CN107091534A - 一种太阳能热水器模糊控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能热水器模糊控制装置，属于机械工程技术领域。本发明控制装置由单片机操纵，通过可靠的传感信号，模仿人脑的处理过程,建立系统的模糊控制规则；利用廉价的数字单片机和模糊控制推理法设计软件,以替代昂贵的模糊单片机；利用液晶显示器对采集到的温度数据进行实时的监测；本发明采用模糊控制对电加热进行控制，免去人工操作，防止过烧节省电能，方便用户；采用连续液位显示，对水位的检测更为准确，便于单片机执行低水压上水，温控上水。

Description

一种太阳能热水器模糊控制装置

技术领域

本发明公开了一种太阳能热水器模糊控制装置，属于机械工程控制领域。

背景技术

近几年来，市场上陆续出现了一些太阳能热水器的控制，但是大多数控制器都有许多问题。比如稳定性不强；温度，水位检测，控制误差大；显示器有时乱码，并且与电辅助加热装置不能很好地配合；太阳能利用率低，特别是在调节水温时需凭借感觉调节流量，造成很大的资源浪费，影响用户的使用。太阳能热水器系统虽然有着广阔的发展前途，但现有的技术研究和产品开发投入较少，且现有的系统大多运用的模拟器控制，模拟量参数容易受现场环境的干扰，至少系统的生产精度低，可靠性差。

采用基于单片机的模糊控制系统能够回避复杂的被控对象，对被控对象进行自动化控制，其优点有：可以接受数字量，模拟板和开关板；可以输出数字量，模拟量和开关量；模糊化和反模糊化方便。尽管它有很多优点，模糊单片机NLX230的造价却非常昂贵，所以发明了一种太阳能热水器模糊控制装置。该装置以PLC为控制器,模糊控制理论做为控制核心的PLC模糊温度控制系统,用来控制太阳能热水器的加热时间。由单片机操纵,通过可靠的传感信号,模仿人脑的处理过程,建立系统的模糊控制规则,用廉价的数字单片机和模糊控制推理法设计软件,以替代昂贵的模糊单片机，在满足用户要求的前提下尽可能的节省电能和简化操作。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，以及为了克服现有技术太昂贵的缺点，提出了一种太阳能热水器模糊控制装置。

本发明通过单片机来实现模糊控制，控制仪需依次完成以下功能：首先，把系统的偏差从数字量转化为模糊量(模糊化过程、数据库两块完成)。

然后，对模糊量由给定的规则进行模糊推理(规则库、推理决策去完成)，模糊控制能模仿人类对事情进行的思维和推理，模糊推理包含各种模糊关系和推理的原则等要素。

最后把推理结果的模糊输出量转化为实际系统能够接受的精确数字量或模拟量。

本发明的技术方案是这样的，一种太阳能热水器模糊控制装置，包括：

液晶显示，所述液晶显示用于对太阳能热水器的参数数据进行显示和管理；

与所述液晶显示相连的单片机，所述单片机用于智能控制太阳能热水器；

连接所述单片机的温度传感器模块，所述温度传感器采用DS18B20数字温度传感器对水温进行采样，无需进行AD转换。将采集的值直接送入单片机进行处理。

连接所述单片机的驱动器利用继电器的常开触点实现水箱的辅助加热，以及控制电磁阀实现上水操作；

连接单片机的时钟芯片，它能为系统提供准确的基准时间；

连接单片机的液晶显示器选用了1602液晶显示器，可方便的用来实时显示时间，水温与水位。1602，是指显示的内容为16*2，即可以显示2行，每行16个字符。

连接所述单片机的水位传感器，所述水位传感器用于检测并采集储水箱的水位信号。

进一步地，所述单片机选用ATMEL公司生产的AT89S52系列的单片机。

进一步地，所述单片机的温度传感器采用DS18B20数字温度传感器对水温进行采样，无需进行AD转换。它具有体积小,分辨率高,转换快等优点。水箱温度检测部分是实现温度智能控制的重要环节，只有准确地检测出温度，才能通过软件实现辅助加热。

进一步地，连接所述单片机的水位传感器，本文采用了压力传感器来检测水位。将水位的检测转化为水量的检测，利用其相应变化的压力值，通过传感器自身的集成电路的处理，就可以输出方波频率，通过软件的处理用液晶显示来反应水箱中水位的高低。

