基于太阳能热水器智能控制器设计

王鹏宇　刘文君

摘 要： 结合太阳能热水器的具体应用，设计了基于单片机的模糊智能控制器。系统采用STC89C52RC单片机，利用DS18B20数字温度传感器进行温度测量，通过过零固态继电器控制加热棒以模拟太阳能热水器的辅助加热功能。实现在设定的时间内智能调整输出功率，使水温在设定时间内达到设定值。

关键词： 太阳能热水器； 模糊控制算法； 输出功率； DS18B20

中图分类号： TN95?34； TP29 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0124?03

0 引 言

由于太阳能强弱随天气和季节变化，因而太阳能热水器需要辅助加热装置才能保证一年四季或全天候使用到热水。目前大多数产品的电辅助加热方式采用开关式或PID控制，但由于太阳能本身是一个时变的复杂非线性变量，太阳能热水器的集热和辅助加热过程无法精确地用数学模型描述，采用传统控制方式有时难以达到满意的效果。近年来发展起来的模糊控制是一种智能的非线性控制方法，在家用电器和其他嵌入式控制系统中取得了很好的控制效果。本文结合太阳能热水器的具体应用，设计了基于单片机的模糊智能控制器。

1 主要硬件设计

本系统以单片机STC89C52RC为控制器，采用DS18B20数字温度传感器测量水温，以DS12C887为系统提供高精度时钟，通过模糊控制算法得到控制量，通过PWM波控制过零继电器方法来控制加热棒的功率，从而控制水温。

1.1 单片机最小系统设计

实验系统采用8051内核的STC89C52RC单片机作为智能控制器。由于系统运算量不大，没有太多的中间数据需要处理、保存，因此不必外扩数据存储器，仅使用STC89C52RC内部RAM和E2PROM完全能够满足要求。STC89C52RC最小系统电路如图1所示。

1.2 温度控制执行器设计

该系统的水温控制执行部分是一个过零固态继电器和加热棒，继电器输入控制端为DC 3～32 V，输出端为AC 5 A/380 V/50～60 Hz，加热棒功率为500～1 000 W。通过控制单片机产生PWM波的占空比控制交流过零继电器的通断频率，从而实现对加热棒的功率控制。

1.3 温度测量部分设计

采用数字温度传感器DS18B20，其抗干扰能力强，并且不必要温度标定，使用单片机分时复用原理与传感器的单总线接口方式即可实现数据通信。DS18B20的硬件电路如图2所示。

1.4 时钟电路设计

为实现热水器24 h供应热水的目的，控制器必须有一个实时时钟来为系统提供准确的基准时间。本系统中采用DS12C887时钟芯片，该芯片采用CMOS技术，把时钟芯片所需的晶振和电池以及相关的电路集成到芯片内部，具有微功耗、外围接口简单、精度高，工作稳定可靠等优点。电路图如图3所示。

2 模糊控制器设计

2.1 模糊控制原理

模糊控制系统结构如图4所示。模糊控制器的输入、输出量都是精确的数值，而模糊控制器采用模糊语言变量和模糊逻辑推理，因此必须将输入变量变换成模糊语言变量，这个过程称为精确量的模糊化；然后进行模糊推理，形成控制策略；最后将控制策略转换为一个精确的控制变量值，即去模糊化，并对输出控制变量进行控制。

2.2 模糊控制器实现

本系统采用二维模糊控制器，以温度误差和误差的变化率作为模糊控制器的输入信号，模糊控制器输出控制量[U，]单片机再根据[U]值确定输出PWM波的占空比；时间设置值也作为控制器的输入信号，用于对占空比进行时间上的优化。

将模糊控制器的输入、输出变量的实际变化范围称为这些变量的基本论域。本系统中的误差[e、]误差的变化率[ec、]控制量[u]的基本论域分别为：[-2，+2]，[-0.2，+0.2]和[0，100%]。

3 结 语

经实验测试，本文所设计的控制算法和硬件电路能够满足设计要求，所构建的系统具有稳态误差小、过渡时间短、成本低、智能化程度高等特点，可作为太阳能热水器生产厂商的产品设计参考。本系统温度静态误差：[T≤]0.1 ℃；温度超调量：[T≤]0.3 ℃。

参考文献

[1] 黄晓林，梁玉红.交流过零触发PWM调功器的算法设计[J].汽车科技，1998（6）：26?30.

