即热式电热水器控制系统设计.doc

太原科技大学毕业设计 论文 任务书太原科技大学毕业设计 论文 任务书 学院 直属系 电子信息工程学院 时间 学 生 姓 名指 导 教 师 设计 论文 题目即热式电热水器控制系统设计 主要研 究内容 1 掌握控制系统设计方法和一般步骤 2 运用单片机完成对即热式电热水器控制系统设计 2 熟练运用 C 语言进行编程 研究方法理论研究 主要技术 指标 或研 究目标 通过对即热式电热水器控制系统功能需求分析 给出设计方案 完成 系统硬件设计 绘制电路原理图 完成控制系统软件设计 通过模拟 仿真验证所设计控制系统的性能 教研室 意见 教研室主任 专业负责人 签字 年 月 日 说明 一式两份 一份装订入学生毕业设计 论文 内 一份交学院 直属系 目录 摘要 I ABSTRACT II 引言 1 第 1 章 系统功能需求分析与控制方案设计 3 1 1 功能需求分析 3 1 1 1 硬件功能需求分析 3 1 1 2 软件功能需求分析 4 1 2 控制方案设计 4 1 3 执行器的选择 6 1 4 本章小结 6 第 2 章 系统硬件设计 7 2 1 键盘输入电路的设计 7 2 2 LCD1602 显示电路的设计 7 2 3 DS1302 时钟电路的设计 8 2 4 温度采集电路的设计 9 2 4 1 DS18B20 简介 9 2 4 2 DS18B20 电路的设计 9 2 5 水流检测电路的设计 10 2 6 加热驱动电路的设计 10 2 6 1 大功率光耦 MOC3042 10 2 6 2 驱动电路的工作原理 11 2 6 3 驱动电路的设计 12 2 7 漏电保护技术 12 2 8 本章小结 13 第 3 章 控制算法设计 14 3 1 PID 控制算法 14 3 2 被控对象模型的建立 14 3 3 参数整定及 MATLAB 仿真 15 3 3 1 PID 参数整定 15 I 3 3 2 MATLAB 仿真 16 3 4 本章小结 17 第 4 章 系统软件设计 18 4 1 软件系统总体设计 18 4 2 键盘输入 19 4 3 DS18B20 测温 20 4 3 1 DS18B20 初始化 20 4 3 2 DS18B20 写数据 21 4 3 3 DS18B20 读数据 22 4 3 4 DS18B20 温度读取 22 4 4 LCD1602 显示 23 4 4 1 LCD1602 时序介绍 23 4 4 2 LCD1602 初始化 24 4 5 PID 算法的软件设计 24 4 6 PWM 输出 25 4 7 本章小结 26 第 5 章 模拟仿真与结果分析 27 5 1 显示模拟仿真 27 5 2 加热模拟仿真 28 5 3 结果分析 28 第 6 章 结论 29 致谢 30 参考文献 31 附录 32 附录 A 系统整体电路图 32 附录 B 部分源程序 33 太原科技大学毕业设计 摘要 本文完成了即热式电热水器控制系统的设计 系统选用 AT89C52 作为主控 制器 同时结合键盘模块 显示模块 时钟模块 温度采集模块 水流检测模块 和驱动模块等完成硬件电路的设计 通过 PID 控制算法控制热水器的出水温度 利用 C 语言完成电热水器控制系统的软件设计 另外 采用 隔电墙 技术做 漏电保护 保证洗浴过程中的安全 最后对系统进行仿真 系统能正确显示时间 与温度 准确控制加热电路的通断 达到了预期控制目标 关关键键词词 AT89C52 电热水器 PID 太原科技大学毕业设计 I ABSTRACT The design of electric water heater control system is introduced in this paper AT89C52 was selected which is regarded as the main controller and combines with the keyboard module display module clock module temperature acquisition module water flow detection module and drive module to complete the hardware circuit design The water temperature is controlled through the PID and the software design of electric water heater control system is completed by using C language In addition the Safe Care is used to do earth leakage protection to ensure the safety of bathing process Finally through the simulation of the system it can display the time and temperature correctly and the control of the heating circuit can be done accurately In this way the expected control