还可以根据水位的高低变化从而自动控制水箱的进水及温度等一系列操作。压力传感器它反应的水位是连续无级变化的。本发明采用连续液位显示，对水位的检测更为准确，便于单片机执行低水压上水，温控上水。

进一步地，所述模糊控制仪的软件设计包括主程序，液晶显示子程序，系统初始化子程序，模糊计算子程序，键盘扫描子程序，低水压上水子程序，定温上水子程序。

程序，系统主程序主要完成一些初始化功能，温度和水位的检测并显示，查询低水压上水，定温上水以及进行辅助加热时间预算，最后进入扫描按键的循环。

模糊计算子程序，本文采用了查表方法进行提前辅助加热量预算。查表程序采用对分查表法，既节省机时又无需太多要求。为了使显示和控制都更精确，表格分得越细越好，这需要在实验测量时采集更多的数据。

进一步的，太阳能热水器模糊控制装置采用压缩机使水温保持合适的温度。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明根据温度控制的稳定性、节能性等要求，将模糊控制应用于太阳能控制系统中，提高系统的控制性能以及造价昂贵的问题；同时采用液晶显示，用户可以直接在液晶显示上对采集到的温度数据进行实时的监测和控制。本发明控制装置由单片机操纵，通过可靠的传感信号,模仿人脑的处理过程,建立系统的模糊控制规则；利用廉价的数字单片机和模糊控制推理法设计软件,以替代昂贵的模糊单片机；利用液晶显示器对采集到的温度数据进行实时的监测；本发明采用模糊控制对电加热进行控制，免去人工操作，防止过烧节省电能，方便用户；采用连续液位显示，对水位的检测更为准确，便于单片机执行低水压上水，温控上水。

附图说明

图1为本发明太阳能热水器模糊控制装置的控制电路框图；

图2为本发明太阳能热水器模糊控制装置的软件设计主程序图；

图3为本发明太阳能热水器模糊控制装置的模糊计算子程序软件设计图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例属于本发明保护的范围。

图1为本发明太阳能热水器模糊控制装置的控制电路框图。所述液晶显示用于对太阳能热水器的参数数据进行显示和管理；所述单片机用于智能控制太阳能热水器；连接所述单片机的温度传感器，采用DS18B20数字温度传感器对水温进行采样，无需进行AD转换。将采集的值直接送入单片机进行处理。

连接所述单片机的驱动器利用继电器的常开触点实现水箱的辅助加热，以及控制电磁阀实现上水操作；

连接单片机的时钟芯片，它能为系统提供准确的基准时间；

连接单片机的液晶显示器选用了1602液晶显示器，可方便的用来实时显示时间，水温与水位。

连接所述单片机的水位传感器，用于检测并采集储水箱的水位信号，采用了压力传感器来检测水位。

所述模糊控制仪的软件设计包括主程序，液晶显示子程序，系统初始化子程序，模糊计算子程序，键盘扫描子程序，低水压上水子程序，定温上水子程序。

图2为本发明太阳能热水器模糊控制装置的软件设计主程序图,系统主程序主要完成一些初始化功能，温度和水位的检测并显示，查询低水压上水，定温上水以及进行辅助加热时间预算，最后进入扫描按键的循环。

图3为本发明太阳能热水器模糊控制装置的模糊计算子程序软件设计图，采用了查表方法进行提前辅助加热量预算。查表程序采用对分查表法，既节省机时又无需太多要求。为了使显示和控制都更精确，表格分得越细越好，这需要在实验测量时采集更多的数据。

本发明以单片机AT89S52芯片作为核心元件，与液晶显示等构成一种太阳能热水器模糊控制装置，利用单片机的电源电路、时钟电路、显示电路组成该系统。具有实时显示热水器各种工作状态的特点。同时在各个关键环节上安装了传感器：一是温度传感器，用于检测并采集储水箱水温、太阳能集热管进出口温度等模拟信号；二是水位传感器，检测并采集储水箱水位模拟信号。

本发明通过单片机来实现模糊控制。该装置以PLC为控制器,模糊控制理论做为控制核心的PLC模糊温度控制系统,用来控制太阳能热水器的加热时间，使水温保持合适的温度。水位不需要模糊控制，本文采用了压力传感器来检测水位，将水位的检测转化为水量的检测，利用其相应变化的压力值，通过传感器自身的集成电路的处理，就可以输出方波频率，用液晶显示来反应水箱中水位的高低。

