毕业设计（论文）-基于单片机的燃气热水器控制器设计.doc

摘 要 随着社会的不断进步发展，人们对燃气热水器的要求越来越高。而现今大多数热水 器还是处于手动调温阶段，热水温度不能实时显示，水量和气量不能实时显示和控制， 洗浴过程中调温困难等等情况。 根据以上情况，设计了合理的燃气热水器恒温控制系统结构：采用 8 位单片机 89S51 和 DS18B20 温度传感器构成温度采集系统的方案，较之采用 16 位的单片机和热 敏电阻加 A/D 转换器的温度采集系统具有较高的性价比；单片机根据温度传感器采集 到的数据，经过程序处理，发送数据指令给 0832，通过 DAC0832 数模转换输出不同 的电流来控制燃气比例阀的开度，达到控制火力的大小，实现温度的自动控制；为了 提高温度控制精度，采用数字 PID 程序控制，可实现温度的连续可调，用液晶显示器 LCD1602 显示出水温度；为加强系统的安全性能，设计中还加入了看门狗和声光报警 电路；最后，制作出了工程样板并进行硬件模拟调试。 实际调试结果显示硬件设计基本达到了要求的技术指标，对比分析可知此设备具有 良好的应用前景。 关键词：单片机；温度转换； DS18B20 ；DAC0832 ABSTRACT With the continuous progress and development, people are increasingly demanding gas water heater. And now most of the water heater thermostat stage or in the manual, hot water temperature can not be real-time display, water and gas can not be real-time display and control the process bath thermostat, etc. difficult situation. According to the above, the design of a reasonable gas water heater temperature control system architecture: 8-bit microcontroller 89S51 and temperature sensor DS18B20 programs constitute the temperature acquisition system, compared with 16-bit microcontroller and the thermistor plus A / D converter temperature acquisition system has a high price; Microcontroller according to the temperature sensor to the data, after procedures to send commands to the 0832 data, through the DAC0832 digital-analog converter output current to control the different gas proportional valve opening, to control the size of firepower to achieve automatic temperature control; To improve the accuracy of temperature control, digital PID process control, enabling the temperature of the continuously adjustable, LCD1602 display with water temperature; To enhance the safety performance of the system, the design watchdog also added sound and light alarm circuit; Finally, the project produced a simulation model and hardware debugging. The results showed that the actual hardware design debug basically reached the requirements of the technical indicators, comparative