objectives can be achieved in this design Keywords AT89C52 Electric Water Heater PID 太原科技大学毕业设计 0 引言 随着科技在进步与发展 热水器早已成为家用电器的一员 然而 市场上传 统的热水器可靠性差 存在一定的安全隐患 老式而简单的热水器由于质量差和 技术落后等原因 已经越来越不被用户所青睐 也就是说将逐步退出市场 现在 人们的生活质量提高了 人们期盼有一种既安全 又方便的热水器 在浴室和厨 房提供热水 而智能化的热水器正符合人们的这一需求 它能给用户提供直观 数字化的体验 而且能精确地采集和控制环境中的水温 这样的热水器 必将为 家庭 小型饭店 宾馆酒店提供配套服务 可以预见 在不久的将来 智能化热 水器将成为人们的首选 市场前景广阔 就国内外的热水器市场来看 目前的电热水器除了行业内部竞争以及与燃气 热水器的竞争以外 还面临着太阳能热水器的竞争 但是不可否认的是 电热水 器仍然占行业的主导地位 并且随着科技的不断进步 电热水器也不再满足于普 通的加热功能而已 越来越多的电热水器往着智能化 节能 环保的方向发展 部分高端热水器还具有智能记忆功能 记忆用户的用水习惯 在洗浴时间前自动 提前加热 非洗浴时段提供中温生活用水 不仅让用户随时随地能享受到热水 也更加节能 随着电热水器的智能化 相信市场前景会越来越好 当前市面上的电热水器分储水式和即热式 其中储水式使用前需要的预热时 间长 使用过程中水温无法调节 而即热式电热水器即开即热 只需几秒的预热 时间即可得到源源不断的热水供应 并且储水式电热水器内胆容量大 对安装空 间要求高 如果使用者过多就不能供应足够多的热水 洗澡未用完的热水也会逐 渐变冷 形成浪费 相比而言 即热式电热水器内胆小 安装便捷 使用时按照 用户个人需求提供热水 不造成浪费 且减少耗能 而随着国家电网的转型 电 费价格普遍下降 以及电力设施的改善 也表明了热水器的发展前景 由于热水器的加热过程是一个非线性系统 且存在较大的滞后性 采用 PID 控制能达到较好地控制效果 可以较好的控制出水温度 提供用户一个舒适的洗 浴环境 针对上述问题 本次将设计一个即热式电热水器控制系统 该控制系统将采 用 PID 控制算法来完成对水温的控制 解决水温突变的状况 本文对这次设计进行详细介绍 第一章介绍了系统的功能需求分析 与方案的 太原科技大学毕业设计 1 选取 并介绍了系统整体框架的设计 第二章讲述了硬件系统的设计 硬件设计 包括键盘电路 时钟电路 温度检测电路 水流检测电路 显示电路 驱动加热 电路等多个部分 第三章介绍了系统控制算法的设计 以及利用 MATLAB 对控 制算法的仿真 第四章阐述了软件系统设计 针对整体软件系统流程 和各个子程 序流程进行了详细介绍 第五章对系统进行了 Protues 仿真 第六章是本次设计 的结论 太原科技大学毕业设计 2 第 1 章 系统功能需求分析与控制方案设计 本章主要内容是根据本系统所要实现的主要功能 分别预设多种方案 在保 证可行的前提下 结合经济性 便利性等原则 从中选出一种最佳的实施方案 进而在后续设计中得以实现 1 1 功能需求分析 结合当前电热水器的现状 本次设计的电热水器需要完成如下功能 1 采集热水温度 为用户提供热水器的实际水温信息 2 用户可以手动设置温度和校正时间 3 控制热水器出水温度稳定 给用户一个舒适的洗浴环境 4 自动检测热水器的工作状态 实现通水通电 断水断电 防止干烧 5 做好漏电保护 保证用户在使用过程中的用电安全 1 1 1 硬件功能需求分析 结合上述的系统功能需求分析 硬件电路中需要具备以下几个电路模块 包 括 1 显示电路 用来显示时间 温度信息 2 键盘电路 用来手动设置时间 温度 3 时钟电路 用来提供时钟信号 4 温度采集电路 用来采集热水器的 水温信息 5 水流检测电路 用来检测热水器的工作状态 6 加热驱动电路 用来控制电热水器的加热工作 在满足实际功能需求 缩短开发周期 节约开发成本的前提下 本设计选择 ATMEL 单片机 AT89C52 为主要芯片 由时钟模块和温度检测模块为单片机提供 时间和温度 输出至液晶屏显示 通过按键更改时间与预设温度 并由单片机输 出控制加热驱动模块对热水进行加热 系统整体框图如图 1 1 所示 图 1 1 系统框图 太原科技大学毕业设计 3 1 1 2 软件功能需求分析 结合当前科技环境使用情况 软件设计选择 C 语言来进行编程 结合硬件方 案的设计 本设计需要实现温度采集 时间显示 驱动控制 键盘输入等功能 软件设计采用分块编写程序的方案 键盘扫描通过返回不同的键值来完成不同的 按键功能 时间显示电路中液晶与时钟芯片和 CPU 通信各需使用一路串口通信 1 温度采集电路中单片机通过 DS18B20 访问协议 protocol 与 DS18B20 通信 驱动控制使用中断来产生 PWM 软件方面最主要的是多功能的相互配合切换 1 2 控制方案设计 1 显示控制方案的设计 显示模块主要通过显示包括时间 预设温度和实时温度等信息 让用户直观 明了的了解电热水器当前水温以及工作状态 因此需要一款显示清晰 性能可靠 稳定的显示屏 目前主流的显示器有 LED 数码管和 LCD 液晶屏 数码管应用广泛 显示亮 度高且电路连接简单 