低水压上水，水压低时也可正常启动，当水压为0.02Mpa，但水流量≥3L/min时才可正常启动。定温上水：高于设定温度2℃时上水自动开，掺水降温。当低于设定温度2℃时自动关上水。

太阳能热水器模糊控制装置采用压缩机使水温保持合适的温度。根据温度传感器所测得水温来调节压缩机的工作时间，使水温保持合适的温度。

本发明通过单片机来实现模糊控制，控制仪需依次完成以下功能：首先，把系统的偏差从数字量转化为模糊量(模糊化过程、数据库两块完成)，然后，对模糊量由给定的规则进行模糊推理(规则库、推理决策去完成)，最后把推理结果的模糊输出量转化为实际系统能够接受的精确数字量或模拟量。

模糊控制器的设计：

假设实时检测的水箱温度为T1-T2摄氏度，太阳能热水器的设定温度范围为T3-T4摄氏度。根据温度传感器所测得水温来调节压缩机的工作时间，使水温保持合适的温度。模糊控制器的设计步骤如下：

1选取模糊控制器

选择实时检测的水箱温度y与设定温度y_s的差值e，e＝y-y_s,e∈x₁＝[T3-T1,T4-T1]，及该差值随时间的变化率ec，为模糊控制器的输入变量，输出为电加热的开启时间t，t∈T＝[0,60](min)。构成一个双输入单输出系统。

2选取合适的模糊子集进行模糊化

选定误差e的模糊论域为E＝{0,1,2,3,4,5,6}，则e的量化因子为所对应的语言值为0，PS，PM，PB。求得e的隶属表如表1所示。

表1

选定ec的模糊论域为EC＝{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，则ec的量化因子为所对应的语言值为NB,NM,NS,0，PS，PM，PB。求得ec的隶属表如表2所示。

表2

设t的模糊论域为T＝[0,60]。所对应的语言值为0(不工作)，S(时间短)，M(时间中等)，L(时间长)。其隶属函数为μ₀(t₁)；

3建立模糊规则表

对于双输入单输出结构来说，模糊规则表是展现完整的模糊规则库的一种非常便捷的方式，其原则为规则数采取尽量简练的数目。根据此原则以及模糊集合得到下表的规则表:

表3 模糊规则控制表

4模糊推理

上表中模糊蕴含关系合成的模糊推理规则为：

例如，输入量e＝3,ec＝-4时，从表1中可以看出，e＝3映射到PS和PM两个模糊子集上；从表2中可以看出，e＝-4映射到NB和NM、NS三个模糊子集上。通过查询表3可以得出输入量激活的模糊规则，比如:

(1)if E＝PS and EC＝NB then T＝0

(2)if E＝PS and EC＝NM then T＝0

(3)if E＝PS and EC＝NS then T＝0

(4)if E＝PM and EC＝NB then T＝S

(5)if E＝PM and EC＝NM then T＝S

(6)if E＝PM and EC＝NS then T＝S

然后通过蕴含关系计算每条规则的输出量T_i(t)＝(i＝1,2...,6)

比如T₁(t)＝0.7∧0.4∧μ₀(t)，T₂(t)＝0.7∧1∧μ₀(t)等6个。

当e＝3,ec＝-4时，相应的输出时间是上面6条规则蕴含关系的并，即

T(t)＝T₁(t)∪T₂(t)∪T₃(t)∪T₄(t)∪T₅(t)∪T₆(t)

5去模糊化

从上面计算可以得出，通过模糊规则推理得到的输出是一个模糊子集，是一个不规则的形状，选用最大隶属法去模糊化。

比如输出时间t对应的最大隶属度为k，其相应的时间段为[0,t₁]，其中k＝μ₀(t₁)，解得t₁。对[0,t₁]根据最大隶属度法求出最终输出t。

本发明抗干扰能力强，能抗来自电源、外界及自身的干扰，不会因干扰出现死机和误动作。

以上所述是本发明的优选实施方式。

Claims (7)

