摘 要：根據(jù)近幾年來的電熱水器發(fā)展趨勢，利用AT89C51單片機(jī)作為控制器的核心，結(jié)合模糊控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出功能較為完善的電熱水器控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)除了具有通常的控制加熱和保護(hù)外，還具有較強(qiáng)的智能性，包括根據(jù)用戶設(shè)定的溫度自動(dòng)控制加熱管的工作，給出恒定溫度的出水以及漏電保護(hù)等功能，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：AT89C51單片機(jī)；模糊控制；漏電保護(hù)；傳感器

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：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

熱水器是一種可供浴室，洗手間及廚房使用的家用電器。就中國的具體情況而言，電熱水器因其具有無污染、安全、保溫時(shí)間長、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到消費(fèi)者的青睞。單片機(jī)是家用電器常用的控制器件，模糊控制方法，在強(qiáng)時(shí)變、大時(shí)滯、非線性系統(tǒng)中的控制效果有著明顯的優(yōu)勢，把二者結(jié)合起來，可使控制器的性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的目的?；谀：刂萍夹g(shù)的單片機(jī)控制的電熱水器，是對(duì)傳統(tǒng)的電熱水器開關(guān)控制的改造，具有達(dá)到設(shè)定溫度的時(shí)間短、穩(wěn)態(tài)溫度波動(dòng)小、反應(yīng)靈敏、抗干擾能力強(qiáng)、節(jié)省電能等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電熱水器由微控制器對(duì)水溫進(jìn)行智能控制，并且實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)字化顯示。測溫范圍在0~100 ℃，溫度設(shè)定范圍在10~85 ℃，能根據(jù)要求任意調(diào)節(jié)使用。進(jìn)入水溫控制，系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定45 ℃，如果需要另外設(shè)定溫度，僅由增加、減少2個(gè)按鍵進(jìn)入或者完成設(shè)定狀態(tài)，數(shù)字為閃爍狀態(tài)，每設(shè)定一個(gè)溫度值，都有聲音提示。當(dāng)實(shí)際溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，受控電路由通態(tài)（即加熱態(tài)）轉(zhuǎn)換至斷態(tài)（停止加熱），同時(shí)發(fā)光二極管由顯示紅色轉(zhuǎn)為顯示綠色，處于保溫狀態(tài)，但不斷開電源，以防用戶繼續(xù)加熱，并且通過單片機(jī)進(jìn)行蜂鳴報(bào)警5 s。溫度下降2~5 ℃時(shí)，受控電路由斷態(tài)又轉(zhuǎn)為通態(tài)，加熱同時(shí)，發(fā)光二極管由綠色轉(zhuǎn)化為紅色。系統(tǒng)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)和控制都伴有聲光提示。

本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為核心的控制單元，熱電阻溫度傳感器Cu100為傳感器，用2根PTC系列的MZ41型陶瓷波紋式電熱絲為加熱器，以模糊控制作為水溫控制原理，本控制電路另具有漏電保護(hù)功能，當(dāng)有漏電時(shí)，強(qiáng)制斷電，提高使用安全性。

3 系統(tǒng)組成

3.1 溫度測量電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻Cu100型的銅電阻（當(dāng)0～100 ℃時(shí)，阻值在3～1 kΩ之間變化）作為溫度測量傳感器，用環(huán)氧樹膠涂于其外表后置于熱水中，將溫度變化量轉(zhuǎn)化成電阻變化量輸出。該熱敏電阻具有良好的穩(wěn)定性，測溫范圍：-50～150 ℃；溫度系數(shù)α為4.265×10.－3/℃；零度電阻為100 Ω。熱敏電阻的阻值計(jì)算方法如下：R<t<= R<0<（1+α）t(1) 式（1）中，R<t<，R<0<分別為銅電阻在t ℃和0 ℃時(shí)的電阻值。

由G<1<，G<2<，G<3<，G<4<，R<t<，R<s<，C組成多諧振蕩電路，是本系統(tǒng)中的溫度測量電路，將溫度傳感器接入，通過多諧振蕩電路把溫度轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)頻率，接入單片機(jī)的INT0口，電路如圖4所示。其中R<s<是限流電阻（100 Ω），非門采用TTL門74LS04電路。振蕩周期T2.2 R<t<C，脈寬為1.1 R<t<C。可見，脈寬與R<t<是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，溫度與脈寬也就有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

