计算机控制课程设计即热式电热水器模糊控制器的设计.docx

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计算机控制课程设计即热式电热水器模糊控制器的设计

电气与电子信息工程学院

计算机控制课程设计

设计题目：

　即热式电热水器模糊控制器的设计

　　专业班级：

电气工程及其自动化2008

（1）班

学　　号：

　　　200840220105　　　　　　　　　　　

姓名：

王金帅

同组人：

王金帅、张敏琪、杨晓丽

指导教师：

胡蔷陶彪

设计时间：

2011/11/14～2011/11/25

设计地点：

K2—单片机实验室

计算机控制课程设计成绩评定表

姓名

王金帅

学号

200840220105　

课程设计题目：

即热式电热水器模糊控制器的设计

课程设计答辩或质疑记录：

1、PT100热电阻的原理？

答：

pt100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。

PT100的阻值与温度变化关系为：

当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

它的工业原理：

当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。

2、模糊控制的基本原理？

答：

模糊控制的基本原理可由上图表示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线框中所示。

模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现，微机通过采样获取被控制量的精确值然后将此量与给定值比较得到误差信号E,一般误差信号E作为模糊控制器的输入量。

把误差信号的精确量进行模糊化得到模糊量，误差E的模糊量可以响应的模糊语言表示。

至此，得到模糊误差E的模糊语言集合的一个子集e。

再由e和模糊控制规则根据推理合成规则进行决策，得到模糊控制量u

成绩评定依据：

课程设计考勤情况（20％）：

课程设计答辩情况（30％）：

完成设计任务及报告规范性（50％）：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

2011年12月20日

课程设计任务书

2011～2012学年第1学期

一、课程设计题目：

即热式电热水器模糊控制器的设计

二、课程设计内容

1．设计目的及要求

通过本课程设计学生应掌握计算机控制系统的设计原则、方法和步骤，掌握过程输入输出通道的设计应用；熟悉常用控制算法；了解并掌握工控机的各种抗干扰技术。

熟悉DCS系统的结构体系，了解组态软件的应用。

1）根据设计课题的技术指标和给定条件，能独立而正确地进行总体方案设计，分析和论证，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整；

2）掌握计算机控制系统常用控制算法的应用；

3）根据实时性和系统的性能价格比等多方面因素进行硬件和软件功能设计；

4）绘制有关计算机控制系统原理图和编制元器件明细表；

5）编写设计说明书；

6）通过对所设计的系统进行仿真实验，掌握系统仿真的方法；

7）按设计指导书中要求的格式书写设计报告，所有的内容一律打印；

8）报告内容包括设计过程、软件仿真结果及分析、硬件仿真结果及分析；

9）整体电路原理图、各模块原理图；

2．设计内容（含技术指标）

采用模糊控制算法实现热水器的温控，利用热敏电阻检测电热水器出水口温度，根据出水口温度与设定温度的差值及该差值随时间的变化率实施模糊逻辑控制。

容量为10L，温度稳定在40--45度，温度偏差在0--3度

三、进度安排

1．时间安排

序号

内容

学时安排（天）

1

接口设计项目

1

2

方案的选择论证

1

3

硬件、软件设计和仿真

5

4

设计答辩

1

5

撰写和打印设计报告

2

合计

10

四、基本要求

（1）根据课题要求确定系统总体设计方案；

（2）硬件设计：

绘制系统功能框图和电气原理图，撰写设计说明；

（3）软件设计：

程序流程图（程序清单）；

（4）系统各环节的仿真（硬件、软件）；

（5）误差分析与调整；

（6）对设计进行全面总结，写出课程设计报告；

五、课程设计考核办法与成绩评定

根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。

评定项目

基本内涵

分值

设计过程

考勤、自行设计、按进度完成任务等情况

20分

设计报告

完成设计任务、报告规范性等情况

50分

答辩

回答问题情况

30分

90～100分：

优；80～89分：

良；70～79分：

中；60～69分，及格；60分以下：

不及格

目录

摘要5

方案讨论6

第1章绪论6

1.1模糊控制在家用电器中应用的意义6

1.2本研究课题研究内容7

第2章模糊控制器的设计7

2.1模糊控制器的设计7

第3章系统硬件设计8

3.1系统总体方案8

3.2系统硬件组成及工作原理8

3.3系统硬件电路的设计8

第4章系统软件设计10

4.1主程序10

4.2数据采集模块11

4.3键扫描子程序........................................................................................................................11

4.4显示子程序12

4.5模糊控制程序12

设计总结12

参考文献13

附录14

摘要

模糊控制理论是模糊数学在工程应用中的一个重要分支，其基本思想就是利用计算机来实现人的控制经验，它是模糊理论与计算机技术、自动化技术相结合的产物，由于其良好的控制特性而得到广泛应用。

