自保护式智能电加热控制器设计说明书.doc

自保护式智能电加热控制器设计说明书 设计者：李文豪，荣钰，李强，宋超指导教师：陈度华（潇湘学院 ） 作品简介本产品一种能主动预测并识别危险情况的发生，并能自主采取保护措施的电加热控制器，本产品能够对任意接入的热得快、电炉、壁炉、热水器实现对水温、室温等控制，以及定时开关、用电检测方面的功能，危险的预测和识别通过内部的环境感知系统，实时对电加热器使用环境如烟雾浓度、明火、漏电情况、人员存在情况等进行检测，单片机对这些数据进行逻辑分析，并判断是否可能发生危险，系统能在危险发生之前提前采取措施避免危险的发生。即使最终危险发生，系统也能及时采取相应的保护措施，避免危险进一步扩大。产品内部具有如短路保护电路，过流检测电路，对接入的电器实现智能化的控制的同时又全方位保障其使用的安全。本产品顺应时代的发展，可通过内置的WIFI模块联网，实现产品与产品，产品与终端PC机的通信，人们可以通过手机APP远程控制用电器得的使用，设定热得快加热预设的温度、加热时间等参数，也可以让若干产品互联组成一个小型的局域网，并通过上位机终端统一管理设备，因此本产品不仅适合于需要使用加热器的家庭和宿舍使用，也同样适合于工厂，农场等需要进行温度控制的大型场所使用。目 录第一章研究背景及意义1 1.1背景1 1.2意义1第二章设计方案2 2.1 系统总体框架22.2 交流驱动电路设计.32.3 交流检测电路设计42.4 模糊PID的设计第三章 创新点及应用163.1 创新点163.2 应用 .参考文献19附录：PCB图第一章研制背景及意义1.1背景：在家庭生活、宿舍生活中，热得快因为使用简单，价格便宜的特点而被广泛使用，但热得快却有着一下几点致命缺陷，第一点：由于市民的用电安全意识低下，加上大多热得快本身质量不合格，很容易出现漏电，就在2013年，湖南株洲就有一位六旬老人在使用热得快的过程中接触了被加热的水导致触电身亡。第二点：热得快温度无法控制，人稍微不注意就可能引起火灾。据统计，家庭中大部分火灾是因为不规范用电和用电器老化以及电加热器起火造成的安全事故，因此，人们迫切需要一种能保障电加热器等大功率电器使用安全的设备，这样不仅能提高人们的生活质量保障人们的生命财产安全，而且能减少不必要的用电浪费。 1.2意义： 为了解决电加热器安全系数低，不可控的缺陷，我们对传统温控器进行改进，设计了相应的环境监测系统对环境实时检测，并通过逻辑算法实现对危险的预测和识别，系统能在危险发生前就采取措施避免，相比于传统温控器通过纯硬件的保护电路，我们的产品通过传感器检测以及单片机的算法，软件结合硬件的方式，通过模拟人的思维能在相应的危险发生前就提前预测并将其避免，大大的提高了电加热器使用的安全性。本控制器可供大部分具有标准电气插头的电加热器使用，集合了智能控制功能以及多种安全保护电路，能够实现如加热恒温、加热定时、定时开关、调压等各种控制功能，同时内部的如漏电保护、短路保护电路又能为用电器的使用提供安全保障。本产品实现了整个热得快使用的全自动化，从侧面解决了了传统热得快不可控，安全系数低的缺陷，大大的降低了发生用电危险事故，保障了人们的生命财产安全。第二章设计方案2.1 系统整体框架整个装置主要如下部分组成：人机交互模块、温度检测模块，主控模块、WIFI模块、交流调压模块、环境检测模块，用电检测模块构成，整体结构如下图所示：环境检测系统漏电保护模块上位机ACDC电源模块WIFI模块人机交互模块STM32单片机过零检测模块电流检测模块可控硅触发模块过零检短路保护模块 其中，主控模块我们以STM32C8T6单片机为核心, 2.2寸TFT屏作为显示，WIFI模块采用ESP8266模块，温度检测模块采用DS18B20数字防水型温度传感器。环境检测系统由烟雾传感器、热释电人体传感器、火焰传感器构成，可以很好完成外部环境参数的测量。交流调压模块由大功率可控硅BT138为驱动核心，可以完成对2000W一下用电器的控制。漏电保护模块通过零序互感器进行漏电检测，互感器的输出信号送入比较器进行比较得到执行信号。在装置工作时，通过环境检测系统对环境进行危险评估，用电检测模块实现对交流电的电流峰值、电流有效值、电压有效值、漏电情况进行实时的检测，当电流过大或出现短路情况时，输出会自动关闭，当热得快存在漏电现象或人员触电时，系统自动切断供电电源，以保护使用者安全。2.2 交流控制电路设计2.2.1 交流控制原理本产品通过控制可控硅的导通角从而完成电压的控制，进而控制用电器完成温控、定时开关、调压等方面工作。