但是不能显示字符 不能满足本设计的显示需求 而 LCD 液晶显示屏具有灵活多变 重量轻 占地小 功耗低 画面丰富的优点 指 令操控简单 显示内容多样 可以双行显示 可以显示字符 字段 显示英文 阿拉伯数字 汉语等 满足本模块的显示需求 且画面质量高 显示清晰稳定 综上所述 考虑本次设计需要的显示量较多且含有字符 故选择 LCD1602 作显示屏 2 时钟方案的设计 本设计需要为用户提供准确的实时时间 故需要单片机来提供时钟信息 方案一 由单片机提供时钟信息 单片机内部具有多个定时器 通常可由定 时器中断实现时钟功能 十分方便 但由于系统晶振误差 温漂 中断响应时间 的不确定性及定时器重新装载时间常数所带来的误差 使得最终计时的误差偏大 决定它不能用来作为时钟的时间基准 方案二 选择时钟芯片 时钟芯片内都集成了时钟 日历功能 高性能 低 功耗 且具有闰年补偿等优点 外围电路非常简单并具有掉电保护功能 给时钟 系统设计带来很多方便 由于本设计中需要定时器产生 PWM 无法再用来提供时钟 所以选择 太原科技大学毕业设计 4 DS1302 时钟芯片来提供时钟信息 3 温度采集方案的设计 本设计采集实时的水温信息并提供给用户 让用户知道当前水温以便调节自 己所需水温 故此需要通过温度传感器检测水温并将信息传送至单片机处理 目前主流的温度传感器有 热敏电阻传感器和数字温度传感器等 传统的温度 检测大多以热敏电阻为传感器 采用热敏 电阻 可满足 40 至 90 的测量范围 但热敏电阻可靠性差 测量温度 精度低 对于 1 精度的信号是不适用的 还得 经过专门的接口电路转换成数字信号才能由 单片机进行处理 2 至于数字温度传感器 常用的有 DS18B20 它能将采集到的温度信号直接转 换成数字信号 并且方便进行多点温度采集 功耗也非常低 并且仅有一根总线 传输 直接与单片机端口连接 电路非常简单 主要通过编程来计算温度 3 并 且有很好的温度分辨率 最大温度分辨率高达 0 0625 测温范围相对较宽 可 达 55 到 125 综合考虑 数字温度传感器测温范围广 精度高 且电路简单 故本设计 选 择 DS18B20 数字温度传感器 4 键盘方案的设计 本设计需提供用户手动校正时间与设置温度的功能 所以需要设计键盘来让 用户输入时间 温度信息 以下有两种方案可供选择 方案一 独立式按键 每个按键单独与单片机的 I O 接口连接 每个 I O 口 的工作状态互不影响 采用端口直接扫描的方式 缺点是 每个按键都占用单片机 的一个 I O 口 方案二 行列式键盘 行列式键盘工作原理是单片机内部对 I O 接口进行行 列扫描来确定哪一个键被按下 当按键较多时可以降低占用单片机的 I O 口数目 可以提高单片机端口的利用率 本设计只需要 5 个按键完成温度 时间的设置 选择独立按键即可满足设计 需求 5 水流检测方案的设计 由于即热式电热水器功率较高 需要一个检测装置检测加热管内的水流情况 并反馈给单片机 通过单片机控制加热管加热 防止干烧的情况出现 方案一 超声波水流传感器 测量精度高 测量范围大 但容易受到温度 太原科技大学毕业设计 5 噪声等的干扰 受到单片机频率限制 且价格较高 不适合本次设计 方案二 霍尔水流传感器 霍尔传感器体积小 功耗小 容易安装到通水管 内 工作温度范围广 在工作温区精度小于 1 适用于温度变化较大的场合 综上所述 方案一对被测环境要求较高 而方案二的适用范围广 且检测精 度满足设计需求 所以本模块选择霍尔传感器 6 驱动控制方案的设计 单片机输出的信号是小功率的直流信号 无法直接控制 220V 电压下加热丝 的工作 因此需要在单片机与加热丝之间连接一个隔离驱动电路 方案一 通过电磁继电器控制 将继电器线圈接在控制回路中 常开触点接 在加热电路中 通过控制通过继电器线圈的电流来控制触点的闭合与断开 达到 控制加热电路的通断 该方案加热丝只有通断两种状态 且加热滞后时间较大 无法调节加热功率 方案二 通过光耦与双向可控硅控制 该方案利用光耦驱动来做到强弱电安 全隔离 利用双向可控硅的导通与关断来控制加热丝的通断 并且通过控制可控 硅的导通角达到调节加热丝功率的目的 综上所述 本设计对加热控制精度较高 需要对加热丝功率进行调节 因此 选择方案二作为加热驱动模块 1 3 执行器的选择 对于即热式电热水器控制系统来说 其执行器就是电热丝 由于即热式电热 水器是一种大功率的家用电器 需选择功率较大的电热丝 对安装电路要求较高 根据国家住宅设计规范 现有商品住房的电器线路导线必须采用铜芯线 每套住 宅进线截面积不小于 10mm2 分支引线不小于 2 5mm2 2 5mm2的标准铜芯线能承 受的最大电流是 28A 在 220V 市电供电下 每根导线能接 6000W 的负载 本 设计选择 4500W 的功率 已经能满足用户日常的用水需求 普通新购标准住宅的 用户都能方便的安装 无需对排管线路做改变 4 对于较偏远地区进线截面积只 有 2 5mm2的住宅 只需单独使用一根住宅进线也能安全安装该热水器 1 4 本章小结 本章介绍了本设计所完成的功能 完成了即热式电热水器控制系统功能需求 太原科技大学毕业设计 6 分析 根据分析结果设计出系统整体框架 给出了系统硬件设计的选取方案 太原科技大学毕业设计 7 第 2 章 系统硬件设计 在前面章节介绍了系统的功能需求分析与系统的整体框架设计之后 