基于单片机的水温恒温模糊控制系统设计

摘要：随着电子信息技术的不断发展，电子信息技术对于人们的生产生活都产生了巨大的影响，而且随着电子信息技术向智能化方向发展，人们生活中出现了越来越多的智能电子产品。智能化电子产品主要来源于它的智能控制系统，当前作为智能控制系统核心的为PLC、FPGA以及单片机。文章针对单片机的水温恒温模糊控制系统设计进行了分析。

关键词：单片机；水温恒温；模糊控制系统；智能控制系统；智能电子产品 文献标识码：A

中图分类号：TP273 文章编号：1009-2374（2015）17-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.17.013

单片机作为当前电子产品的主要芯片之一，是当前电子技术人员最为熟悉的电子芯片，单片机又称为微处理器，与处理器不同的是其可裁剪性、可移植性以及针对性都是十分优秀的，当前单片机根据位数分为4位、8位、16位和32位单片机，我相信在不久的将来，将会出现64位单片机，首先根据功能来区分，可分为低端市场的4位、8位和16位单片机，单片机主要是跑裸机程序，也就是不带操作系统的程序，此类单片机可用于做一些简单的控制作用，而针对高端单片机32位单片机又分为控制类单片机和操作类单片机，例如32位的STM32系统单片机主要用于做控制类单片机，一般情况下是直接跑裸机程序，如果是针对复杂的项目则可以运行UCOS、UCOSII和UCOSIII系统的操作系统，在四轴飞行器上所使用的单片机则是运行着UCOSII系统的stm32单片机；操作类的单片机主要用于做一些高端的电子产品，例如智能手机、智能MP5，摄像机等高端智能产品，其结构较为复杂，需要使用嵌入式技术来进行设计。

本文设计的单片机的水温恒温模糊控制系统则需要单片机，但是根据其控制情况而言，使用8位的单片机便足以满足电路的实际需求。

1 电路硬件设计

单片机的水温恒温模糊控制系统设计所使用的主要的芯片便是单片机，编写单片机程序，通过单片机引脚对实际的电路情况进行控制，基于单片机的水温恒温模糊控制系统与传统的水温控制系统而言，其先进性主要在于它的智能控温这一特点，通过单片机的智能控温系统使得热水器能够充分节约电源，这对于节约能源、保护环境、维持发展有重要的意义。

1.1 整体设计

如图1为基于单片机的水温恒温模糊控制系统整体设计图，根据图1可得，单片机为整个电路中的核心芯片，当前众多的电子智能产品中都是采用单片机为整个电路的控制核心，加上其他的外围电路来实现自己想要的功能，基于单片机的水温恒温模糊控制系统使用的是最为普遍的8位单片机51单片AT89C51，AT89C51单片机共有40个引脚，4个IO端口（P0、P1、P2和P3），其中AT89C51单片机的P3端口具有第二功能可作为其他作用使用，其他控制功能使用单片机的P0～P23个端口就足够了（P0端口需要外接上拉电阻，其他端口自带有）。从图1中可得基于单片机的水温恒温模糊控制系统主要是分为温度采集电路、预置电路、电源、单片机、液晶显示电路、控制电路以及加热器，通过软件编程对实际电路进行控制。

1.2 温度采集电路

设计将温度检测单元作为热水器的开关并在左侧、右侧和底部分别安装一个加热片，这样可以提高温度检测的准确性。避免加热不均所带来的温度检测误差，使用的温度采集装置为DS18B20温度传感器，DS18B20传感器体积小、灵敏性高、成本低，能够满足单片机的水温恒温模糊控制系统实际的温度采集需求，通过采集DS18B20传感器引脚的电平变化，可以测出实际的DS18B20传感器温度系数，根据公式可以计算出实际的温度，温度误差与实际单片机控制有关，通常的单片机程序都能将温度误差控制在0.5℃以内，根据系统实际的灵敏度的需求，需要根据实际要求设计程序算法来减少温度误差，需要注意的是DS18B20传感器的最高温度最好不要超过150℃，否则容易将传感器损坏，导致传感器灵敏性降低。