本文应用ATMEL单片机AT89S52作为核心部件，并引用了模糊控制理论与现场调试相结合的办法编制出具有智能补偿的系统软件，从而克服了PID控制方式中存在的进入恒温状态所需时间长、控制精度低、PID参数设置方法不易掌握等缺陷而造成的时间和能源的浪费，使系统工作效率低下，不能很好满足使用的要求。

实际运行表明，应用本系统控制技术而设计的即热式电热水器温度控制系统工作稳定可靠，控制精度高，过渡过程时间短。

本系统可以实现对热水器水温的实时控制，程序的可移植性强，有很好的推广、应用价值。

性能达到目前国内的同类设备水平，且价格低廉。

关键词：

模糊控制，PID控制，温度传感器，霍尔传感器

ABSTRACT

Thefuzzycontroltheoryisanimportantbranchinengineeringapplicationsoffuzzymathematics.Itsbasicthoughtisusingcomputertorealizepeople'scontrolexperience.Itistheresultofthefuzzytheorycombinedwithcomputertechnologyandautomatictechnology.Anditiswidelyusedbecauseofitsgoodcontrolcharacteristics.

Thistextusessingle-chipmicrocomputerAT89S52ofATMELasthekeypartandhaveprogrammedsystemsoftwarewithintelligencecompensationusingthemethodofthefuzzycontroltheorycombinedtogetherwithfielddebug,thusovercomesthedisadvantagesofwasteoftimeandenergyexistedinPIDcontrolmethod,causedbythelongnecessarytimetoreachconstanttemperaturestate,lowcontrolprecision,difficultytograspthesettingmethodsofPIDparametersetc.,whichmakesystematicworkingefficiencylowandcan'tmeetthedemand.Practicalrunningindicatesthatthetemperaturecontrolsystemofelectricheaterdesignedusingthissystemcontroltechnologyissteadyandreliable,withhighcontrolprecisionandshorttransitiontime.

Thissystemcanrealizethereal-timecontrolofthetemperatureofthewaterheater,withstrongportabilityoftheprocedure.Itisworthyofpopularizationandapplicationanditsperformancereachesthedomesticsimilarequipmentlevelatpresent,withlowcost

KeyWords：

fuzzycontrol,PIDcontrol,temperaturesensor,Hall'ssensor

方案讨论

基本原理：

模糊控制的基本原理可由上图表示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线框中所示。

模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现，微机通过采样获取被控制量的精确值然后将此量与给定值比较得到误差信号E,一般误差信号E作为模糊控制器的输入量。

把误差信号的精确量进行模糊化得到模糊量，误差E的模糊量可以响应的模糊语言表示。

至此，得到模糊误差E的模糊语言集合的一个子集e。

再由e和模糊控制规则根据推理合成规则进行决策，得到模糊控制量u

总体数据：

容量为10L，温度稳定在40--45度，温度偏差在0--3度

四个人的不同之处是：

一．温度传感器不一样；二．保护电路不一样。

我的选择方案：

温度传感器选择铂热电阻，pt100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。

PT100的阻值与温度变化关系为：

当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

它的工业原理：

当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。

保护电路是：

超温保护装置，当热水器出水温度达到60℃以上时，热水器自动报警停止加热，同时自然恢复。

第1章绪论

1.1模糊控制在家用电器中应用的意义

（1）即电式热水器研究的背景和意义

近年来，热水器已经成为与人们生活密切相关的电器设备。

它有安全、环保等特点，对安装的要求比较简单，不受空间限制，可以因地制宜。

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。

近几年来，随着人们生活水平的提高，住宅用户都有条件使用上述即热式电热水器，安全系数可以达到100%。

通过检测，即热式比传统的热水器可节省40%能源。

因为他既不需要预热，又不用保温，省去了大量的额外开支，给用户带来真正的实惠。

即热式产品作为新型环保产品，在我国广泛使用是大势所趋符合现代消费潮流。

（2）模糊控制技术的优点

模糊控制力图对人们关于某个控制问题的成功与失败和经验进行加工,总结出知识,从中提炼出控制规则,用一系列多维模糊条件语句构造系统的模糊语言变量模型,应用CRI等各类模糊推理方法,可以得到适合控制要求的控制量,可以说模糊控制是一种语言变量的控制。

模糊控制具有以下特点:

（1）模糊控制直接采用语言型控制规则,出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识,设计简单,便于应用。

（2）模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。

（3）模糊控制算法有利于模拟人工控制的过程和方法,使之具有一定的智能水平。

除此,模糊控制还有比较突出的两个优点:

第一,模糊控制在许多应用中可以有效且便捷地实现人的控制策略和经验。

第二,模糊控制可以不需被控对象的数学模型即可实现较好的控制。

模糊控制也有缺陷,主要表现在:

1）精度不太高;2）自适应能力有限;3）易产生振荡现象。

1.2本研究课题研究内容

采用模糊控制算法实现热水器的温控，利用热敏电阻检测电热水器出水口温度，根据出水口温度与设定温度的差值及该差值随时间的变化率实施模糊逻辑控制。

课题主要要求：

1．阐述恒温模糊控制的原理；

2．基于单片机恒温模糊控制系统硬件结构的设计；

3．控制系统软件的编制；

4．绘制硬件结构图和软件流程图；

第2章模糊控制器的设计

2.1模糊控制器的设计

（1）精确量的模糊化

模糊控制器的输入要求为模糊集合，因此需要将确定数模糊化。

常用的方法有以下两种:

①将确定数如

看作模糊集合

的一个特例。

此时，模糊集合

只包含一个元素

=

*

在该元素上的隶属度为，即

=〔00…010…0〕（2.5）

②根据确定数

及量化因子

，由

=

*

求得

在基本论域〔-

，

〕上的量化等级

；其次查找语言变量

的赋值表，找出在元素

上与最大隶属度对应的语言值所决定的模糊集合，该模糊集合就代表了确定数

的迷糊化。

（2）模糊控制算法设计

模糊控制算法，或称模糊控制规则，实质上是将操作者在控制过程中的手动操作策略加以总结而得到的模糊条件语句的集合。

除了用模糊条件语句表达控制规则外，还可以用模糊控制状态表来表示。

常见的模糊控制器结构如图2.1所示，其中分（a）、（b）、（c）分别对应单输入单输出模糊控制器、双输入单输出模糊控制器、多输入单输出模糊控制器。

（a）单入单出模糊控制器（b）双入单出模糊控制器（c）多入单出模糊控制器

图2.1模糊控制器结构第3章系统硬件设计

3.1系统总体方案

本系统中，需要检测的输入信号有出水口温度和内胆温度及水流检测信号。

需要输出的信号主要是双向可控硅的导通时间以控制加热功率的大小。

还要完成数据的实时显示及各工作阶段指示、出水温度的设置、自动检测故障原因并显示等功能，还具有各种完善的保护功能，如温度的超限报警、防干烧。

系统结构框图如下：

图3.1系统结构框图

3.2系统硬件组成及工作原理

即热式电热水器控制系统由水流检测电路、显示键盘电路、测温电路、加热输出控制电路、工作指示及保护电路和过零检测等电路组成。

控制系统原理框图如图3.2所示。

首先通过温度传感器DS18B20将出水口温度直接变换成数字量送到单片机。

单片机对接收到的信号与设定信号进行比较，采用模糊控制的方法，输出一个控制量，控制可控硅的导通周波数，以实现对加热量的控制。

同时用LED显示当前温度

图3.2控制系统原理框图

3.3系统硬件电路的设计

控制系统硬件电路图如附录所示，下面就各个硬件电路设计模块分别描述。

（1）温度检测电路

pt100铂热电阻测温原理

低温度系数晶振用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。

减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置值将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。

（2）水流检测电路

由于本热水器的贮水箱容积非常小，必须做到通水通电，断水断电，因此必须对水流进行检测，防止干烧发生事故。

在本设计中采用了霍尔传感器。

霍尔器件是一种磁传感器，用它们可以检测磁场及其变化。

图3.3水流检测电路

水流检测电路的结构如图3.3所示，由开关型霍尔器件、放大电路和光电藕合器组成。

当没有接通水源时，因磁钢离霍尔器件有一定的距离，无法在霍尔器件上形成足够的磁场强度，霍尔器件输出高电平，三极管Q5截止，输出控制信号为高电平，该控制信号经或非门输出低电平，切断了加热控制回路。

当接通水源时，磁钢随水流上升至霍尔器件位置，并在霍尔器件上形成足够的磁场强度，此时，霍尔器件输出低电平，三极管导通，通过光藕输出低电平的控制信号，此信号和单片机发出的低电平控制信号或非后，输出高电平，接通了加热控制回路。

（3）输出控制电路

输出控制电路如图3.4所示，主要由光电耦合器OPTOIS01,OPTOTRIAC、双问可控硅Q7、继电器和加热管等器件组成。

利用光电耦合器隔离交直流信号，以保证由单片机输出的信号与外部设备之间的电隔离。

当单片机发出的控制信号为高电平时，光电耦合器U2导通，输出低电平，继电器导通，接通加热控制回路。

此时，单片机将检测到Pl.7引脚变为低电平，输出干烧报警信号。

图3.4输出控制电路图

（5）核心部件单片机

系统采用单片机AT89S52作为模糊处理的核心，AT89S52具有如下特点:

40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM）,32个外部双向输入了输出（v0）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

其晶振电路与复位电路如图3.5所示

图3.5单片机复位与晶振电路

（6）整流和稳压电路

在本控制器中使用了三种电源，它们分别是系统电源+5V,测温放大电路中UA741的供电电源和PWM输出电源±12V。

采用如图3.6所示的稳压电路。

图3.6整流与稳压电路

第4章系统软件设计

单片机控制系统的整个程序由主程序、TO,T1定时中断服务程序、INT1过零触发中断服务程序（包括以上五个模块）组成。

在整个程序中使用了三个中断，T0,T1定时中断为内部中断，主要是为了控制采样时间和控制双向可控硅的导通时间。

INT1中断主要为了检测过零信号而设的外部中断，每检测到一个过零信号，就产生一个中断请求。

4.1主程序

在主程序中，先进行各部分的初始化，包括单片机的初始化、定时器、外部中断及数据单元的初始化等。

TO中断服务程序的运行时间必须小于采样时间，采样时间设计为0.5s。

主程序的流程图如图4.1所示

图4.2温度读取流程图图

图4.1主程序流程图

4.2数据采集模块

数据采集模块主要用来采集电热水器出水口的温度，其框图如图4.2、图4.3所示。

在一次采集中，对二个通道连续各采集3次数据，经DS18B20转换成数字量后并经过数字中值滤波消除干扰，存入相应寄存器，再送入单片机内进行数据处理。

4.3键扫描子程序

由于人们对热水器水温要求的不同，因此即热式电热水器的出水温度可通过键盘来设置根据功能设置了三个键，分别为开关键、温度增加键和减少键。

在软件设计上主要采用扫描来检测有无键按下，当检测到低电平时，调用一段延时来消除抖动，防止误触发。

其框图如图4.4所示。

4.4显示子程序

其流程图如图4.5所示。

4.5模糊控制程序

模糊控制流程图如图4.6所示。

图4.4键扫描子程序流程图4.3数据采集流程图

图4.5显示子程序流程图图

4.6模糊控制算法流程图

设计总结

为期两周的微机原理课程设计结束了，这次我的课题是“即热式电热水器模糊控制器的设计”，刚开始确实没有头绪，在老师细心的指导下和同组同学们的帮助下，如期完成了设计任务。

刚接触这个题目时仅仅只有一个感性的认识，后来通过查阅资料，渐渐地有了一个思路。

接下来就是方案论证了。

这期间我有了几套方案，经过和同学们的讨论，最后确定了这个最终的方案。

本以为方案论证一完成就成功了一半，但是在实际过程中，总会遇到各种问题。

包括各种芯片的选择匹配问题，以及算法的设计，本以为自己的算法很完美，但是最后却发现没有考虑硬件的限制，只得重新再来。

还有就是模型的建立，因为以前这方面的经验比较缺乏，所以很困难，只能去请教有经验的学长，在他们的帮助下，我自己也到处查资料，模型终于建立起来了。

还有就是各种图形的绘画，因为长时间没接触的缘故，开始时用的不怎么熟练，后来就游刃有余了。

两周时间很快就过去了，这期间我学会了很多东西，对于控制系统的认识也有了一个升华。

感谢胡老师和皮老师的悉心指导和同学们的帮助，正是因为你们的奉献，我才顺利的完成了本次课程设计。

参考文献

[1]孙庆.模糊控制综述.控制工程[J]，1995

[2]何平，王鸿绪.模糊控制器的设计及应用[M].北京：

科学出版社，1997

[3]章卫国，杨向忠.模糊控制理论与应用[M].西北工业大学出版社，2001

[4]党建武，王阳萍.模糊控制技术[M].中国铁道出版社，2007

[5]刘建辉.单片机模糊控制技术及应用[M].沈阳：

辽宁大学出版社，2001

[6]曹琳琳．单片机原理应用及接口技术[M]．国防科技大学出版社

[7]沈红卫.单片机应用系统实例分析[M].北京：

北京航天大学出版社，2003

[8]宋文绪，杨帆.传感器与检测技术[M].北京：

高等教育出版社，2004

[9]王建华，黄河清.计算机控制技术.北京：

高等教育出版社，2003

[10]陶永华.PID控制原理和自整定策略[J].工业仪表与自动化装置，1997

[11]韩瑞珍，陈国定，杨马英.基于模糊推理的自整定PID控制器[J].控制工程，2002

[12]何新贵.模糊知识处理的理论与技术[M].北京:

国防工业出版社，1998.04

附录

即热式电热水器硬件原理图