溫度傳感器及有關(guān)電路將溫度轉(zhuǎn)化為電脈沖的脈寬，單片機(jī)將測得的脈沖寬度的值轉(zhuǎn)化為與之對(duì)應(yīng)的溫度值，與設(shè)定的溫度相比較后，以溫度偏差及其變化量為輸入，加熱量為輸出，通過模糊控制算法，就可達(dá)到水溫自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。對(duì)任意溫度對(duì)應(yīng)的脈寬值還可進(jìn)行自動(dòng)測量，并加以顯示。

多諧振蕩電路的輸出脈寬信號(hào)接入單片機(jī)，利用公式(2)將振蕩頻率f轉(zhuǎn)化為溫度形式并且制表存入單片機(jī)中。

f=1/T=1/2.2R<t<C =1/2.2R<0<(1+α)t·C （2）

3.2 控制信號(hào)隔離輸出電路

本系統(tǒng)中的光電隔離電路如圖2所示，通過光耦將加熱強(qiáng)電電路與單片機(jī)控制電路隔離，防止其干擾單片機(jī)的工作。單片機(jī)的輸出控制信號(hào)控制兩電熱絲的斷通，從而調(diào)節(jié)水溫。

3.3 加熱器的選擇

加熱器使用蘇州新業(yè)電子有限公司生產(chǎn)的MZFR系列波紋式PTC加熱器。將其與ICNE555時(shí)基電路相連，用溫度控制器的輸出量U來控制雙向可控硅的導(dǎo)通角，控制加熱器的通斷和加熱時(shí)間來實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。

3.4 顯示器及鍵盤設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)AT89C51的I/O口資源有限，不能滿足系統(tǒng)對(duì)I/O口的要求，必須用芯片8155A擴(kuò)展AT89C51的I/O口。單片機(jī)P2.0作為8155A I/O口或存儲(chǔ)器RAM的選擇信號(hào)，P2.7作為8155的片選信號(hào)；AT89C51通過P0向8155寫入命令和數(shù)據(jù)；或從8155讀出數(shù)據(jù)(主要是按鍵鍵位信號(hào))；數(shù)據(jù)的寫入和讀出由時(shí)鐘信號(hào)控制。

LED顯示器采用3位共陰極顯示器的動(dòng)態(tài)顯示，8155A的B口的低3位PB5～PB7作為掃描口，經(jīng)反相驅(qū)動(dòng)器75452接口顯示器公共陰極；A口作為段數(shù)據(jù)，經(jīng)同相驅(qū)動(dòng)器7407接顯示器的各個(gè)陰極，對(duì)于3位顯示器在AT89C51RAM存儲(chǔ)器中設(shè)置3個(gè)顯示緩沖器單元38H～40H，分別存放3位顯示器的顯示數(shù)據(jù)。

鍵盤由3個(gè)功能按鍵組成，與8155A的C口采用相互獨(dú)立的接口方法，采用軟件查詢方法實(shí)現(xiàn)其鍵盤接口。按鍵S1～S3各自具有一種功能分別為“+”鍵、“-”鍵、開機(jī)電源鍵，當(dāng)他們?nèi)看蜷_時(shí)均為高電平，經(jīng)3輸入與非門及反相器后仍為高電平，因而不會(huì)產(chǎn)生中斷。當(dāng)其中某一按鍵被按下時(shí)，INTO端變?yōu)榈碗娖剑駽PU申請(qǐng)中斷。CPU響應(yīng)中斷后，通過軟件查詢方法查找功能鍵的入口地址，轉(zhuǎn)相應(yīng)功能鍵服務(wù)程序。

3.5 系統(tǒng)漏電保護(hù)電路

電熱水器工作在潮濕的場合，為了確保人身安全，控制系統(tǒng)應(yīng)具備漏電檢測和保護(hù)功能。漏電檢測線圈的輸出經(jīng)過比較器后送給單片機(jī)中斷口，一旦漏電超過規(guī)定的閥值，單片機(jī)立即響應(yīng)中斷，切斷整個(gè)系統(tǒng)的電源。電熱水器漏電檢測電路由電感L<1<，L<2<，電阻R<1～R<4，電容C<1和比較器LM393組成(漏電檢測電路如圖3所示)。

