即熱式電熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計說明

1、科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學院（直屬系）：電子信息工程學院時間:學生姓名指導教師設(shè)計（論文）題目即熱式電熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計主要研究容1、掌握控制系統(tǒng)設(shè)計方法和一般步驟；2、運用單片機完成對即熱式電熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計；2、熟練運用C語言進行編程。研究方法理論研究主要技術(shù)指標（或 研究目標）通過對即熱式電熱水器控制系統(tǒng)功能需求分析，給出設(shè)計方案，完成 系統(tǒng)硬件設(shè)計，繪制電路原理圖，完成控制系統(tǒng)軟件設(shè)計，通過模擬 仿真驗證所設(shè)計控制系統(tǒng)的性能。教研室意見教研室主任（專業(yè)負責人）簽字：年 月曰說明：一式兩份，一份裝訂入學生畢業(yè)設(shè)計（論文），一份交學院（直屬系）。目錄摘要IABSTRACTII引言1

2、第1章系統(tǒng)功能需求分析與控制方案設(shè)計 31.1 功能需求分析 31.1.1 硬件功能需求分析 31.1.2 軟件功能需求分析 41.2控制方案設(shè)計41.3執(zhí)行器的選擇 61.4本章小結(jié)6第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計 72.1鍵盤輸入電路的設(shè)計 72.2 LCD1602顯示電路的設(shè)計 72.3 DS1302時鐘電路的設(shè)計82.4溫度采集電路的設(shè)計 92.4.1 DS18B20 簡介92.4.2 DS18B20電路的設(shè)計 92.5水流檢測電路的設(shè)計 102.6加熱驅(qū)動電路的設(shè)計 102.6.1 大功率光耦 MOC3042 102.6.2 驅(qū)動電路的工作原理 112.6.3 驅(qū)動電路的設(shè)計 122.7漏電保護

3、技術(shù)122.8 本章小結(jié)13第3章 控制算法設(shè)計 143.1 PID控制算法143.2被控對象模型的建立 143.3參數(shù)整定及 MATLAB真 153.3.1 PID 參數(shù)整定 153.3.2 MATLAB 仿真163.4本章小結(jié)17第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 184.1軟件系統(tǒng)總體設(shè)計 184.2鍵盤輸入194.3 DS18B20 測溫204.3.1 DS18B20初始化 204.3.2 DS18B20寫數(shù)據(jù)214.3.3 DS18B20讀數(shù)據(jù)224.3.4 DS18B20 溫度讀取 224.4 LCD1602 顯示 234.4.1 LCD1602 時序介紹 234.4.2 LCD1602 初始化

4、244.5 PID 算法的軟件設(shè)計 244.6 PWM輸出254.7本章小結(jié)26第5章 模擬仿真與結(jié)果分析 275.1顯示模擬仿真275.2加熱模擬仿真285.3結(jié)果分析28第6章結(jié)論29致謝30參考文獻31附錄32附錄A系統(tǒng)整體電路圖32附錄B部分源程序33摘要本文完成了即熱式電熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)選用AT89C52作為主控制器，同時結(jié)合鍵盤模塊、顯示模塊、時鐘模塊、溫度采集模塊、水流檢測模塊和 驅(qū)動模塊等完成硬件電路的設(shè)計。通過PID控制算法控制熱水器的出水溫度，利用C語言完成電熱水器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計；另外，采用“隔電墻”技術(shù)做漏電 保護，保證洗浴過程中的安全。最后對系統(tǒng)進行仿真，

5、系統(tǒng)能正確顯示時間與溫 度，準確控制加熱電路的通斷，達到了預(yù)期控制目標。關(guān)鍵詞：AT89C52電熱水器，PIDABSTRACTThe desig n of electric water heater con trol system is in troduced inthis paper. AT89C52was selected, which is regarded as the main controller, and comb ines with the keyboard module, display module, clock module, temperature acquisiti

6、on module, water flow detecti on module and drive module to complete the hardware circuit desig n. The water temperature is con trolled through the PID, and the software desig nof electric waterheater con trol system is completed by using C Ian guage. In additi on,the Safe Care is used to do earth l

7、eakage protect ion, to en sure 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 expectedcon trol objectives can be achieved in this desig n.