1.一种太阳能热水器模糊控制装置，其特征在于：

液晶显示器，用于对太阳能热水器的工作时间、水温、水位参数数据进行显示和管理；

与所述液晶显示器相连的单片机，单片机内设有模糊温度控制模块；

与所述单片机相连接的温度传感器，用于检测并采集储水箱水温、太阳能集热管进出口温度；

与所述单片机相连接的水位传感器，用于检测并采集储水箱的水位信号；

与所述单片机相连接的第一驱动器、第二驱动器，第一驱动通过继电器连接所述热水器水箱内的电加热装置，第二驱动连接电磁阀，利用继电器的常开触点实现储水箱的电辅助加热，控制电磁阀实现上水操作；

与所述单片机相连接的时钟芯片。

2.根据权利要求1所述的太阳能热水器模糊控制装置，其特征在于，所述单片机的温度传感器采用DS18B20数字温度传感器。

3.根据权利要求1所述的太阳能热水器模糊控制装置，其特征在于，所述单片机选用ATMEL公司生产的AT89S52系列的单片机。

4.根据权利要求1所述的太阳能热水器模糊控制装置，其特征在于，所述液晶显示器选用1602液晶显示器，1602液晶显示器显示2行，每行16个字符。

5.根据权利要求1所述的太阳能热水器模糊控制装置，其特征在于，所述水位传感器为压力传感器。

6.根据权利要求1所述的太阳能热水器模糊控制装置，其特征在于，所述时钟芯片型号为DS1302。

7.根据权利要求1所述的太阳能热水器模糊控制装置，其特征在于，所述模糊温度控制模块的工作过程为：首先，把温度的偏差从数字量转化为模糊量，然后，对模糊量由给定的规则进行模糊推理；最后，把推理结果的模糊输出量转化为系统能够接受的精确数字量或模拟量；具体包括以下步骤:

假设实时检测的水箱温度为T1-T2摄氏度，太阳能热水器的设定温度范围为T3-T4摄氏度；模糊控制器的设计步骤如下：

1选取模糊控制器

选择实时检测的水箱温度y与设定温度y_s的差值e，e＝y-y_s,e∈x₁＝[T3-T1,T4-T1]，及该差值随时间的变化率ec，为模糊控制器的输入变量，输出为电加热的开启时间t，t∈T＝[0,60](min)，构成一个双输入单输出系统；

2选取合适的模糊子集进行模糊化

选定误差e的模糊论域为E＝{0,1,2,3,4,5,6}，则e的量化因子为所对应的语言值为0，PS，PM，PB；求得e的隶属表如表1所示：

表1

选定ec的模糊论域为EC＝{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，则ec的量化因子为所对应的语言值为NB,NM,NS,0，PS，PM，PB；求得ec的隶属表如表2所示：

表2

设t的模糊论域为T＝[0,60]；所对应的语言值为0(不工作)，S(时间短)，M(时间中等)，L(时间长)，其隶属函数为μ₀(t₁)；

3建立模糊规则表

对于双输入单输出结构来说，模糊规则表是展现完整的模糊规则库的一种非常便捷的方式，其原则为规则数采取尽量简练的数目；根据此原则以及模糊集合得到下表的规则表:

表3 模糊规则控制表

4模糊推理

上表中模糊蕴含关系合成的模糊推理规则为：

输入量e＝3,ec＝-4时，从表1中看出，e＝3映射到PS和PM两个模糊子集上；

从表2中可以看出，e＝-4映射到NB和NM、NS三个模糊子集上；

通过查询表3得出输入量激活的模糊规则:

(1)if E＝PS and EC＝NB then T＝0

(2)if E＝PS and EC＝NM then T＝0

(3)if E＝PS and EC＝NS then T＝0

(4)if E＝PM and EC＝NB then T＝S

(5)if E＝PM and EC＝NM then T＝S

(6)if E＝PM and EC＝NS then T＝S

然后通过蕴含关系计算每条规则的输出量T_i(t)＝(i＝1,2...,6)

比如T₁(t)＝0.7∧0.4∧μ₀(t)，T₂(t)＝0.7∧1∧μ₀(t)等6个；

当e＝3,ec＝-4时，相应的输出时间是上面6条规则蕴含关系的并，即

T(t)＝T₁(t)∪T₂(t)∪T₃(t)∪T₄(t)∪T₅(t)∪T₆(t)

5去模糊化

通过模糊规则推理得到的输出是一个模糊子集，是一个不规则的形状，选用最大隶属法去模糊化；输出时间t对应的最大隶属度为k，其相应的时间段为[0,t₁]，其中k＝μ₀(t₁)，解得t₁；对[0,t₁]根据最大隶属度法求出最终输出t。