analysis shows that this device has a good prospect. Keywords: microcontroller; temperature conversion; DS18B20; DAC0832 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 页页 目 录 1 绪论.1 1.1 选题的意义.1 1.1.1 燃气热水器简介.1 1.1.2 燃气热水器的发展趋势.2 1.1.3 现有燃气热水器温度调节方案及不足.3 2 燃气热水器方案设计.4 2.1 设计要求及系统设计要点.4 2.1.1 设计要求.4 2.1.2 系统设计要点.5 2.2 方案设计.6 2.3 系统性能指标.8 3 热水器控制器系统分析.9 3.1 燃气热水器的系统组成与工作原理.9 3.2 燃气热水器的数字 PID 温度控制.10 3.2.1 PID 算法控制的实现.10 3.2.2 PID 控制器的参数整定.13 4 燃气热水器系统的硬件设计.14 4.1 元器件的选择.14 4.1.1 单片机的选择.14 4.1.2 显示器件的选择.15 4.1.3 数字温度传感器的选择.18 4.1.4 D/A 数模转换的选择.20 4.1.5 比例阀的选择.22 4.1.6 风机的选择.24 4.1.7 水汽联动装置的选择.24 4.1.8 变压器的选择.26 4.2 硬件电路的设计.26 4.2.1 主控制电路的设计.26 4.2.2 键盘输入电路的设计.27 4.2.3 声光报警电路的设计.28 4.2.4 温度检测电路的设计.28 4.2.5 液晶显示电路的设计.28 4.2.6 电流控制电路的设计.29 4.2.7 系统的安全性研究.29 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第I页页 5 系统软件设计.32 5.1 主程序流程图.32 5.2 测温程序流程图.34 5.3 数字 PID 控制器的实现.35 6 系统的设计.35 6.1 软件的调试 .35 6.2 硬件的调试 .36 6.2.1 检测元器件.36 6.2.2 检测各个引脚信号.36 7 总结和体会.37 谢 辞.38 参考文献：.39 附录一.40 附录二.41 附录三.42 附录四.43 附录五（程序）：.44 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第0页页 共共49页页 1 绪论绪论 1.1 选题的意义选题的意义 1.1.1 燃气热水器简介 所谓燃气热水器就是指以气体燃料燃烧为热源的热水器的统称，是一种小 型的热力设备。它的工作原理大体是这样：燃气在燃烧室内完全燃烧，产生高 温烟气。高温烟气流经换热器，把换热器中的冷水加热为所需的卫生热水。燃 气热水器有这些分类方式，按使用气种可以分为使用天然气、人工煤气和液化 石油气 3 种。按结构可分为容积式和直流式。按给排气方式可分为：直排式、 烟道式、平衡式、强排式、强制给排气式等。 相对于其它类型热水器而言，燃气热水器具有这样一些优势：不需预热； 节能；不结垢、寿命长；使用成本低；款式超薄纤细，外观时尚。 第一台燃气热水器诞生已经超过了 100 年。而燃气热水器技术的发展主 要是二战之后 50 多年的时间内完成的。我国的燃气热水器生产也有近 30 年 的历史。燃气热水器的发展迄今为止经历了三个阶段： （1）以实现简单功能为目的的第一阶段：作为第一阶段代表的燃气热水 器是热水流量为 5L/min 的小型热水器。采用压电陶瓷点火方式，小火先着， 水气联动控制阀、控制点火，互相独立的气、水调节阀门，热电偶式的熄火保 护装置。这种类型的热水器具有初步的安全性保证，满足基本功能，操作也不 复杂，但很快显现出的问题在于：点火装置的可靠性与寿命；熄火保护装置的 寿命；操作的相对烦琐。特别是热电偶式熄火保护装置在点火初期的时间延迟 操作，令使用者倍感不便。因此，这一阶段的后期，热水器在此基础上做了一 些更新：点火装置由压电陶瓷变为电脉冲式，引入了内置电源，同时取消了熄 火保护装置，水气联动阀是热水器上唯一的安全装置。 （2）以完善使用特性为目的的第二阶段：自吸阀的引入是对完善使用特性 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第1页页 共共49页页 的重要贡献，而以水驱式自动点火作为主要特征，这一进步使燃气热水器的技 术品质有了一个质的飞跃。虽然这种类型的热水器仍然由电脉冲点火装置、水 气联动阀、自吸阀、独立的水气调节装置构成，但其使用性能有了很大的 提高，表现为：操作极为方便，使用更为安全。