确定了 本次设计所需的硬件 本章节对硬件部分的各个模块电路进行设计 2 1 键盘输入电路的设计 为了设置热水器的时间和预约温度 可以使用按键设置 共设置五个按键 分别是 时间键 温度键 增加建 减小键和开关键 键盘与单片机的连接图如 图 2 1 所示 图 2 1 键盘与单片机的连接图 键盘输入模块就是 5 个微动开关 一端接公共地 另一端与单片机的 P1 0 到 P1 4 相接 按键未按下 P1 0 到 P1 4 是高电平 有键按下时五个按键所对应 I O 口电平会被拉低 单片机可以检测到对应 I O 输入低电平 从而确定哪个按 键按下 2 2 LCD1602 显示电路的设计 本模块选用 LCD1602 液晶显示屏来显示时间和温度 并且可通过按键进行 调节 液晶显示电路与单片机连接电路如图 2 2 所示 图 2 2 LCD1602 与单片机的连接图 太原科技大学毕业设计 8 本液晶屏有 16 个管脚 1 号管脚接地 2 号管脚接电源 3 号管脚是液晶偏 压信号 4 5 6 管脚接单片机的控制信号端 7 14 管脚接单片机的数据端 其接口信号如表 2 1 所示 表2 1 LCD1602接口信号说明表 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1GND电源地9D2Data I O 2VDD电源正极10D3Data I O 3VEE液晶显示偏压信号11D4Data I O 4R S数据 命令选择端12D5Data I O 5R W读 写选择端13D6Data I O 6E使能端14D7Data I O 7D0Data I O15BLA背光源正极 8D1Data I O16BLK背光源负极 R S 是数据 命令选择端 与单片机 P2 5 连接 当 R S 接收低电平信号时 单片机对液晶进行读写命令操作 当 R S 接收高电平信号时 单片机对液晶进行 读写数据操作 R W 是读 写选择端 与单片机 P2 6 连接 当 R W 接收低电平 信号时 单片机对液晶进行写操作 当 R W 接收高电平信号时 单片机对液晶 进行读操作 E 是使能端 与单片机 P2 7 连接 当 E 置高电平时 单片机才能 对液晶进行读写操作 D0 D7 数据 I O 口 与单片机的 P0 0 P0 7 连接 通过与 单片机并行通信将需要显示的数据传送至液晶 2 3 DS1302 时钟电路的设计 DS1302 可以提供实时时钟 日历等信息并有闰年校正功能 其连接图如图 2 3 所示 图 2 3 DS1302 实时时钟电路 DS1302 时钟芯片只通过 3 根线进行数据的控制与传递 RST Reset SCLK Serial clock I O Data line 由 RST 和 SCLK 控制命令 I O 传输数据 时钟芯片的管脚 X1 X2 连接 32 768MHz 的晶振 提供振荡频率 RST 与单片 太原科技大学毕业设计 9 机 P3 5 连接 RST 是数据传输的控制端 只有将 RST 置高电平才能对时钟芯片 进行数据传输操作 SCLK 总是输入端 接单片机的 P3 6 SCLK 上升沿 芯片 写入数据 SCLK 下降沿 单片机读取芯片数据 I O 端是数据传输端 接单片 机 P3 7 芯片通过该端口将时钟信息送至单片机 5 2 4 温度采集电路的设计 本系统选择 DS18B20 作为温度传感器 它在本控制系统中的作用是测量温度 并转换成温度数字量 本节介绍了 DS18B20 的特点和它与单片机的连接 2 4 1 DS18B20 简介 与传统的热敏电阻相比 DS18B20有以下特点 1 DS18B20只要一条总线即可实现单片机与 DS18B20的通信 2 电路设计时无需使用其他元件 因此与单片机连接电路简单 3 电压范围 3 0V 5 5V 可由单片机电源供电 4 测温范围广 测量精度为0 0625 2 4 2 DS18B20 电路的设计 温度传感器与单片机的连接如图 2 4 所示 图 2 4 DS18B20 电路连接图 芯片的 3 号管脚 VCC 接 5V 直流电 1 号管脚 CND 接地 3 号管脚 DQ 接 单片机 P3 4 该传感器能直接将检测到的温度转换为数字量 不需要进行 A D 转换 无需使用任何外围元件 故与单片机之间的连接相当简单 单片机经单线 接口访问 DS18B20 的协议 protocol 如下 1 初始化 2 ROM 操作命令 3 存储器操作命令 太原科技大学毕业设计 10 4 处理数据 数据段 DQ 与单片机 P34 口连接进行双向通信 将采集的温度数据直接传送 至单片机 2 5 水流检测电路的设计 在通水管内无水时加热易发生事故 因此需检测水流 做到通水通电 断水 断电 本设计选择霍尔传感器作水流检测元件 霍尔器件安装容易稳定 耗能小 耐腐蚀 非常适合做电热水器的水流传感器 本设计选择永久磁钢产生磁场 工作时令磁体与被测物运动来检测磁场 并 反馈信息 水流检测电路如图 2 5 所示 电路主要包括霍尔器件 放大电路与光 耦 未通水时 霍尔器件离磁钢较远 无法形成霍尔效应 霍尔器件输出高电平 使三极管截止 从而光耦输出高电平 经非门后输出低电平的控制信号 反之 通水时 霍尔器件输出低电平 三极管导通 光耦输出高电平 经非门后输出高 电平的控制信号 