[2] 于江涛，王克奇，钟晓伟.模糊控制理论在即热式热水器中的应用[J].电子产品可靠性与环境试验，2011，29（1）：42?45.

[3] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2009.

[4] 张吉礼.模糊?神经网络控制原理与工程应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.

[5] 周润景，徐宏伟，丁莉.单片机电路设计、分析与制作[M].北京：机械工业出版社，2010.

[6] 张敏.基于单片机结合模糊控制的电热水器控制系统设计[J].现代电子技术，2008，31（16）：39?42.

[7] 龚爱平.基于模糊控制的电子水煲的研究与实现[D].广州：广东工业大学，2009.

[8] 贺啟峰.基于模糊PID控制的恒温水浴控制器的研究[D].长春：吉林大学，2011.

[9] 曹辉，何波，刘慧明，等.模糊控制在加热炉温度控制系统中的应用研究[J].现代制造工程，2010（5）：137?140.

摘 要： 结合太阳能热水器的具体应用，设计了基于单片机的模糊智能控制器。系统采用STC89C52RC单片机，利用DS18B20数字温度传感器进行温度测量，通过过零固态继电器控制加热棒以模拟太阳能热水器的辅助加热功能。实现在设定的时间内智能调整输出功率，使水温在设定时间内达到设定值。

关键词： 太阳能热水器； 模糊控制算法； 输出功率； DS18B20

中图分类号： TN95?34； TP29 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0124?03

0 引 言

由于太阳能强弱随天气和季节变化，因而太阳能热水器需要辅助加热装置才能保证一年四季或全天候使用到热水。目前大多数产品的电辅助加热方式采用开关式或PID控制，但由于太阳能本身是一个时变的复杂非线性变量，太阳能热水器的集热和辅助加热过程无法精确地用数学模型描述，采用传统控制方式有时难以达到满意的效果。近年来发展起来的模糊控制是一种智能的非线性控制方法，在家用电器和其他嵌入式控制系统中取得了很好的控制效果。本文结合太阳能热水器的具体应用，设计了基于单片机的模糊智能控制器。

1 主要硬件设计

本系统以单片机STC89C52RC为控制器，采用DS18B20数字温度传感器测量水温，以DS12C887为系统提供高精度时钟，通过模糊控制算法得到控制量，通过PWM波控制过零继电器方法来控制加热棒的功率，从而控制水温。

1.1 单片机最小系统设计

实验系统采用8051内核的STC89C52RC单片机作为智能控制器。由于系统运算量不大，没有太多的中间数据需要处理、保存，因此不必外扩数据存储器，仅使用STC89C52RC内部RAM和E2PROM完全能够满足要求。STC89C52RC最小系统电路如图1所示。

1.2 温度控制执行器设计

该系统的水温控制执行部分是一个过零固态继电器和加热棒，继电器输入控制端为DC 3～32 V，输出端为AC 5 A/380 V/50～60 Hz，加热棒功率为500～1 000 W。通过控制单片机产生PWM波的占空比控制交流过零继电器的通断频率，从而实现对加热棒的功率控制。

1.3 温度测量部分设计

采用数字温度传感器DS18B20，其抗干扰能力强，并且不必要温度标定，使用单片机分时复用原理与传感器的单总线接口方式即可实现数据通信。DS18B20的硬件电路如图2所示。