1.3 预制电路

主要是单片机的一些工作电路以及整个电路的稳定、安全的保护电路。

1.4 电源电路

水温恒温模糊控制系统中单片机使用的电源电压为5V，所以电路需要将220V、50Hz的电路转为5V直流电压，如果超过5V电压容易损坏单片机和其他电路，所以单片机的水温恒温模糊控制系统的电源是一个稳压的5V电源，并且在电路中还需要设计电路保护系统，其作用主要是用于电流过载保护，主要使用钽电容来实现。

1.5 显示电路与按键

单片机的水温恒温模糊控制系统所使用的显示电路为12864液晶显示屏，显示电路主要是动态显示实际的水温值，至于显示的灵敏度则需要根据实际的单片机程序来决定，显示的温度范围0℃～100℃，此外还设有按键电路来对水温值进行设置，用户可以根据自己的实际需要来设置水温的大小，按键主要是4*4的矩阵键盘，可以通过键盘上的0～9数字以及确定、取消按键进行实际电路控制。

1.6 控制电路和加热器

加热器采用有加热功能的加热棒，而控制电路的作用对象便是加热棒，所以控制电路需要使用ADC数模装换芯片将单片机的数字信号转变实际的模拟信号，在对实际控制电路进行控制，进而实现对加热棒的控制，控制电路等同于一个开关，单片机通过DS18B20传感器所采集的数据进行处理，之后再通过控制电路判断是打开加热棒还是关闭加热棒。

2 电路软件设计

单片机的水温恒温模糊控制系统的软件设计主要是针对单片机的控制程序设计，在单片机的水温恒温模糊控制系统程序中主要涉及到了一个模糊算法的概念。一般单片机设计主要是需要建立精确数学模型来设计算法，而模糊算法便是针对一些难以确保其实际情况参数确定的数学算法，众所周知温度是动态的，而单片机控制系统是十分精确的，所以模糊算法对单片机引脚所有采集的数据进行分析，而得到一种实际的精确数值的算法。假设不通过模糊控制器这一环节，如果当前这种算法还是存在一定的误差，就需要提高单片机的控制精度，改进算法或者是重新设计算法，这显然是大大超出了实际的成本价值。所以在单片机的水温恒温模糊控制系统中采用模糊算法来编写单片机程序，进而达到系统实际的自动控制效果。

模糊算法主要用于单片机的水温恒温模糊控制系统的温度采集以及控制分析中，而用户通过键盘所设定的温度则是模糊算法的运行电路控制标准，对于用户温度输入值则是通过单片机自身的数据处理功能来实现，需要编写键盘控制程序对键盘输入数据进行处理，之后再通过模糊算法进行控制，进而达到系统的恒温自动控制的目的。

3 结语

综上所述，通过对单片机的水温恒温模糊控制系统的硬件电路和单片机软件程序的设计进行全面的分析，我们对于电路整体设计以及运行情况都能一目了然，但是在实际电路运行中还需要考虑实际电路环境对于电路的影响，以及系统的稳定性情况。单片机的水温恒温模糊控制系统所面临的对象是水，所以整个系统电路需要做好防水措施，同时还需要注意实际温度对电路的稳定性的影响，以保证单片机的水温恒温模糊控制系统能够稳定的运行，所以针对单片机的水温恒温模糊控制系统设计，除了需要重视电路本身的功能之外，还需要注意外接环境对于电路稳定的影响，这样设计出来的产品才能算是一个合格的产品。

参考文献

[1] 黎惠成，曾碧，吴清泉，等.一种基于模糊控制的温度控制系统设计[J].计算机技术与发展，2009，（19）.

[2] 于光普，黎东升，尤传富.智能水温控制系统的设计与实现[J].长春工业大学学报，2011，（32）.

[3] 张小娟.一种基于模糊控制的温度控制系统设计[J].仪表技术与传感器，2010，（11）.

作者简介：张丰（1982-），女，辽宁锦州人，供职于黑龙江省绥化学院，硕士，研究方向：控制理论及其应用。

（责任编辑：周 琼）