输出的控制信号将控制加热电路的继电器的通断 6 图 2 5 水流检测电路 2 6 加热驱动电路的设计 本设计需要对电热水器的加热功率进行控制调节 因此选择光耦与双向可控 硅组成驱动电路 用来实现单片机对加热电路的控制 加热功率的控制调节由 PWM 脉宽调制技术来实现 7 2 6 1 大功率光耦 MOC3042 为了实现可控硅导通角的控制 并且能够实现可控硅的过零可靠触发 就必 须在单片机与主电路之间接一个光耦驱动器 该驱动器的输出端必须耐高压 这 样才能使可控硅可靠触发导通 在本设计中采用的是 MOC3042 光电双向可控硅 太原科技大学毕业设计 11 驱动器 该驱动器结构如图 2 6 所示 图 2 6 MOC3042 引脚排列及内部电路图 管脚 1 和管脚 2 是输入端 连接一个发光二极管 管脚 4 和管脚 6 是输出端 连接一个光控双向可控硅 当输入 15mA 以上电流时 二极管发光使光控可控硅 导通 从而接通负载电路 2 6 2 驱动电路的工作原理 图2 7 双向可控硅的伏安特性 要控制双向可控硅的导通 首先得了解晶闸管的导通及关断条件 双向可控 硅的伏安特性如图 2 7 所示 无论门极是正的触发电流还是负的触发电流 都能 触发双向可控硅导通 当电源电压在正半周时 可控硅承受正向电压 此时晶闸 管导通 工作在第一象限 同理 当电源电压在负半周时 可控硅承受反向电压 晶闸管导通 工作在第三象限 8 光耦 MOC3042 的通断是由输入端控制的 单片机的 P24 端控制光耦的输入 端 P24 端输出频率一定脉宽可调的 PWM 波 PWM 波的频率由双向可控硅的 触发角 决定 因为双向可控硅的触发角可调范围为 因此 PWM 波的 180 0 频率为工频交流电频率的 2 倍即频率 即 PWM 波的周期 Hzf100 msT10 太原科技大学毕业设计 12 2 6 3 驱动电路的设计 加热驱动电路如图 2 8 所示 图 2 8 加热驱动电路图 由于负载加热丝存在少量电感 属于感性负载 因此当负载电流过零时 电 感的存在负载电流不能即时发生变化 根据楞次定律 负载电感会产生同方向的 电流 该电流会阻止可控硅的关断 使该关断的可控硅导通 也就是误导通 在 可控硅两电极之间并联一个 RC 串联电路来吸收此电流 9 2 7 漏电保护技术 为保证使用电热水器时的用电安全 本设计选择 隔电墙 作为漏电保护 其示意图见图 2 9 所示 图 2 9 隔电墙示意图 隔电墙 的专业名称为 水电阻衰减隔离法 该技术利用水自身电阻 对电 热水器中的通水管设计 材质的选择以及电气阻尼技术等形成 隔电墙 按照国 家标准 220V 电压下漏电电流小于 5mA 漏电时也能洗浴 由此可得水电阻 自来水的电阻率为 1300 cm 国标规定自来水在 3 10445 220mAVR 15 时电阻率应大于 1300 cm 若绝缘管长 L 内孔半径 r 水介质电阻 R 水电阻率 则 2 1 2232 106130014 3 1044 rrrRL 太原科技大学毕业设计 13 因此 当绝缘管长 L 大于 106 倍内孔半径的平方 即 L 106r2 就可以保证自 来水的水电阻作防漏电隔离 2 8 本章小结 本章详细介绍了系统各个硬件模块的设计 采用分块描述 介绍了各个模块 的特点以及电路连接 所有 模块设计完成后 进行整理设计得到系统的总体原理 图 具体原理图见附录 硬件电路设计完成之后 在下一章介绍系统的控制算法 太原科技大学毕业设计 14 第 3 章 控制算法设计 为控制出水温度的稳定 需加入控制算法对电热丝加热效率进行控制 这里 选择的是利用 PID 控制算法 本章节介绍 PID 控制算法并建立数学模型 以及对 系统的仿真 3 1 PID 控制算法 本系统是一个简单离散控制系统 方框图如图 6 1 所示 它由被控对象 检 测元件 数字控制器 执行器构成 数字控制器加热丝水 DS18B20 扰动 r t b t e t u t P t T t y t 图 3 1 控制系统框图 系统工作时 被控过程的输出信号 水温 y t 通过 DS18B20 检测变换为数字 量 b t 并将温度数字量 b t 反馈给控制器的输入端 控制器根据系统被控变量 温度 的设定值 r t 与 b t 进行比较 产生偏差信号 e t 按照 PID 算法进行运算 输出控制信号 u t PWM 占空比 执行器 加热丝 根据控制信号 u t 通过改变 操作变量 P t 加热功率 的大小 对被控对象 水 进行调节 克服扰动对系统的 影响 从而使被控变量 y t 趋于设定值 r t 达到预期的控制目标 3 2 被控对象模型的建立 被控的热力对象如图所示 3 2 所示 图 3 2 热力对象示意图 假设加热器不与外界产生热量交换 当输入水流量及温度 Ti 不变 加热 器输入的热流量从 P 增加到 P pi 输出的热流量为 P po 输出水温变为 TO to 根 太原科技大学毕业设计 15 据热平衡方程 则 3 1 dtppCd oi 3 2 R po C 为比热容 KJ Kg R 为热阻 s KJ 对式 3 1 变形 并将式 3 2 代入式 3 1 中 得 3 3 i Rp dt d RC 对式 3 3 进行拉普拉斯变换得到 与 pi之间的传递函数为 3 4 1 RCs R sp s i 由于加热过程是一个大时滞的过程 需要加入延时环节 