在熱水器安全狀態(tài)下，熱水器中的加熱元件加熱器，不管是處于正常通電工作或非工作狀態(tài)，通過電感L<1<上的電流都是恒定的。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在電感L<2<上不會(huì)有感應(yīng)電流通過；但在熱水器非安全狀態(tài)下(即漏電狀態(tài)下)，熱水器中的加熱元件加熱器工作回路有泄漏電流產(chǎn)生，這時(shí)通過電感L<1<上的電流就會(huì)有變化。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，通過電感L<1<有變化的電流，就會(huì)產(chǎn)生磁場，產(chǎn)生的磁場感應(yīng)電感L<2<，電感L<2<上就有電流通過。在圖3中A點(diǎn)的電位就升高，當(dāng)漏電電流超過規(guī)定安全值，即圖3中A點(diǎn)的電位大于圖3中B點(diǎn)的電位時(shí)，經(jīng)比較器LM393比較后送到單片機(jī)的中斷口，單片機(jī)立即響應(yīng)中斷。

電熱水器漏電控制電路由光耦4N32、電阻、晶體三極管Q<1，二極管D<1和繼電器J1，J2組成。當(dāng)單片機(jī)響應(yīng)中斷后，從I/O口輸出高電平經(jīng)過光電耦合器4N32進(jìn)行光電隔離，使三極管Q<1導(dǎo)通并驅(qū)動(dòng)繼電器J1閉合，繼電器J2通電，在0.1 s內(nèi)迅速切斷整個(gè)系統(tǒng)的供電，從而可迅速切斷電流對(duì)人體的傷害程度，確保人身安全。同時(shí)，從單片機(jī)P1.5輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

3.6 報(bào)警電路

采用模擬聲音集成芯片KD9561報(bào)警。它有多種不同的聲音（機(jī)槍、警笛、救護(hù)車、消防車聲），用戶可以自主選擇自己喜愛的聲音。

聲光報(bào)警電路（如圖4示）與AT89C51的P1.5口相連接，當(dāng)溫度沒達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)，P1.5為高電平，通過74LS04轉(zhuǎn)換為低電平，聲光報(bào)警電路不工作，發(fā)光二極管光顯為綠色，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，則為低電平，通過74LS04轉(zhuǎn)換為高電平，聲光報(bào)警電路中的發(fā)光二極管發(fā)光為紅色、鳴叫，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。同時(shí)控制切換自動(dòng)切換加熱器的工作狀態(tài)，使之為保溫狀態(tài)。

3.7 基于模糊控制原理的溫度控制電路

為了提高溫度控制的精度，設(shè)計(jì)雙輸入單輸出模糊控制器，將溫度檢測部分得到溫度偏差E（實(shí)際溫度0與給定溫度1的偏差）和偏差變化率ΔE作為模糊控制器的輸入信號(hào)，輸出量μ用來控制雙向可控硅的導(dǎo)通角，控制加熱器的加熱時(shí)間來實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。

模糊控制器的輸入為測得溫度與設(shè)定溫度的偏差E（E=t₀-t;t₀為設(shè)定的水溫；t為測得的水溫。）以及偏差的變化量ΔE（ΔE=t_本-t_前，其中t前為前次測得的溫度，t_本為本次測得的溫度），輸出為電熱絲加熱量U。將E分為4個(gè)模糊子集B（大）、M（中）、S（?。?、N（負(fù)），對(duì)應(yīng)溫度的偏差為：t₀-t>T_M1℃，T_M2 ℃< t₀-tM1℃，0℃0-tM2 ℃，t₀-t<0℃（T_M1>T_M2>0）。ΔE分為3個(gè)模糊子集P（正）、Z（零）、N（負(fù)），對(duì)應(yīng)的偏差變化量為：t_本-t_前> A_O，- A_O本-t_前O，t_本-t_前<-A_O（A_O>0）；電熱絲加熱量U分為4個(gè)模糊子集B（大）、M（中）、S(小)、Z（零），對(duì)應(yīng)于二極電熱絲的4種狀態(tài)的組合：電熱絲1電熱絲2都加熱、電熱絲1加熱、電熱絲2加熱、電熱絲1電熱絲2都不加熱（其中電熱絲1的功率大于電熱絲2的功率）。模糊控制規(guī)則如表1所示。

