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1、 陕西理工学院毕业设计陕 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
2、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
3、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 Fuzzy control of automatic water heater temperature regulatorAuthor: Guo Jinghan（Grade06,Class4,Major Automation，Electrical Engineering Dept.，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaan
4、xi）Tutor: Hu BoAbstract：The pulseS width is turned from temperature by temperature sensor and concerned circuitComparing the temperature tested with thesetting one，the purpose of automatic adjustment could be realized by the fuzzy-controller controlling on and off of the electrothermal water heaterA
5、lso the pulses width in correspondence with any temperature can be tested and displayedKeywords：AT89C205 1, microcontroller, fuzzy-control, temperature electrothermal ,water heater目 录1 绪论12 方案论证与确定22.1方案的论证及选择22.2系统基本方案确定22.3模糊控制介绍32.3.1模糊控制原理32.3.2隶属度函数的型式42.3.3模糊控制规则52.3.4 模糊推论52.3.5解模糊化62.3.6 模糊控
6、制算法62.4软件工具介绍73 硬件设计93.1控制器模块93.1.1 AT89S51控制电路93.1.2 AT89S51单片机最小系统及外围电路接口图123.2水温检测模块123.2.1 DS18B20单线数字温度传感器123.2.2 DS18B20的使用方法143.2.3 DS18B20单线数字温度传感器电路173.3显示模块183.3.1 LCD1602液晶显示屏183.3.2 LCD1602液晶显示屏显示电路图203.4水温加热模块203.4.1继电器主要技术参数213.4.2 HK4100F继电器驱动电路原理213.5键盘电路223.5.1键盘电路图223.5.2按键说明223.6蜂
7、鸣器报警电路223.7复位、时钟电路和电源223.7.1 复位电路233.7.2 时钟电路233.7.3电源电路设计234 软件设计244.1 主程序流程244.2 模糊控制算法的实现244.3温度采集子程序254.4 按键设置274.5 LCD1602显示285 综合调试295.1仿真与调试295.2 系统整体电路图325.3 遇到的问题及解决方法336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40Introduction of Programmable controllers40VI1 绪论电热水器是一种广泛使用的家用电器。
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、盘设定等多种功能，下图2.1为单片机系统电路框图：89S51 单片机数据采集键盘设定电源电路数码显示超限报警控制电路图2.1 89S51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。