一开水点火便自动进行，在一 般情况下，热水器安装在浴室外成为可能，这使燃气热水器使用的安全隐患大 大减低。自吸阀灵敏的熄火保护特性，使热水器非燃烧状态的燃气泄漏现象几 乎不会出现。有别于自吸阀的一些安全装置也有出现，目前采用自吸阀的燃气 热水器依然是市场的主流。此外，热水器的大流量化进一步兴起，出水量超过 8L/min 的品种增加，市场进一步扩大。 （3）以追求高品质为目的的第三阶段，目前正处在第三阶段的兴盛期， 亦是竞争最激烈的时期。从事热水器研究与生产的业内人士，同时在追求燃气 热水器的更高品质。这主要表现在先进控制技术的引入，目的是解决燃气热水 器使用中仍然存在的主要矛盾：出水温度调节给使用者带来的问题，水温度的 调产品，线控热水器、恒温热水器、智能型热水器亦有出现。同时，在安全节 范围不能满足其使用要求，尽管这种感觉是错误的，只是由于调节过程的复杂 性以及使用者对于调节过程的理解障碍所导致，但为解决这一问题，似乎能用 热水器本身提供的装置自动解决更为合适。这便是追求热水器更高品质的原因。 作为特征性保障方面，缺氧保护装置、防止不完全燃烧装置的使用更是使燃气 热水器的综合性能有了极大的提高。 1.1.2 燃气热水器的发展趋势 随着社会生产力的发展以及人们生活水平的提高，燃气热水器也在不断更 新、发展，以满足人们对较高生活品质的追求。而今燃气热水器正朝着以下这 些方向发展： （1）安全性能不断完善 燃气热水器对人体的安全威胁主要是燃烧所产生的烟气。随着排气方式不 断地改革，热水器的安全使用已基本得到解决。而安全问题在燃气热水器开发 过程中始终是处于重要的位置。 （2）舒适性的提高 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第2页页 共共49页页 燃气热水器使用的舒适性便是人们关心的重要问题。作为淋浴用热水器要 实现舒适沐浴有两个基本要求：一是水温，二是水量。为提高使用舒适性，国 内正在研究的课题有：a）扩大热水器的负荷调节比，要求不小于 20100（即冬夏型功能），国外热水器负荷调节均在 30100；b） 发展良好恒温性能的智能化热水器，满足使用过程中水温波动在设定值1范 围内；c）实现低的水流阻力，大的水量并维持使用过程中水量相对稳定且不低 于 7L/min； d）热水器低的运行噪音，希望维持在 5060 分贝；e）快速加 热功能，减少开始使用或关机后重新启动时的冷水量；f）快速水温恒定功能， 以避免淋浴水时冷时热现象。 （3）更加环保 我国燃气热水器标准中现在除规定了对排烟 CO 含量的限制外，即限制 燃烧不完全程度，还对排烟 NOx 含量作了要求。 （4）向更为节能的方向发展 发达国家对燃气热水器提出低污染环保要求的同时也提出进一步节能的要 求，即鼓励支持高效低污染燃气热水器的研制。节能的深远意义不仅是节约开 支而是国民经济可持续发展的要求。 （5）功能的多元化 从单一淋浴发展为多功能的热水器：a）供暖/淋浴两用；b）制冷（空调） /淋浴两用；c）其它多功能多用途的热水器。燃气热水器虽然容量小，但分布 量大面广，其发展和社会的千家万户有着密切的关系。目前燃气热水器正在向 着大容量、高效节能和减少环境污染的方向发展，其发展目标主要包括燃烧系 统高效率低污染的自动控制燃烧和热交换部件传热效率的提高、公众安全性以 及满足现代生活的舒适感。 1.1.3 现有燃气热水器温度调节方案及不足 目前市场上燃气热水器产品的温度控制基本上采取两种方案： （1）机械旋钮式： 热水器的温度调节是通过机械式旋钮实现的，有火力调节旋钮和水量调节 旋钮共同控制。火力调节旋钮按标识调小时，热水温度降低；调大时，热水温 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第3页页 共共49页页 度升高。水量调节旋钮按标识调小时，水流量减少，热水温度升高；调大时， 水流量增大，热水温度降低。用户可以调节合适的热水温度（推荐沐浴温度范 围为 3842）洗浴。 （2）数字式 这种方式下，水温的调节是通过数字控制实现的，当需要出水温度升高时， 则微电脑控制比例阀开大，燃气压力升高，水温升高；反之，则比例阀开小， 水温降低。 在实际生活中，我们发现绝大多数的中、低档产品都采用机械旋钮式方案， 而这些产品恰恰式市场的主流。但是，此类热水器还存在许多不尽如人意的地 方，因为该类燃气热水器使用的是煤气和氧气进行燃烧产生热量，需要安装在 室外通风良好的地方，否则氧气不足会造成煤气不完全燃烧而产生一氧化碳对 人的生命构成威胁，而对热水器的控制调节都在机体上 ，以致洗浴时需要预先 调节好水温，有时候遇到水压不正常就造成水温浮动不定，使洗浴者又要出来 调节水温，这样不仅浪费水和燃气，而且给洗浴者带来极大不便。 