最终得到式 3 5 3 5 s i e RCs R sp s 1 当出水流量为 6L min 水的比热容 C J Kg 热阻 R 2 38 s 3 102 4 KJ 延时选取 1s 典型值 得到传递函数 3 6 s i e ssp s sG 1 10 3 3 参数整定及 MATLAB 仿真 建立完被控对象的数学模型后 需要对 PID 控制器的参数进行整定 并进行 MATLAB 仿真 3 3 1 PID 参数整定 PID 控制器由比例单元 P 积分单元 I 和微分单元 D 组成 其输入 e t 与输出 u t 的关系如式 4 8 所示 3 7 1 0 因此其传递函数为 3 1 1 8 对 PID 参数的整定即对 和这三个参数的整定 整定方法有两种 太原科技大学毕业设计 16 理论计算法和工程整定法 常用的理论计算法有根轨迹分析法和频域分析法 与 工程整定法相比 理论计算相对麻烦 工程整定是根据经验得出来的方法 很实 用 理论整定工程上本设计利用 Z N 工程整定方法对 PID 参数进行整定 根据 Z N 工程整定方法计算公式可得 3 9 118 0 85 0 K T KP 22 i T5 05 0 d T 所以控制器的传递函数为 3 10 5 0 2 1 1 118 0 s ssE sU sGC 3 3 2 MATLAB 仿真 PID 控制器和被控对象模型建立完成后 选择 MATLAB 软件中的 simulink 模块对系统经行仿真 10 搭建的模型如图 3 3 所示 仿真曲线如图 3 4 所示 图 3 3 simulink 仿真图 图 3 4 仿真曲线 太原科技大学毕业设计 17 由图 3 4 可知 本控制器具有良好的动 静态性能 将 PID 控制应用于单片 机 可以优化控制性能指标 分析图 3 4 的曲线 系统曲线能在较短时间内到预 设值并且保持稳定 也没有明显超调 满足本次设计的要求 3 4 本章小结 本章详细介绍了 PID 控制模型的建立过程 并通过计算得到被控热力对象的 传递函数 最后通过 MATLAB 软件建立控制模型并进行仿真 完成控制算法的 设计之后 下一章节将对软件系统进行设计 太原科技大学毕业设计 18 第 4 章 系统软件设计 本系统软件部分设计时 就每个模块功能单独编写验证 然后进行系统的整 合 下面就系统总流程及各个模块软件设计流程 进行描述 4 1 软件系统总体设计 软件整体设计主要分为系统初始化部分和主体循环部分 2 个部分 系统主程 序流程图如图 4 1 图 4 1 系统主程序流程图 太原科技大学毕业设计 19 其中系统初始化部分包括 对系统的时钟芯片 DS1302 初始化 DS18B20 初始 化 液晶显示 LCD1602 初始化 定时器中断进行设置等 其他模块的初始化在 各模块函数中初始化 在系统初始化结束之后进入程序主体循环部分 主体循环 部分首先获取时钟信息和温度信息并通过液晶屏显示 紧接着进行键盘扫描 通 过得到的键值 Keyvalue 来判断是否进入时间设置或温度设置子程序 然后判断加 热标志位 Start 是否等于 1 若 Start 不等于 1 的话程序结束返回新一轮的循环 如果 Start 等于 1 则进入 PID 控制算法子程序 控制 PWM 的输出来达到控制加 热丝效率的目的 程序到此完成一次循环 结束并返回进行新一轮的循环 4 2 键盘输入 本设计是通过键盘输入对时间和预约温度进行设置的 下面对按键消抖和按 键扫描流程进行介绍 1 按键消抖 键盘与单片机连接电路如图 2 1 由电路图可知 按键按下的 I O 口为低电 平 通过对 I O 口的扫描即可确定按下的按键 但是实际上按键在闭合和断开的 时候 触点会存在抖动现象 如图 4 2 所示 按键抖动会导致程序判断按键多次 按下从而令程序运行出错 因此可以在编写程序的时候通过延时来消除抖动 图 4 2 按键抖动图 2 按键扫描 在编写键盘扫描程序前先确定每个按键的键值 时间设置键的键值为 1 温 度设置键的键值为 2 增加键的键值为 3 减小键的键值为 4 开关键的键值为 5 程序的设计思路是通过对 I O 的扫描确定按下的按键 返回对应按键的键值 实现键盘扫描功能 按键扫描的流程图如图 4 3 所示 太原科技大学毕业设计 20 图 4 3 按键扫描流程图 4 3 DS18B20 测温 DS18B20 单线通信功能是分时完成的 因此对时序的要求很严格 本节介绍 了 DS18B20 初始化时序 写数据时序 读数据时序和检测温度的流程 11 4 3 1 DS18B20 初始化 DS18B20 的初始化过程如下 1 把数据线置高电平 2 延时 尽可能短一些 太原科技大学毕业设计 21 3 数据线拉到低电平 4 延时 750 s 该时间的时间范围可以从 480 到 960 s 5 数据线拉到高电平 6 延时等待 延时 15 到 60ms 返回低电平 若 CPU 读到了数据线上的电平为低电平 0 后 还要做一定的延时 其延时 的时间要从 DS18B20 发出的高电平算起 上面第 5 步的时间算起 最少需要 480 微秒 将数据线再次拉到高电平 初始化时序如图 4 4 所示 图 4 4 DS18B20 的初始化 4 3 2 DS18B20 写数据 DS18B20 的写数据过程如下 1 数据线先置低电平 2 延时确定的时间为 15 微秒 3 