家用电热水器模糊控制器的设计

1、 图1 系统结构组成框图图2键盘电路图3漏电检测电路家用电热水器模糊控制器的设计李银华郑州轻工业学院模糊控制技术中心(450002本文介绍了电热水器模糊控制器的基本原理, 软、硬件组成和相应的模糊控制算法。关键词:电热水器模糊控制单片机In th is paper , basic p rinci p le and fuzzy con tro l al 2go rithm and the design of hardw ard and softw are of fuzzy con tro ller of hou seho ld electrical w ater heater is in tro

2、duced .Keyw o rd :E lectrical W ater H eater ; Fuzzy Con 2tro ller ; Single 2ch i p Con tro ller 1引言电热水器是一种可供洗手间、浴室、厨房使用的家用电器。具有无污染、安全、保温时间长、使用方便等优点。随着人们生活水平的不断提高和我国电力工业的不断发展, 人们对它的要求和需求量也在不断增加。目前市场上有两种电热水器, 连续水流式和贮水式。前者虽具有加热速度快和体积小等优点, 但需要功率太大, 大多数家庭的供电线路难以承受。而市场上贮水式电热水器大多数采用机械式控制器, 其缺点是温控简单、精度低、加热

3、时间长、可靠性差且功能单一等。针对上述情况, 利用先进的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控制器。本文将对控制器的系统结构进行详细说明。2控制器的主要功能及特点控制器的主要目的是对贮水式热水器进行水温控制。热水器的开机方式应具有立即开机和定时开机功能。除此之外, 本控制器还具有以下特点:可实时显示水温, 其显示范围为099; 可在2080的范围内任意设定水温; 可在24小时内任意设定开机时间; 可随时查看和校正实时时钟; 具有漏电保护功能, 一旦对外漏电电流超过15mA , 漏电保护器可在110秒内自动切断电源, 保证人身安全; 具有超温断电保护并报警提示的功能

4、; 出现传感器故障时, 可迅速切断加热丝电源并报警提示; 系统掉电时能够保持设定数据。3控制器硬件设计根据系统功能要求, 系统的硬件结构电路原理图如图1。3. 1TM P 87C 408N 单片机简介根据以上性能指标, 本控制器采用了TO SH I BA 公司生产的高性价比的8位单片机TM P 87C 408N 为主控制器。它在28引脚的封装内集成了以下主要功能:一个高性能的8位CPU 内核(最小指令周期为015uS ; 4KB 片内ROM 程序存储器; 256KB 数据存储器; 10个中断源(外部4个, 内部6个 ; 22位I O 线; 两个16位多功能计数器 定时器; 系统监视定时器; 时

5、钟同步串行口; 6路8位逐次逼近式A D 转换器; 转换时间可选择22uS 92uS ; 两种节电方式。3. 2键盘与显示电路控制系统的功能选择和参数的设定都是通过按键来完成, 本系统中共有五个按键。为了节省I O 线, 在键盘设计上有一定的独到之处, 利用一路A D 完成五个按键的功能。即根据A D 采样值的大小不同来区别不同的 32设计与开发家用电器科技19993© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图4数据保持与复位电路图5主程序 流程图图6模糊算法程序流程图时间提前量

6、推理规则表TEC 按键, 其电路如图2。键盘电路采用硬件译码的动态扫描方式来实现温度和时间的显示。3. 3漏电检测和报警电路电热水器工作在潮湿的场合, 为了确保人身安全, 控制器应具备漏电检测和保护功能。漏电检测线圈的输出经过比较器后送给单片机中断口, 一旦漏电超过规定的阀值, 单片机立即响应中断, 切断整个系统的电源。其漏电检测电路如图3。报警电路是在传感器故障、超温时报警提示。3. 4掉电保护与系统复位电路为了使系统可靠工作并保持设定数据, 控制器选用了美国X I COR 公司生产的X 25045非易失性集成电路, 它具有可编程的看门狗定时器、低电压检测、串行EEPROM 、并能提供复位信

7、号。详细数据请参考相关技术手册。数据保持与复位电路图如图4。4控制器软件设计思想系统的软件采用模块化形式, 主要包括初始化子程序、A D 采样子程序、键盘扫描子程序、显示子程序、故障处理子程序、水温控制子程序等。其主程序流程图如图5, 其中水温控制分两种模式, 下面介绍其特点。4. 1非定时工作方式下的控制方式当系统上电后, 默认为非定时工作方式, 系统将根据测量值和设定值进行控制。其控制规则是一种“乒乓”控制, 在开、关的温度值点上设定一回差, 其作用是为了避免频繁启动。4. 2定时工作方式下的模糊控制规则当系统上电, 如为定时工作方式, 则通过短时加热判断其温度变化率, 再依据这一温度变化

8、率和初始温度与给定温度的差值大小, 推断出加热时间的提前量, 以便于用户在所定时间到来时及时用到热水, 避免等用热水情况的出现, 同时克服了保温时消耗电能的情况, 起到了节电的作用。其推理过程如下, 初始温差、温度变化率和时间提前量对应的模糊量分别为E 、EC 和T , 它们的取值均为大(L 、中(M 、小(S 三个模糊值。其推理规则如表所示, 表中所有规则都具有“IF E AND EC TH EN T ”的格式。根据上表判断出提前量后, 其具体温度控制同非定时状态相同。其模糊算法程序框图如图6所示。4结束语家用电热水器模糊控制器具有多功能、安全、适用性强的特点, 与同类的电热水器相比还具有节

9、能的优点。本控制器的设计思想可用于其它控制器的设计之中。参考文献1To sh iba . 8-bit M icrocontro ller T 1cs -870Series D ataBook (1 . Japan :To sh iba co rpo rati on , 1997. 3-46-43-46-882国家标准局家用和类似用途电器的安全贮水式电热水器的特殊要求北京:国家标准局, GB4706. 12-86(编辑韩力英语汉语日语room air conditi oner 房间空调器 一 separate type air分体式空调器 ± 一 conditi oner 形 w indow type air 窗式空调器形conditi oner英语汉语日语heat exchanger 热交换器热交换器ro tary c