1.4 时钟电路设计

为实现热水器24 h供应热水的目的，控制器必须有一个实时时钟来为系统提供准确的基准时间。本系统中采用DS12C887时钟芯片，该芯片采用CMOS技术，把时钟芯片所需的晶振和电池以及相关的电路集成到芯片内部，具有微功耗、外围接口简单、精度高，工作稳定可靠等优点。电路图如图3所示。

2 模糊控制器设计

2.1 模糊控制原理

模糊控制系统结构如图4所示。模糊控制器的输入、输出量都是精确的数值，而模糊控制器采用模糊语言变量和模糊逻辑推理，因此必须将输入变量变换成模糊语言变量，这个过程称为精确量的模糊化；然后进行模糊推理，形成控制策略；最后将控制策略转换为一个精确的控制变量值，即去模糊化，并对输出控制变量进行控制。

2.2 模糊控制器实现

本系统采用二维模糊控制器，以温度误差和误差的变化率作为模糊控制器的输入信号，模糊控制器输出控制量[U，]单片机再根据[U]值确定输出PWM波的占空比；时间设置值也作为控制器的输入信号，用于对占空比进行时间上的优化。

将模糊控制器的输入、输出变量的实际变化范围称为这些变量的基本论域。本系统中的误差[e、]误差的变化率[ec、]控制量[u]的基本论域分别为：[-2，+2]，[-0.2，+0.2]和[0，100%]。

3 结 语

经实验测试，本文所设计的控制算法和硬件电路能够满足设计要求，所构建的系统具有稳态误差小、过渡时间短、成本低、智能化程度高等特点，可作为太阳能热水器生产厂商的产品设计参考。本系统温度静态误差：[T≤]0.1 ℃；温度超调量：[T≤]0.3 ℃。

参考文献

[1] 黄晓林，梁玉红.交流过零触发PWM调功器的算法设计[J].汽车科技，1998（6）：26?30.

[2] 于江涛，王克奇，钟晓伟.模糊控制理论在即热式热水器中的应用[J].电子产品可靠性与环境试验，2011，29（1）：42?45.

[3] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2009.

[4] 张吉礼.模糊?神经网络控制原理与工程应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.

[5] 周润景，徐宏伟，丁莉.单片机电路设计、分析与制作[M].北京：机械工业出版社，2010.

[6] 张敏.基于单片机结合模糊控制的电热水器控制系统设计[J].现代电子技术，2008，31（16）：39?42.

[7] 龚爱平.基于模糊控制的电子水煲的研究与实现[D].广州：广东工业大学，2009.

[8] 贺啟峰.基于模糊PID控制的恒温水浴控制器的研究[D].长春：吉林大学，2011.

[9] 曹辉，何波，刘慧明，等.模糊控制在加热炉温度控制系统中的应用研究[J].现代制造工程，2010（5）：137?140.

摘 要： 结合太阳能热水器的具体应用，设计了基于单片机的模糊智能控制器。系统采用STC89C52RC单片机，利用DS18B20数字温度传感器进行温度测量，通过过零固态继电器控制加热棒以模拟太阳能热水器的辅助加热功能。实现在设定的时间内智能调整输出功率，使水温在设定时间内达到设定值。

关键词： 太阳能热水器； 模糊控制算法； 输出功率； DS18B20

中图分类号： TN95?34； TP29 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0124?03

0 引 言

由于太阳能强弱随天气和季节变化，因而太阳能热水器需要辅助加热装置才能保证一年四季或全天候使用到热水。目前大多数产品的电辅助加热方式采用开关式或PID控制，但由于太阳能本身是一个时变的复杂非线性变量，太阳能热水器的集热和辅助加热过程无法精确地用数学模型描述，采用传统控制方式有时难以达到满意的效果。近年来发展起来的模糊控制是一种智能的非线性控制方法，在家用电器和其他嵌入式控制系统中取得了很好的控制效果。本文结合太阳能热水器的具体应用，设计了基于单片机的模糊智能控制器。