8、Keywords: AT89C52, Electric Water Heater, PID引言隨著科技在進步與發(fā)展，熱水器早已成為家用電器的一員。然而，市場上傳 統(tǒng)的熱水器可靠性差，存在一定的安全隱患。老式而簡單的熱水器由于質(zhì)量差和 技術(shù)落后等原因，已經(jīng)越來越不被用戶所青睞，也就是說將逐步退出市場?，F(xiàn)在 人們的生活質(zhì)量提高了，人們期盼有一種既安全，又方便的熱水器，在浴室和廚 房提供熱水。而智能化的熱水器正符合人們的這一需求。它能給用戶提供直觀、 數(shù)字化的體驗，而且能精確地采集和控制環(huán)境中的水溫。這樣的熱水器，必將為 家庭、小型飯店、賓館酒店提供配套服務(wù)。可以預(yù)見，在不久的將來，智能化熱 水器將

9、成為人們的首選，市場前景廣闊。就國外的熱水器市場來看，目前的電熱水器除了行業(yè)部競爭以及與燃氣熱水 器的競爭以外，還面臨著太陽能熱水器的競爭。但是不可否認的是，電熱水器仍 然占行業(yè)的主導地位。并且隨著科技的不斷進步，電熱水器也不再滿足于普通的 加熱功能而已。越來越多的電熱水器往著智能化、節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展。部分 高端熱水器還具有智能記憶功能，記憶用戶的用水習慣，在洗浴時間前自動提前 加熱，非洗浴時段提供中溫生活用水，不僅讓用戶隨時隨地能享受到熱水，也更 加節(jié)能。隨著電熱水器的智能化，相信市場前景會越來越好。當前市面上的電熱水器分儲水式和即熱式。其中儲水式使用前需要的預(yù)熱時 間長，使用過程中水溫

10、無法調(diào)節(jié)，而即熱式電熱水器即開即熱，只需幾秒的預(yù)熱 時間即可得到源源不斷的熱水供應(yīng)。并且儲水式電熱水器膽容量大，對安裝空間 要求高，如果使用者過多就不能供應(yīng)足夠多的熱水，洗澡未用完的熱水也會逐漸 變冷，形成浪費；相比而言，即熱式電熱水器膽小，安裝便捷，使用時按照用戶 個人需求提供熱水，不造成浪費，且減少耗能。而隨著國家電網(wǎng)的轉(zhuǎn)型，電費價 格普遍下降，以及電力設(shè)施的改善，也表明了熱水器的發(fā)展前景。PID由于熱水器的加熱過程是一個非線性系統(tǒng)，且存在較大的滯后性。采用 控制能達到較好地控制效果，可以較好的控制出水溫度，提供用戶一個舒適的洗 浴環(huán)境。針對上述問題，本次將設(shè)計一個即熱式電熱水器控制系統(tǒng)。

11、該控制系統(tǒng)將采 用PID控制算法來完成對水溫的控制，解決水溫突變的狀況。本文對這次設(shè)計進行詳細介紹。第一章介紹了系統(tǒng)的功能需求分析與方案的 選取，并介紹了系統(tǒng)整體框架的設(shè)計；第二章講述了硬件系統(tǒng)的設(shè)計，硬件設(shè)計 包括鍵盤電路、時鐘電路、溫度檢測電路、水流檢測電路、顯示電路、驅(qū)動加熱電路等多個部分；第三章介紹了系統(tǒng)控制算法的設(shè)計，以及利用MATLAB對控制算法的仿真；第四章闡述了軟件系統(tǒng)設(shè)計，針對整體軟件系統(tǒng)流程和各個子程序 流程進行了詳細介紹；第五章對系統(tǒng)進行了Protues仿真；第六章是本次設(shè)計的結(jié)論。第1章系統(tǒng)功能需求分析與控制方案設(shè)計本章主要容是根據(jù)本系統(tǒng)所要實現(xiàn)的主要功能，分別預(yù)設(shè)多種