从最低位到高位依次发送字节 4 延时时间为 45 微秒 5 将数据线拉到高电平 6 重复上述步骤 1 到 6 的操作过程 直到字节全部发送完毕 7 最后将数据线拉高 写操作的时序图如图 4 5 所示 图 4 5 DS18B20 的写操作时序图 太原科技大学毕业设计 22 4 3 3 DS18B20 读数据 DS18B20 的读数据过程如下 1 将数据线拉高 1 2 延时 2 微秒 3 将数据线拉低 0 4 延时 15 微秒 5 将数据线拉高 1 6 一个状态位决定读数据线的状态 并开始数据的处理 7 延时 30 微秒 这里只要按以上操作将状态位的各比特按顺序储存好即可 读操作时序图见图 4 6 所示 图 4 6 DS18B20 的读操作时序图 4 3 4 DS18B20 温度读取 DS18B20 经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第 0 和第 1 个字节 所以当我们只想简单的读取温度值的时候 只用读取暂存器中 的第 0 和第 1 个字节就可以了 只要测到的数值乘以 0 0625 即可得到实际温度 正温度对应的数值如表 4 1 所示 表 4 1 正温度对应的数值表 温度二进制十六进制 125 C0000 0111 1101 000007D0H 85 C0000 0101 0101 00000660H 25 C0000 0001 1001 00000190H 10 C0000 0000 1010 000000A0H 0 C0000 0000 0000 00000000H 太原科技大学毕业设计 23 简单的读取温度值的步骤如下 1 跳过 ROM 操作 2 发送温度转换命令 3 跳过 ROM 操作 4 发送读取温度命令 5 读取温度值 读取温度流程如图 4 7 所示 图 4 7 读取温度流程图 4 4 LCD1602 显示 4 4 1 LCD1602 时序介绍 LCD1602 接口信号说明如表 3 1 所示 令 RS 为数据 命令选择信号 RW 为 读 写选择信号 E 为使能信号 1602 液晶用来显示字符和数字时用到的基本操 作有 写指令和写数据 下面我们分析一下 LCD1602 写指令操作和写数据操作 的操作时序 3 写指令的操作时序 RS L RW L D0 D7 指令码 E 高脉冲 写数据的操作时序 RS H RW L D0 D7 数据 E 高脉冲 LCD1602 在显示温度和时间时 先写地址指令 再写数据 LCD1602 有 2 行每行 16 个有效地址 第 1 行有效地址从 00h 到 0Fh 第 2 行有效地址从 40h 太原科技大学毕业设计 24 到 4Fh 在设置数据地址指针时 只要写指令 80H 地址码 即可设置数据地址 指针 4 4 2 LCD1602 初始化 LCD1602 指令说明表如表 4 2 所示 表 4 2 LCD1602 指令说明表 指令码功能 00111000设置 16 2 显示 5 7 点阵 8 为数据口 00001DCB D 1 开显示 D 0 关显示 C 1 显示光标 C 0 不显示光标 B 1 光标闪烁 B 0 光标不闪烁 000001NS N 1 当写一个字符后地址指针加一 且光标加一 S 0 当写一个字符 整屏显示不移动 00000001显示清屏 由指令表 4 2 可知 写指令 38h 表示对显示器的显示模式进行设置 写指令 0Ch 表示显示器开 不显示光标 光标不闪烁 写指令 06h 表示文字不动 光标 自动右移 写指令 01h 表示显示清屏 初始化完成 由此可得到 LCD1602 的初 始化过程 1 写指令 38h 2 写指令 0Ch 3 写指令 06h 4 写指令 01h 4 5 PID 算法的软件设计 PID控制即比例积分微分控制 在过程控制中 PID控制算法是应用最为广泛的 一种控制规律 它具有原理简单 易于实现 鲁棒性强和适用面广等优点 在连 续控制系统中 PID控制算法可表示为 u t Kp e t 4 1 1 0 式中 Ti为积分时间常数 Td为微分时间常数 Kp为比例系数 Ki 为积 分系数 Kd KpTd为微分系数 当采样周期足够小时 对式 3 1 近似离散化可得位置式 PID算法 太原科技大学毕业设计 25 u k 4 2 0 1 位置式 PID 数字控制器的输出 u k 是全量输出 是执行机构所应达到的位置 加热丝的功率 位置式 PID 算法控制算法流程图如图 4 8 所示 开始 读入r k y k y k 1 计算e k r k y k e k 1 r k y k 1 计算P Kp e k 计算I Ki e i 计算D Kd e k e k 1 计算u k P I D y k 1 y k 结束 i 0 k 图 4 8 位置式 PID 控制算法流程图 4 6 PWM 输出 单片机有 2 个 16 位定时器 T0 和 T1 所以可在程序设计中利用定时器中断 来控制 PWM 的占空比 可以在定时器 T1 中断中完成对数据的采集和处理以及 PID 控制算法 在定时器 T0 中断中产生 PWM 波的基本周期信号 本设计是利用控制双向可控硅的导通角来控制加热丝的功率 因此在程序中 产生的PWM周期应是市电电网电压周期的一半 即 10ms 通过控制10ms内 PWM输出口的高低电平时间即相当于控制 PWM输出的占空比 