基于以上考虑，本方案拟设计一个基于单片机控制的燃气热水器水温自动 调节系统，即通过室内的控制器，输入预定温度，由执行机构自动快速地调节 到预定温度，以解决上述问题。 2 燃气热水器方案设计燃气热水器方案设计 2.1 设计要求及系统设计要点设计要求及系统设计要点 2.1.1 设计要求 进行市场调查，了解燃气热水器的最新发展和用户使用需求。 收集、消化 有关燃气热水器及其控制器的资料。 设计出燃气热水器的单片机控制器，要求 功能齐备，使用方便，经济实用，安全可靠。 1. 控制器应具有以下功能：水温的自动控制和显示；完善的安全保护措施。 2.水温：2090可调。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第4页页 共共49页页 3.电源：AC 220V 或电池 本课题是制作一款基于单片机控制的燃气热水器控制器系统，使燃气热水器 按人们的需求能快速、稳定的达到人们所需求的温度，以体现燃气热水器比一般 热水器所具有的优势。要求温度传感器及转换电路，水温设定与自动调节电路， 单片机输入输出接口电路以及显示模块的设计。其中的难点是实现 PID 控制温度。 2.1.2 系统设计要点 燃气热水器控制器的设计主要考虑的要点是安全性、舒适性、操作方便性 以及成本等因素。这些要点尤其是对控制器的应用软件设计提出了较强约束和 严格要求。 （1）安全性：安全性是整个系统设计首先需要考虑的问题，虽然燃气热水 器发展到今天可以认为基本解决了安全性的问题，但是诸如燃气泄漏、烟气泄 漏、水温偏高导致烫伤等安全事故还是偶有发生，所以保证系统运行安全可靠 是控制器设计的基本要求。 安全性设计首先要解决的问题就是避免燃气泄漏和 烟气泄漏，要保证做到燃气热水器工作于燃烧状态时烟道畅通；要严格控制燃 气阀的开闭；要做到控制器意外死机后燃气阀能及时关闭等。其次要解决的安 全性设计问题是避免生活水和采暖水水温偏高，要保证水温过高时控制器中断 加热或停机报警。 （2）舒适性：舒适性即洗浴的舒适性，也就是要求对生活水出水温度进行 良好的控制。温度控制是控制器设计的最重要的任务，控制器设计是否成功关 键就是看它对出水温度的控制效果。 参照普通燃气热水器的标准，燃气热水器生活水温度控制的指标如下： a） 控温精度：热水器的实际出水温度达到稳态后与设定出水温度相比较， 其稳态误差不大于1。 b） 初始加热时间和超调量：按 GB6932-94 之规定，在标准测试条件下， 将燃气热水器的进水量调至额定水流量，设定出水温度为进水温度加上 20 ， 燃气热水器从冷机开始起动加热并将水加热至设定温度的时间不大于 20 秒， 且燃气热水器的出水温度的超调不大于 3。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第5页页 共共49页页 c） 进水量变化时的超调：按 GB6932-94 之规定，在标准测试条件下， 将燃气热水器的进水量调至额定水流量，在燃气热水器的出水温度达到稳定后， 将燃气热水器的进水量瞬时变化20%时，燃气热水器出水温度的超调不大于 3 ；将燃气热水器的进水量瞬时下调 50%时，燃气热水器出水温度的超调 不大于 8。 从指标可以看出，对生活水温控制的“稳、快、准”要求较高。另外为了 保证舒适性，在进水量不同的情况下也要求对生活水温度进行良好的控制，也 就是要求控制器的鲁棒性要强。 （3）操作方便性：控制器对使用者是不可见的，他只有通过控制器的人机 接口将指令传达给系统。操作的方便性就是力求设计简便的流程来实现使用者 设置工作方式、设置洗浴、采暖温度等操作，以达到双功能燃气热水器使用方 便快捷的目的。 （4）成本：燃气热水器最终是要形成产品，进入千家万户使用。而成本是 一个产品必须考虑的，尽可能在满足各方面要求的前提下降低成本是厂家追求 的。作为整个产品的一部分，控制器也必须尽量压低成本，尽量做到用较小。 （5）功能要求：控制器的设计要体现出产品的智能化，除了要实现生活水 出水温度控制以外，它还要具有如下功能：提供人机交互用户可以设置出 水温度；故障报警等等。 2.2 方案设计方案设计 方案设计的总体思路如下：首先通过键盘设定一个温度值，然后通过温 度传感器采集温度，与设定的温度进行比较，如果温度小于设定值，燃气热水器 比例阀开度加大，燃烧室煤气浓度增加，燃烧室火力变大，水温升高，当水温达 到设定值时，则停止调节比例阀，保持当前设定值，设定的温度和水温通过 LCD1602 显示出来。当水温高于某临界温度（如 70）时，报警器发出报警，同 时燃气热水器停止工作。