由單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行測量，將本次測得的溫度與設(shè)定的溫度值相減得到溫度的偏差E，并存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元TMS；將本次測得的溫度減前次測量的溫度，得到溫度的偏差變化量ΔE并存入存儲(chǔ)單元TMCB；根據(jù)溫度的偏差及偏差的變化量由模糊控制表決定電熱絲的斷閉。如果將E的4個(gè)模糊子集N，S，M，B分別用數(shù)字-1，1，3，6表示，ΔE的3個(gè)模糊子集N，Z，P分別用數(shù)字-1，0，1表示，則根據(jù)模糊控制規(guī)則表1，可得到如表2所示的E+ΔE。將表2與表1對(duì)照可以看出：當(dāng)E+ΔE≤0時(shí)，加熱量為Z；當(dāng)1≤E+ΔE<3時(shí)，加熱量為S；當(dāng)3≤E+ΔE<5時(shí)，加熱量為M；當(dāng)E+ΔE≥5時(shí)，加熱量為B。故可編制所需的模糊控制程序。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是繼電器的開斷（加熱及停止加熱），為了降低功耗，繼電器的開斷是由P1.7喚醒的。條件是在溫度設(shè)定后自動(dòng)打開，當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)，判斷P1.7是否控制繼電器的斷開。然后判斷溫度是否下降2~5 ℃，又進(jìn)行打開或者不打開。

需要說明的是，保護(hù)電路的程序問題僅作為參考，現(xiàn)今電熱水器的有效期為5年，隨著電熱絲的老化及內(nèi)膽的固化，導(dǎo)致加熱失調(diào)的情況不考慮在內(nèi)。模糊控制部分，只判斷溫度偏差，以控制電熱水器的加熱速度。

INT1先用于各溫度值對(duì)應(yīng)的脈寬計(jì)數(shù)器值的測量顯示。中斷1的中斷服務(wù)程序先固化自動(dòng)測量、顯示的中斷服務(wù)程序如圖5所示。

從INT1輸入的設(shè)定溫度用的脈沖將引起中斷，中斷服務(wù)程序可對(duì)與一定水溫對(duì)應(yīng)的電脈沖寬度的計(jì)數(shù)值（TL0）進(jìn)行測量并顯示，記下其數(shù)值后便可制定“溫度表”（與一定溫度對(duì)應(yīng)的TL0值并存放于程序存儲(chǔ)器中的表），將“溫度表”固化于程序存儲(chǔ)器中。然后，INT1再用于溫度的設(shè)定，將中斷1的服務(wù)程序換為預(yù)置溫度的程序，如圖5所示。讓定時(shí)器T1定時(shí)中斷，配合軟件計(jì)數(shù)器，每隔5 s測量1次溫度的當(dāng)前值。將溫度的測量值及前次測得的值分別存于一個(gè)存儲(chǔ)單元，通過模糊控制程序以決定兩電熱絲的通斷情況。將測得的脈寬轉(zhuǎn)化為溫度值是這樣實(shí)現(xiàn)的：先讓脈沖從INT0進(jìn)入單片機(jī)，T0在INT0為高電平時(shí)開始定時(shí)，變?yōu)榈碗娖綍r(shí)停止，于是在TL0中得到脈寬對(duì)應(yīng)的定時(shí)計(jì)數(shù)值，查找與“溫度表”中與計(jì)數(shù)值一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的溫度。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的電熱水器控制系統(tǒng)由單片機(jī)AT89C51、溫度傳感器、多諧振蕩電路、輸出信號(hào)隔離及加熱元件控制電路、鍵盤及顯示電路、漏電保護(hù)電路、聲光報(bào)警電路等部分構(gòu)成。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，采用定時(shí)中斷的結(jié)構(gòu)，主要由主系統(tǒng)程序、LED顯示子程序、鍵盤中斷服務(wù)子程序、中值濾波子程序等程序組成。該控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的智能，可根據(jù)用戶設(shè)定的溫度自動(dòng)控制加熱管的工作，給出恒定溫度的出水以及漏電保護(hù)等功能。且具有不需預(yù)熱、無需等待、節(jié)能省電、安全環(huán)保、體積小巧、節(jié)約空間和水溫恒定等突出優(yōu)點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］丁肇紅.溫度模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，6(3):163165.

［2］甄麗平，司紹偉.一種單片機(jī)溫度模糊控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28(17):100101.

［3］熊朝暉.模糊邏輯在溫度控制中的應(yīng)用［J］.計(jì)量與測試技術(shù)，2002，29(5):1618.

［4］陳建華，李干林.基于模糊理論的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.熱力發(fā)電，2007，36(1):6769.

［5］張海.基于AT89C51和DS18B20的最簡溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)\\.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(9):8586，89.

作者簡介 張 敏 女，1974年出生，講師，研究生。主要研究方向?yàn)楣鈾C(jī)電一體化、自動(dòng)控制。