可控硅，是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管，可控硅的特点是能够以小功率控制大功率，并且反应极快，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等，在交流调压电路中，多采用单向可控硅反向串联或双向可控硅，通过过零检测电路获得交流电大小为0的时刻，并在交流电的正半周的t时刻触发正向可控硅导通， 负半周t时触发反向导通，此t值占半个周期的比值乘上180即得到导通角，控制可控硅的导通角可以改变加载在负载上的电压有效值，交流输出电压有效值U与控制角的关系为： （2.1）式中为输入交流电压的有效值。负载电流有效值为，则交流调压电路输入功率因数为： （2.2）本产品进行温控过程中，实时检测当前温度与目标温度的差值，将结果送入模糊PID控制器，计算出当前可控硅的导通角，单片机发送相应的触发信号，从而控制热得快实现温控等各种控制。2.2.2 过零检测电路的设计 在可控硅调压系统中，为了调整可控硅的导通角，必须有一个与交流过零时刻同步的方波基准信号，此信号可以由过零检测电路提供，过零检测电路是一种将交流信号转换为同周期方波脉冲信号的电路，工作原理是通过电源变压器或直接采样检测电源频率，获得一个与电源同频率的方波过零信号，该信号被送人单片机的中断脚后进行过零控制。当电源过零时开始对可控硅进行调相，具体原理图如下： 图2.2.1 过零检测电路2.2.3 可控硅调压电路 原理图如下所示，单片机发出指令控制三极管Q4的导通，通过双向光耦MOC3061将信号传递到可控硅BT138上，BT138在收到触发信号后立即导通，在交流电反向时又自动关断，BT138最大承受电流10A，耐压600V，C21,R19串联构成浪涌抑制电路，P9为用电器负载，NMOS管AQ3402用于电路保护，当有漏电、过流、短路等现象发生时，通过相应的检测电路触发信号关断MOC3061。 图2.2.2 大功率驱动电路2.3 交流检测电路设计2.3.1 交流检测的原理 由于市电是交流电，加载在负载上端电压、电流也均是同频的交流电，因此对于负载的参数测量可归结为交流信号的检测。衡量一个交流信号的性质的参数通常有峰值、有效值、平均值、有功功率、功率因素等，峰值是信号在一个交变周期的最大值即，可以衡量一个信号的极限强度，这对于一些严格限制信号幅值的系统是很有意义的，测量峰值的方法可分为软件法和硬件法，软件法通过AD采样得到一个周期内信号的最大值，但该方法不适用于一些处理速度过慢的单片机，硬件法独立于CPU之外，通过二极管与电容构成峰值检波电路输出信号的峰值，因此被广泛采用。交流信号中另一个重要的参数是有效值，交流电在一个交变周期内所对负载做的功可以等同与一个直流电对该负载所做的功，这个直流信号称为该交流信号的有效值，有效值可以衡量交流电对与负载所产生的效应的大小，生活中如电器的额定电流、额定电压都是有效值，有效值的定义如下： 2.3对于标准的正弦信号有 ，带入上式可得 ,即对于一个标准的正弦信号，其有效值为其峰值的0.7倍，因此，若信号为一个标准的正弦交变信号，我们可以先通过峰值检波电路得到信号的峰值，再通过比例放大电路进行的运算得出信号的有效值。2.3.2 有功功率、无功功率、视在功率 有功功率为实际负载所吸收的功率，其定义如下： 2.4其中为阻抗角，即电阻分量与电抗分量的夹角，只有负载的阻性部分对有功功率有贡献，对于电加热器来说，电加热器的加热功率即是有功功率的大小，有功功率能衡量一个用电器将电能转换为热能等其他形式能量的能力。相比与有功功率，无功功率是电路中由于具有电容或电感等感性或容性负载而产生的功率，其定义为，这部分功率并没有消耗掉，不会转变为热能等其他形式的能，因此是无功的。视在功率为有功功率与无功功率的矢量和，即，由此定义功率因素，表示负载上有功功率占整个功率的比值，即,功率因素能衡量一个负载上阻性和容性感性成分的比例，对于电加热器来说，功率因素应该接近一，而对于电脑、电视等功率因素因该远小于一。2.3.3 交流电采样电路 由于市电为220交流电，所以无法直接采样测量，先通过互感器将其变为小信号，再通过运放OP07构成的I-V转换器将其转换为单片机可以直接测量的电压信号，原理图如下所示。 