所以可以得出电路以单片机为核心，包括温度设定按键 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第6页页 共共49页页 模块，LCD 显示模块，报警和输出电路等模块组成。 燃气热水器温度控制系统硬件部分按核心处理器、外围电路和外部设备三 部分来进行设计。核心处理器选用 ATMEL 公司生产的 89S51 系列单片机，该 单片机功能强大，资源丰富，运算速度快，满足我们温度控制系统的设计需要。 外围电路设计必要的电源电路，复位电路等。外部设备分为几个部分加以设计： 键盘输入电路、LCD 显示电路，燃气比例阀控制电路，温度采样电路、外部看 门狗电路及蜂鸣器报警电路。系统设计了一路模拟量转数字量输入（热水器出 水口温度）；三开关量输入（温度加一信号、温度减一信号、确定输入信号）； LCD 显示部分分两行显示，第一行显示设定的热水温度，第二行显示实际出水 温度，显示范围为 099 度。控制器硬件结构电路原理如图 3.4 所示。 图 3.4 硬件结构原理图 温度设定电路。通过一个按键产生脉冲输入单片机来调节水温的设定 值。 温度测定电路，采用温度传感器来测量温度。 单片机，是整个电路的控制核心，实现 PID 模糊控制。 LCD 液晶显示电路，单片机通过液晶显示温度的设定值和实际测温值。 单 片 机 温度测定电路 温度设定电路 燃气比例阀控 制电路 LCD 液晶显示 电路 看门狗电路 保护电路安全报警电路 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第7页页 共共49页页 比例阀控制电路，通过控制 DAC0832 输出大小不同的电流，控制比例 阀的开度。 报警电路，当实际温度高于设定温度时，报警电路报警。 保护电路，当出现干烧，温度高于设定值等情况，自动切断电源，停 止工作。 看门狗电路，用于单片机断电保持和复位等。 2.3 系统性能指标系统性能指标 1测温范围：099 因为被控参数是水，其工作状态始终是液态，所以其工作温度就是在 099之间，LCD 液晶显示，其显示数值范围是 099，代表温度范围是 099。同时，根据多年总结的控制经验，当燃气热水器处于最佳工作状态时， 最适合温度应该稳定工作在 40左右。 2设定温度 用户可以自行设定任何一个测量点的温度数值，数字小键盘输入、LCD 显 示，其显示数值范围是 099，代表温度范围是 099。 3掉电数据保护和系统故障复位 利用看门狗（watchdog）电路，具有掉电数据保护功能和系统故障复位功 能。当系统突然失电时，可以利用看门狗中的 EEPROM 数据储存器，将控制系 统中的正在运算的数值和结果保存起来，当系统恢复供电后，单片机再从看门 狗中读出这些数据，从而保证了系统中临时数据的安全。同时，当系统出现故 障死机或者程序跑飞进入某个死循环后，可以利用看门狗电路向单片机发出复 位信号，使系统重新开始运行。 4报警功能 当温度测量数值偏离设定数值时，系统会自动报警，以提醒用户及时查明 故障原因和解决问题。同时当温度调节到位也由蜂鸣器发声，告知用户温度调 节完毕，实现智能化。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第8页页 共共49页页 3 热水器控制器系统分析热水器控制器系统分析 3.1 燃气热水器的系统组成与工作原理燃气热水器的系统组成与工作原理 燃气热水器结构上包括控制，供水与加热，燃气供应与燃烧，供风与排 气等多个组成单元，图 2.1 表示出了具体研究的燃气热水器的结构。 图 2.1 燃气热水器基本结构 生活水回路，进水一端接冷水，出水一端接洗浴装置。冷水进水端打开以 后，水的压力控制安全阀打开，燃气进入喷嘴，同时电子打火装置也开始工作， 燃气开始在燃烧室内燃烧，冷水经过热交换器变成热水供人们使用。通过控制 比例阀的大小可以控制火力的大小从而控制水温，由温度传感器反馈信息，通 过单片机运用 PID 编程处理控制，达到水温恒温自动控制。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第9页页 共共49页页 3.2 燃气热水器的数字燃气热水器的数字 PID 温度控制温度控制 PID 控制系统原理框图如图 4.5.1 所示。系统由 PID 控制器和被控对象组 成。 图 4.5.1 PID 控制系统原理框图 PID 控制器是一种线性控制器,一种它根据给定值 rin(t)与实际输出值 yout(t)构成控制偏差： e(t)=rin(t)-yout(t) (4-1) PID 控制就是对偏差信号进行比例、积分、微分运算后，形成一种控制规 律。