基于單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)設計

摘要：隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，電子信息技術(shù)對于人們的生產(chǎn)生活都產(chǎn)生了巨大的影響，而且隨著電子信息技術(shù)向智能化方向發(fā)展，人們生活中出現(xiàn)了越來越多的智能電子產(chǎn)品。智能化電子產(chǎn)品主要來源于它的智能控制系統(tǒng)，當前作為智能控制系統(tǒng)核心的為PLC、FPGA以及單片機。文章針對單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)設計進行了分析。

關(guān)鍵詞：單片機；水溫恒溫；模糊控制系統(tǒng)；智能控制系統(tǒng)；智能電子產(chǎn)品 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2015）17-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.17.013

單片機作為當前電子產(chǎn)品的主要芯片之一，是當前電子技術(shù)人員最為熟悉的電子芯片，單片機又稱為微處理器，與處理器不同的是其可裁剪性、可移植性以及針對性都是十分優(yōu)秀的，當前單片機根據(jù)位數(shù)分為4位、8位、16位和32位單片機，我相信在不久的將來，將會出現(xiàn)64位單片機，首先根據(jù)功能來區(qū)分，可分為低端市場的4位、8位和16位單片機，單片機主要是跑裸機程序，也就是不帶操作系統(tǒng)的程序，此類單片機可用于做一些簡單的控制作用，而針對高端單片機32位單片機又分為控制類單片機和操作類單片機，例如32位的STM32系統(tǒng)單片機主要用于做控制類單片機，一般情況下是直接跑裸機程序，如果是針對復雜的項目則可以運行UCOS、UCOSII和UCOSIII系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，在四軸飛行器上所使用的單片機則是運行著UCOSII系統(tǒng)的stm32單片機；操作類的單片機主要用于做一些高端的電子產(chǎn)品，例如智能手機、智能MP5，攝像機等高端智能產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)較為復雜，需要使用嵌入式技術(shù)來進行設計。

本文設計的單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)則需要單片機，但是根據(jù)其控制情況而言，使用8位的單片機便足以滿足電路的實際需求。

1 電路硬件設計

單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)設計所使用的主要的芯片便是單片機，編寫單片機程序，通過單片機引腳對實際的電路情況進行控制，基于單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的水溫控制系統(tǒng)而言，其先進性主要在于它的智能控溫這一特點，通過單片機的智能控溫系統(tǒng)使得熱水器能夠充分節(jié)約電源，這對于節(jié)約能源、保護環(huán)境、維持發(fā)展有重要的意義。

1.1 整體設計

如圖1為基于單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)整體設計圖，根據(jù)圖1可得，單片機為整個電路中的核心芯片，當前眾多的電子智能產(chǎn)品中都是采用單片機為整個電路的控制核心，加上其他的外圍電路來實現(xiàn)自己想要的功能，基于單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)使用的是最為普遍的8位單片機51單片AT89C51，AT89C51單片機共有40個引腳，4個IO端口（P0、P1、P2和P3），其中AT89C51單片機的P3端口具有第二功能可作為其他作用使用，其他控制功能使用單片機的P0～P23個端口就足夠了（P0端口需要外接上拉電阻，其他端口自帶有）。從圖1中可得基于單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)主要是分為溫度采集電路、預置電路、電源、單片機、液晶顯示電路、控制電路以及加熱器，通過軟件編程對實際電路進行控制。

1.2 溫度采集電路

設計將溫度檢測單元作為熱水器的開關(guān)并在左側(cè)、右側(cè)和底部分別安裝一個加熱片，這樣可以提高溫度檢測的準確性。避免加熱不均所帶來的溫度檢測誤差，使用的溫度采集裝置為DS18B20溫度傳感器，DS18B20傳感器體積小、靈敏性高、成本低，能夠滿足單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)實際的溫度采集需求，通過采集DS18B20傳感器引腳的電平變化，可以測出實際的DS18B20傳感器溫度系數(shù)，根據(jù)公式可以計算出實際的溫度，溫度誤差與實際單片機控制有關(guān)，通常的單片機程序都能將溫度誤差控制在0.5℃以內(nèi)，根據(jù)系統(tǒng)實際的靈敏度的需求，需要根據(jù)實際要求設計程序算法來減少溫度誤差，需要注意的是DS18B20傳感器的最高溫度最好不要超過150℃，否則容易將傳感器損壞，導致傳感器靈敏性降低。