图2.3.1 电压采样电路 图2.3.2 电流采样电路 2.3.4 电流峰值的检测 电流经过采样后，通过由NE5532构成的精密整流电路将其变为脉动直流信号，接着通过后极NE5532构成的峰值检波电路输出信号的峰值， 图2.3.3 峰值检测电路 图2.3.4 峰值检测multisim仿真结果2.4 模糊PID算法2.4.1 模糊控制的基本原理在实际生活中，人在操控设备时，尽管不知道被控对象的数学模型，也不懂的PID调节的基本原理，却能凭借经验很好的完成控制工作，操作者根据自己所感知的信息，并结合自己以往的经验和积累的知识，做出相应的决策，在这个系统中，感知的信息都是精确量，通过人的感官传入操作者的大脑，然后在脑中形成这些量的模糊概念，然后操作者根据经验，对状况进行估测，很显然，人并不需要去计算出准确的控制量就能对系统进行控制，而人所采取的这种控制方式就是模糊控制，模糊控制是一种模拟人思考过程的一种控制，相比与传统控制器的过度依赖数学模型，模糊控制的参数调整和输出控制更多是从过程函数的逻辑模型产生的。模糊控制是以模糊集合论作为数学基础的控制方式，在自然界中，有许多事物是难以直接确定其属性的，如天气的炎热程度、人的高矮等，这些概念难以通过经典数学的普通集合描述，对于的不能用二值逻辑刻画的量，我们可以采取模糊数学的方法，用一个范围的集合表示，这个集合称之为模糊集合，模糊集合可以用隶属函数来表示，设（xi）为元素x关于模糊集合A的隶属函数，此函数可以刻画元素x与模糊集合A的相关关系，对于一个论域U，模糊集合A可以表示为： 2.5模糊控制先将系统的输入作用变换为模糊量，再将这些模糊量通过模糊语言表示，并构成模糊集合，这样就把输入的测量值转换为用隶属度函数表示的某一模糊语言变量，接着通过事先制定好的模糊规则库，运用模糊数学理论进行推理计算，得到一个定性的用语言表示的量，即模糊输出量，然后，通过算法将其反模糊化，常用的重心法等，得到的输出量及时作用于被控对象的控制量。模糊控制器的基本结构如下图所示，主要由模糊化接口、模糊推理、去模糊化、和知识库构成，具体的结构如下图所示： 图2.1 模糊控制结构 2.4.3 模糊PID及系统仿真实现模糊PID是在PID算法的基础上，通过计算当前系统误差e和误差变化ec，根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设PID修正参数的模糊矩阵表(在程序中执行)，在线查出修正参数后带入下式计算: 2.5在线运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成PID参数的在线自适应。其工作流程如图所示。 图2.2 模糊PID软件流程我们通常将水温控制看成一个二阶纯滞后系统来描述，相应的传递函数为： 2.6其中K为增益系数，T为时间常数，t为滞后时间常数。我们通过实验测定了若干组加热的数据，如下表：表3.1 温度采样值表时间s（秒）0100200300400450温度T（度）2050708595100通过库恩公式： 2.7 可求的近似的传递函数为： 通过MATLAB自带的模糊控制工具包在Simulink构建系统，如下图所示： 可得到响应曲线如下图所示： 通过响应曲线可看出，模糊PID基本可以实现超调量为0，但上升和调节时间稍长。 2.5 保护电路的设计 本模块零序电流互感器采集漏电信号，当被保护电路无触电、漏电故障时，通过漏电电流互感器的一次侧电流的向量和等于零。这样，各相工作电流在此电流互感器中所产生的磁通向量和也为零。因此电流互感器的二次侧线圈没有感应电动势产生，反之会产生一个电压信号，比较器LM393采集此电压信号后于预设参考电压比较，当漏电出现时，比较器输出高电平，触发由三极管Q2,Q1组成自锁电路，此电路一旦触发就锁定，并输出高电平关断可控硅调压电路的Q6 MOS管，使系统停止输出，只有将系统断电并重新启动才能解除锁定。 图2.5.1 漏电保护电路第三章 创新点及应用3.1 创新点本产品是一个可主动识别以及预测环境危险的电加热器/电器智能控制器，可通过标准电器插口连接外置用电器，在使用热得快等大功率用电器时候，为其使用安全保驾护航，避免各种用电事故，并通过内部的微控制器实现各种智能控制。本产品具有的创新点如下：1）本产品为一个便携式的，外接式的电加热控制器，也可适用与任何电加热器，可用于热得快、热水壶、取暖机、壁炉等控制。2）内部具有的环境监测系统，会实时对环境进行检测，提前预测并识别危险的发生，并进行保护。3）具有温控、定时开关、调压等多种智能控制功能。5）能通过WIFI上传温度和控制的相关参数，能通过APP和电脑上位机对本装置进行远程控制，在外也能控制家中的用电器。3.2 应用 参考文