设置PWM输出 口初始为低电平 T0在2ms中断溢出后 改变PWM输出口的电平输出高电平 并 经过8ms后进入下一次的中断 完成一个周期的 PWM输出 如此往复实现PWM 信号的输出 用修改定时器中断初值的方法调整时间宽度可以实现脉宽改变 具 体实现方式为 设n为定时器T1的初值 为单片机的晶振频率 当系统在f 时 PWM信号的加热时间宽度为 通过改变MHzf0592 11 fnton 65536 定时器T1的初值n可以改变加热时间ton 从而控制电阻丝件的加热时间 其中 n 太原科技大学毕业设计 26 由PID控制算法得到的输出来决定 4 7 本章小结 本章对整个系统的软件系统部分进行了详细的设计 系统软件设计部分一定 要巧妙的使用模块化的编程思想 如果都放在整体来设计 会显得程序繁重 看 的又不清晰 本次软件设计拆分为两个部分 由系统主程序部分 各模块子程序 部分组成 使得编出来的程序结构和思路更加清晰 而且易于阅读 后期检查也 很方便 下章将对系统进行仿真 太原科技大学毕业设计 27 第 5 章 模拟仿真与结果分析 再完美的设计 没有通过检验难免会有瑕疵 所以系统调试在整个系统制作 中至关重要 本章选择 Protues 软件对系统进行仿真 经过多次调试后 系统终 于实现了预期的功能 5 1 显示模拟仿真 本小节进行的是系统显示模块部分的仿真 其中图 5 1 所示是正常工作时液 晶屏的显示状态 图 5 1 液晶显示 图 5 2 是通过温度设置按键调节预设温度时的显示状态 此时预设温度显示 光标闪烁 可通过加减键来调节水温 图 5 2 调节预设温度 太原科技大学毕业设计 28 5 2 加热模拟仿真 本小节进行的是系统加热模块部分的仿真 如图 5 3 所示 未通水时三极管 Q2 基极接收到的控制信号是低电平 三极管截止 此时继电器线圈不通电 常开 触点断开 使加热电路断开 电热水器停止加热 图 5 3 断水停止加热 如图 5 4 所示 通水后三极管 Q2 基极接收到的控制信号是高电平 三极管 导通 此时继电器线圈通电 常开触点闭合 接通加热电路 电热水器开始加热 图 5 4 通水加热 5 3 结果分析 通过以上仿真结果可以看出 本次设计能正确显示时间 温度信息 并可通 过按键调节校正 系统也能准确的根据控制信号的不同接通或者断开加热电路 太原科技大学毕业设计 29 实现对加热的控制 综上 本设计结果基本达到设计要求 太原科技大学毕业设计 30 第 6 章 结论 本次设计的即热式电热水器控制系统以 ATMEL 单片机 AT89C52 为核心 结合温度采集电路 显示电路 水流检测电路和驱动电路等完成硬件电路的设计 选择 Protel 绘图软件绘制电路原理图 同时采用 Keil 软件完成软件部分的程序编 写 利用 MATLAB 对 PID 控制算法仿真 最后选择 Protues 软件对系统进行模 拟仿真 根据设计要求 系统需要检测并显示温度 时间信息 通过 PID 算法控制加 热丝功率 保证出水温度稳定 并且通过水流检测装置控制加热电路 防止出现 热水器干烧的情况 经过多次调试后 系统能够准确检测温度 并通过液晶屏显示时间与温度 并且可以通过按键来手动校正时间与设置温度 系统能够自动检测水流信号 在 断水时切断加热回路 通水后接通加热回路 实现加热控制 防止干烧 本设计还有一些不足之处 由于电热丝加热是一个非线性的大时滞系统 简 单的 PID 控制难以做到精确控制 使得控制精度变低 需要改进 综上所述 本次毕业设计的设计方案是可行的 太原科技大学毕业设计 31 致谢 从刚刚确定论文题目的一脸茫然 到现在谈及 电热水器可以说出自己的一些 看法 三个月的时间不长不短 但是对于我来说却是从无到有的一种升华 大学 期间所学的科目很多 很零碎 直到把每个模块所用到的知识结合起来才意识到 理论与实践的差距 现在看到这个题目感觉是那么亲切 在电子信息工程学院 金坤善老师的指导下 对这个设计也不觉得有那么复杂了 通过查阅英文资料 参考别人的文献 对题目有了一定的了解之下 以及在 金老师一遍又一遍指导 和一次又一次的修改之下我的论文终于完成 最后 在论文完成之际 我由衷地感谢金老师的耐心指导 太原科技大学毕业设计 32 参考文献 1 何秋生 单片机原理与应用 第二版 M 电子工业出版社 2010 2 曹文祥 AT89C51 单片机数字体温计的设计 J 武汉工程职业技术学院学报 2012 3 36 38 3 赵海兰 智能温度传感器 DS18B20 J 电子世界 2003 7 45 46 4 刘亦萍 即热式电热水器控制电路的设计与应用 J 机电一体化 2003 03 58 59 5 马苗玲 任作新 基于模糊控制的即热式热水器温控系统的设计 J 长治学院学报 2007 05 53 55 6 俞红杰 即热式电热水器模糊温度控制器的研制 D 浙江工业大学 2005 7 包文娟 基于 Fuzzy control 的工业温度控制器的研究 D 苏州大学 2007 8 Astom K J Expert Control Automatical J 1986 22 3 227 286 9 杨贞富 基于 Matlab Simulink 的变论域模糊控制算法仿真方法 J 科技展望 2016 12 155 10 刘革辉 单杰峰 郑楚光 Matlab 软件中的 Fuzzy Logic