1.3 預制電路

主要是單片機的一些工作電路以及整個電路的穩(wěn)定、安全的保護電路。

1.4 電源電路

水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)中單片機使用的電源電壓為5V，所以電路需要將220V、50Hz的電路轉(zhuǎn)為5V直流電壓，如果超過5V電壓容易損壞單片機和其他電路，所以單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)的電源是一個穩(wěn)壓的5V電源，并且在電路中還需要設計電路保護系統(tǒng)，其作用主要是用于電流過載保護，主要使用鉭電容來實現(xiàn)。

1.5 顯示電路與按鍵

單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)所使用的顯示電路為12864液晶顯示屏，顯示電路主要是動態(tài)顯示實際的水溫值，至于顯示的靈敏度則需要根據(jù)實際的單片機程序來決定，顯示的溫度范圍0℃～100℃，此外還設有按鍵電路來對水溫值進行設置，用戶可以根據(jù)自己的實際需要來設置水溫的大小，按鍵主要是4*4的矩陣鍵盤，可以通過鍵盤上的0～9數(shù)字以及確定、取消按鍵進行實際電路控制。

1.6 控制電路和加熱器

加熱器采用有加熱功能的加熱棒，而控制電路的作用對象便是加熱棒，所以控制電路需要使用ADC數(shù)模裝換芯片將單片機的數(shù)字信號轉(zhuǎn)變實際的模擬信號，在對實際控制電路進行控制，進而實現(xiàn)對加熱棒的控制，控制電路等同于一個開關(guān)，單片機通過DS18B20傳感器所采集的數(shù)據(jù)進行處理，之后再通過控制電路判斷是打開加熱棒還是關(guān)閉加熱棒。

2 電路軟件設計

單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)的軟件設計主要是針對單片機的控制程序設計，在單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)程序中主要涉及到了一個模糊算法的概念。一般單片機設計主要是需要建立精確數(shù)學模型來設計算法，而模糊算法便是針對一些難以確保其實際情況參數(shù)確定的數(shù)學算法，眾所周知溫度是動態(tài)的，而單片機控制系統(tǒng)是十分精確的，所以模糊算法對單片機引腳所有采集的數(shù)據(jù)進行分析，而得到一種實際的精確數(shù)值的算法。假設不通過模糊控制器這一環(huán)節(jié)，如果當前這種算法還是存在一定的誤差，就需要提高單片機的控制精度，改進算法或者是重新設計算法，這顯然是大大超出了實際的成本價值。所以在單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)中采用模糊算法來編寫單片機程序，進而達到系統(tǒng)實際的自動控制效果。

模糊算法主要用于單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)的溫度采集以及控制分析中，而用戶通過鍵盤所設定的溫度則是模糊算法的運行電路控制標準，對于用戶溫度輸入值則是通過單片機自身的數(shù)據(jù)處理功能來實現(xiàn)，需要編寫鍵盤控制程序?qū)︽I盤輸入數(shù)據(jù)進行處理，之后再通過模糊算法進行控制，進而達到系統(tǒng)的恒溫自動控制的目的。

3 結(jié)語

綜上所述，通過對單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)的硬件電路和單片機軟件程序的設計進行全面的分析，我們對于電路整體設計以及運行情況都能一目了然，但是在實際電路運行中還需要考慮實際電路環(huán)境對于電路的影響，以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性情況。單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)所面臨的對象是水，所以整個系統(tǒng)電路需要做好防水措施，同時還需要注意實際溫度對電路的穩(wěn)定性的影響，以保證單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運行，所以針對單片機的水溫恒溫模糊控制系統(tǒng)設計，除了需要重視電路本身的功能之外，還需要注意外接環(huán)境對于電路穩(wěn)定的影響，這樣設計出來的產(chǎn)品才能算是一個合格的產(chǎn)品。

參考文獻

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作者簡介：張豐（1982-），女，遼寧錦州人，供職于黑龍江省綏化學院，碩士，研究方向：控制理論及其應用。

（責任編輯：周 瓊）