1 主要硬件设计

本系统以单片机STC89C52RC为控制器，采用DS18B20数字温度传感器测量水温，以DS12C887为系统提供高精度时钟，通过模糊控制算法得到控制量，通过PWM波控制过零继电器方法来控制加热棒的功率，从而控制水温。

1.1 单片机最小系统设计

实验系统采用8051内核的STC89C52RC单片机作为智能控制器。由于系统运算量不大，没有太多的中间数据需要处理、保存，因此不必外扩数据存储器，仅使用STC89C52RC内部RAM和E2PROM完全能够满足要求。STC89C52RC最小系统电路如图1所示。

1.2 温度控制执行器设计

该系统的水温控制执行部分是一个过零固态继电器和加热棒，继电器输入控制端为DC 3～32 V，输出端为AC 5 A/380 V/50～60 Hz，加热棒功率为500～1 000 W。通过控制单片机产生PWM波的占空比控制交流过零继电器的通断频率，从而实现对加热棒的功率控制。

1.3 温度测量部分设计

采用数字温度传感器DS18B20，其抗干扰能力强，并且不必要温度标定，使用单片机分时复用原理与传感器的单总线接口方式即可实现数据通信。DS18B20的硬件电路如图2所示。

1.4 时钟电路设计

为实现热水器24 h供应热水的目的，控制器必须有一个实时时钟来为系统提供准确的基准时间。本系统中采用DS12C887时钟芯片，该芯片采用CMOS技术，把时钟芯片所需的晶振和电池以及相关的电路集成到芯片内部，具有微功耗、外围接口简单、精度高，工作稳定可靠等优点。电路图如图3所示。

2 模糊控制器设计

2.1 模糊控制原理

模糊控制系统结构如图4所示。模糊控制器的输入、输出量都是精确的数值，而模糊控制器采用模糊语言变量和模糊逻辑推理，因此必须将输入变量变换成模糊语言变量，这个过程称为精确量的模糊化；然后进行模糊推理，形成控制策略；最后将控制策略转换为一个精确的控制变量值，即去模糊化，并对输出控制变量进行控制。

2.2 模糊控制器实现

本系统采用二维模糊控制器，以温度误差和误差的变化率作为模糊控制器的输入信号，模糊控制器输出控制量[U，]单片机再根据[U]值确定输出PWM波的占空比；时间设置值也作为控制器的输入信号，用于对占空比进行时间上的优化。

将模糊控制器的输入、输出变量的实际变化范围称为这些变量的基本论域。本系统中的误差[e、]误差的变化率[ec、]控制量[u]的基本论域分别为：[-2，+2]，[-0.2，+0.2]和[0，100%]。

3 结 语

经实验测试，本文所设计的控制算法和硬件电路能够满足设计要求，所构建的系统具有稳态误差小、过渡时间短、成本低、智能化程度高等特点，可作为太阳能热水器生产厂商的产品设计参考。本系统温度静态误差：[T≤]0.1 ℃；温度超调量：[T≤]0.3 ℃。

参考文献

[1] 黄晓林，梁玉红.交流过零触发PWM调功器的算法设计[J].汽车科技，1998（6）：26?30.

[2] 于江涛，王克奇，钟晓伟.模糊控制理论在即热式热水器中的应用[J].电子产品可靠性与环境试验，2011，29（1）：42?45.

[3] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2009.

[4] 张吉礼.模糊?神经网络控制原理与工程应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.

[5] 周润景，徐宏伟，丁莉.单片机电路设计、分析与制作[M].北京：机械工业出版社，2010.

[6] 张敏.基于单片机结合模糊控制的电热水器控制系统设计[J].现代电子技术，2008，31（16）：39?42.

[7] 龚爱平.基于模糊控制的电子水煲的研究与实现[D].广州：广东工业大学，2009.

[8] 贺啟峰.基于模糊PID控制的恒温水浴控制器的研究[D].长春：吉林大学，2011.

[9] 曹辉，何波，刘慧明，等.模糊控制在加热炉温度控制系统中的应用研究[J].现代制造工程，2010（5）：137?140.