即，控制器的输出为： (4-2) t D p dt tdeT dtte T teKtu 0 1 )( )( 1 )()( 式中，比例系数；Ti积分时间常数；微分时间常数。 p K D T 3.2.1 PID 算法控制的实现 由 51 单片机组成的数字控制系统控制中，PID 控制器是通过 PID 控制算法 实现的。51 单片机通过 AD 对信号进行采集，变成数字信号，再在单片机中通 过算法实现 PID 运算，再通过 DA 把控制量反馈回控制源。从而实现对系统的伺 服控制。 本文采用位置式 PID 控制算法具体如下 PID 位置算法受控对象 r r e + 一 uy 位置式 PID 控制算法的简化示意图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第10页页 共共49页页 上图的传递函数为： （2-1） 在时域的传递函数表达式 （2-2） 对上式中的微分和积分进行近似 （2-3） 式中 n 是离散点的个数。 于是传递函数可以简化为： （2-4） 其中 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第11页页 共共49页页 u(n)第 k 个采样时刻的控制； KP 比例放大系数； Ki 积分放大系数； Kd 微分放大系数； T 采样周期。 如果采样周期足够小，则（2-4）的近似计算可以获得足够精确的结果，离 散控制过程与连续过程十分接近。 （2-4）表示的控制算法直接按（2-1）所给出的 PID 控制规律定义进行计 算的，所以它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置式 PID 控制 算法。 缺点：缺点： 1）由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时 e(k) (k=0,1,n)进行累加，工作量大。 2)因为计算机输出的 u(n)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现 故障，输出 u(n)将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造 成严重的生产事故，这在实际生产中是不允许的。 3.2.2 PID 控制器的参数整定 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程 的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID 控 制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主 要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到 的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工 程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法 简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 PID 控制器参数的工程整定方 法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共 同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论 采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与 完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID 控制器参数的 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第12页页 共共49页页 整定步骤如下： (1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作； (2)仅 加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的 比例放大系数和临界振荡周期； (3)在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数。 在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。 