉禮.模糊?神經(jīng)網(wǎng)絡控制原理與工程應用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004.

[5] 周潤景，徐宏偉，丁莉.單片機電路設計、分析與制作[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[6] 張敏.基于單片機結合模糊控制的電熱水器控制系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2008，31（16）：39?42.

[7] 龔愛平.基于模糊控制的電子水煲的研究與實現(xiàn)[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2009.

[8] 賀啟峰.基于模糊PID控制的恒溫水浴控制器的研究[D].長春：吉林大學，2011.

[9] 曹輝，何波，劉慧明，等.模糊控制在加熱爐溫度控制系統(tǒng)中的應用研究[J].現(xiàn)代制造工程，2010（5）：137?140.

摘 要： 結合太陽能熱水器的具體應用，設計了基于單片機的模糊智能控制器。系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機，利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器進行溫度測量，通過過零固態(tài)繼電器控制加熱棒以模擬太陽能熱水器的輔助加熱功能。實現(xiàn)在設定的時間內(nèi)智能調(diào)整輸出功率，使水溫在設定時間內(nèi)達到設定值。

關鍵詞： 太陽能熱水器； 模糊控制算法； 輸出功率； DS18B20

中圖分類號： TN95?34； TP29 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0124?03

0 引 言

由于太陽能強弱隨天氣和季節(jié)變化，因而太陽能熱水器需要輔助加熱裝置才能保證一年四季或全天候使用到熱水。目前大多數(shù)產(chǎn)品的電輔助加熱方式采用開關式或PID控制，但由于太陽能本身是一個時變的復雜非線性變量，太陽能熱水器的集熱和輔助加熱過程無法精確地用數(shù)學模型描述，采用傳統(tǒng)控制方式有時難以達到滿意的效果。近年來發(fā)展起來的模糊控制是一種智能的非線性控制方法，在家用電器和其他嵌入式控制系統(tǒng)中取得了很好的控制效果。本文結合太陽能熱水器的具體應用，設計了基于單片機的模糊智能控制器。

1 主要硬件設計

本系統(tǒng)以單片機STC89C52RC為控制器，采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器測量水溫，以DS12C887為系統(tǒng)提供高精度時鐘，通過模糊控制算法得到控制量，通過PWM波控制過零繼電器方法來控制加熱棒的功率，從而控制水溫。

1.1 單片機最小系統(tǒng)設計

實驗系統(tǒng)采用8051內(nèi)核的STC89C52RC單片機作為智能控制器。由于系統(tǒng)運算量不大，沒有太多的中間數(shù)據(jù)需要處理、保存，因此不必外擴數(shù)據(jù)存儲器，僅使用STC89C52RC內(nèi)部RAM和E2PROM完全能夠滿足要求。STC89C52RC最小系統(tǒng)電路如圖1所示。

1.2 溫度控制執(zhí)行器設計

該系統(tǒng)的水溫控制執(zhí)行部分是一個過零固態(tài)繼電器和加熱棒，繼電器輸入控制端為DC 3～32 V，輸出端為AC 5 A/380 V/50～60 Hz，加熱棒功率為500～1 000 W。通過控制單片機產(chǎn)生PWM波的占空比控制交流過零繼電器的通斷頻率，從而實現(xiàn)對加熱棒的功率控制。

1.3 溫度測量部分設計

采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其抗干擾能力強，并且不必要溫度標定，使用單片機分時復用原理與傳感器的單總線接口方式即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。DS18B20的硬件電路如圖2所示。

1.4 時鐘電路設計

為實現(xiàn)熱水器24 h供應熱水的目的，控制器必須有一個實時時鐘來為系統(tǒng)提供準確的基準時間。本系統(tǒng)中采用DS12C887時鐘芯片，該芯片采用CMOS技術，把時鐘芯片所需的晶振和電池以及相關的電路集成到芯片內(nèi)部，具有微功耗、外圍接口簡單、精度高，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。電路圖如圖3所示。

2 模糊控制器設計

2.1 模糊控制原理

模糊控制系統(tǒng)結構如圖4所示。模糊控制器的輸入、輸出量都是精確的數(shù)值，而模糊控制器采用模糊語言變量和模糊邏輯推理，因此必須將輸入變量變換成模糊語言變量，這個過程稱為精確量的模糊化；然后進行模糊推理，形成控制策略；最后將控制策略轉(zhuǎn)換為一個精確的控制變量值，即去模糊化，并對輸出控制變量進行控制。

2.2 模糊控制器實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用二維模糊控制器，以溫度誤差和誤差的變化率作為模糊控制器的輸入信號，模糊控制器輸出控制量[U，]單片機再根據(jù)[U]值確定輸出PWM波的占空比；時間設置值也作為控制器的輸入信號，用于對占空比進行時間上的優(yōu)化。

將模糊控制器的輸入、輸出變量的實際變化范圍稱為這些變量的基本論域。本系統(tǒng)中的誤差[e、]誤差的變化率[ec、]控制量[u]的基本論域分別為：[-2，+2]，[-0.2，+0.2]和[0，100%]。

3 結 語

經(jīng)實驗測試，本文所設計的控制算法和硬件電路能夠滿足設計要求，所構建的系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)誤差小、過渡時間短、成本低、智能化程度高等特點，可作為太陽能熱水器生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品設計參考。本系統(tǒng)溫度靜態(tài)誤差：[T≤]0.1 ℃；溫度超調(diào)量：[T≤]0.3 ℃。

參考文獻

[1] 黃曉林，梁玉紅.交流過零觸發(fā)PWM調(diào)功器的算法設計[J].汽車科技，1998（6）：26?30.

[2] 于江濤，王克奇，鐘曉偉.模糊控制理論在即熱式熱水器中的應用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2011，29（1）：42?45.

[3] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程：入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4] 張吉禮.模糊?神經(jīng)網(wǎng)絡控制原理與工程應用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004.

[5] 周潤景，徐宏偉，丁莉.單片機電路設計、分析與制作[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[6] 張敏.基于單片機結合模糊控制的電熱水器控制系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2008，31（16）：39?42.

[7] 龔愛平.基于模糊控制的電子水煲的研究與實現(xiàn)[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2009.

[8] 賀啟峰.基于模糊PID控制的恒溫水浴控制器的研究[D].長春：吉林大學，2011.

[9] 曹輝，何波，劉慧明，等.模糊控制在加熱爐溫度控制系統(tǒng)中的應用研究[J].現(xiàn)代制造工程，2010（5）：137?140.