对于温度系统： P（%）20-60，I（分）3-10，D（分）0.5-3 对于流量系统： P（%）40-100，I（分）0.1-1 对于压力系统： P（%）30-70，I（分）0.4-3 对于液位系统： P（%）20-80，I（分）15 PID 参数整定过程很复杂，所以很难掌握，可按如下口诀进行： 参数整定找最佳，从小到大顺序查 先是比例后积分，最后再把微分加 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢，积分时间往下降 曲线波动周期长，积分时间再加长 曲线振荡频率快，先把微分降下来 动差大来波动慢。微分时间应加长 理想曲线两个波，前高后低 4 比 1 一看二调多分析，调节质量不会低 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第13页页 共共49页页 4 燃气热水器系统的硬件设计燃气热水器系统的硬件设计 4.1 元器件的选择元器件的选择 4.1.1 单片机的选择 （1）单片机芯片的选择 MCS5 一 51 系列单片机及其兼容机在国内拥有广泛的用户。目前，国 内市场上，Intel 公司生产的 MCS5 一 51 系列单片机已少见，代之以其它公 司生产的 MCS 一 51 系列兼容单片机。 在 Ateml 公司的系列产品中，常用的 AT89C 系列单片机己经停产，因 此 AT89S 系列单片机的价格比 AT89C 系列单片机低，而且 AT89S 系列单片 机相对于 AT89C 系列单片机新增不少功能，性能有了较大提升。AT89S 系列 单片机价格便宜、性能可靠，所以采用 AT89S51 单片机作为处理芯片。 （2）单片机管脚使用的说明 AT89S51 是一个有 40 个引脚的芯片，引脚配置如图 2-2 所示。与 8031 相比，AT89S51 自带 4K 的 ROM 和 128B 的 RAM，因此编写中小型系统就无需 任何硬件进行扩展。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第14页页 共共49页页 图 2-2 AT89S51 引脚配置 89S51 相对于 89C51 增加的新功能包括： - 新增加很多功能，性能有了较大提升，价格却基本不变，甚至比 89C51 更低！ - ISP 在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不 需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。 - 工作频率为 33MHz，大家都知道 89C51 的极限工作频率只有 24M，就是说 S51 具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。 - 具有双工 UART 串行通道。 - 内部集成看门狗计时器，不再需要像 89C51 那样外接看门狗计时器单元 电路。 - 双数据指示器。 - 电源关闭标识。 - 全新的加密算法，这使得对于 89S51 的解密变为不可能，程序的保密性 大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。 - 兼容性方面：向下完全兼容 51 全部字系列产品。比如 8051、89C51 等等 早期 MCS-51 兼容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教 科书上采用的单片机是 8051 还是 89C51 还是 MCS-51 等等），在 89S51 上一 样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。 4.1.2 显示器件的选择 显示器件有液晶模块、数码管等等；液晶模块又分为三类:数显液晶模块、 点阵字符液晶模块、图形液晶模块。 数码管虽然价格便宜，但数码管里面的发光二极管基本上属于电流敏感器 件，其正向压降的分散性很大， 并且还与温度有关，为了保证数码管具有良好 的亮度均匀度，就需要使其具有恒定的工作电流，且不能受温度及其它因素的 影响。另外，当温度变化时驱动芯片还要能够自动调节输出电流 的大小以实现 色差平衡温度补偿。即使是短时间的电流过载也可能对发光管造成永久性的损 坏。 显示包括设定温度和实时温度的显示，并且要显示4位，如果用数码管则会 占用单片机太多的端口，那样可能要进行端口扩展，这样就要用到其它扩展芯 片，造成成本的上升，并且数码管容易受到干扰，特别是对温度测量这种精度 要求较高的显示，容易产生不稳定，造成更大的误差，所以决定选用功能强大 不易受到干扰的液晶LCD1602显示。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第15页页 共共49页页