12、方案，在保證 可行的前提下，結(jié)合經(jīng)濟性、便利性等原則，從中選出一種最佳的實施方案，進 而在后續(xù)設(shè)計中得以實現(xiàn)。1.1功能需求分析結(jié)合當前電熱水器的現(xiàn)狀，本次設(shè)計的電熱水器需要完成如下功能：1、采集熱水溫度，為用戶提供熱水器的實際水溫信息；2、用戶可以手動設(shè)置溫度和校正時間；3、控制熱水器出水溫度穩(wěn)定，給用戶一個舒適的洗浴環(huán)境；4、自動檢測熱水器的工作狀態(tài)，實現(xiàn)通水通電，斷水斷電，防止干燒；5、做好漏電保護，保證用戶在使用過程中的用電安全。硬件功能需求分析結(jié)合上述的系統(tǒng)功能需求分析，硬件電路中需要具備以下幾個電路模塊，包括：1、顯示電路，用來顯示時間、溫度信息； 2、鍵盤電路，用來手動設(shè)置時間、

13、 溫度；3、時鐘電路，用來提供時鐘信號； 4、溫度采集電路，用來采集熱水器的 水溫信息；5、水流檢測電路，用來檢測熱水器的工作狀態(tài)；6、加熱驅(qū)動電路,用來控制電熱水器的加熱工作。在滿足實際功能需求，縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本的前提下，本設(shè)計選擇 ATMEL單片機AT89C52為主要芯片，由時鐘模塊和溫度檢測模塊為單片機提供時 間和溫度，輸出至液晶屏顯示，通過按鍵更改時間與預(yù)設(shè)溫度，并由單片機輸出 控制加熱驅(qū)動模塊對熱水進行加熱。系統(tǒng)整體框圖如圖1.1所示。圖1.1系統(tǒng)框圖軟件功能需求分析結(jié)合當前科技環(huán)境使用情況，軟件設(shè)計選擇C語言來進行編程，結(jié)合硬件方案的設(shè)計，本設(shè)計需要實現(xiàn)溫度采集、時間顯示

14、、驅(qū)動控制、鍵盤輸入等功能。 軟件設(shè)計采用分塊編寫程序的方案。鍵盤掃描通過返回不同的鍵值來完成不同的 按鍵功能；時間顯示電路中液晶與時鐘芯片和CPU通信各需使用一路串口通信1；溫度采集電路中單片機通過 DS18B20訪問協(xié)議(protocol )與DS18B2C通信；驅(qū) 動控制使用中斷來產(chǎn)生 PWM軟件方面最主要的是多功能的相互配合切換。1.2控制方案設(shè)計1. 顯示控制方案的設(shè)計：顯示模塊主要通過顯示包括時間、預(yù)設(shè)溫度和實時溫度等信息，讓用戶直觀 明了的了解電熱水器當前水溫以及工作狀態(tài)。因此需要一款顯示清晰，性能可靠 穩(wěn)定的顯示屏。目前主流的顯示器有 LED數(shù)碼管和LCD液晶屏。數(shù)碼管應(yīng)用廣泛

15、，顯示亮度 高且電路連接簡單。但是不能顯示字符，不能滿足本設(shè)計的顯示需求。而LCD液晶顯示屏具有靈活多變，重量輕，占地小，功耗低、畫面豐富的優(yōu)點。指令操控 簡單，顯示容多樣，可以雙行顯示，可以顯示字符、字段，顯示英文、阿拉伯數(shù) 字、漢語等。滿足本模塊的顯示需求，且畫面質(zhì)量高，顯示清晰穩(wěn)定。綜上所述，考慮本次設(shè)計需要的顯示量較多且含有字符，故選擇LCD1602作顯示屏。2. 時鐘方案的設(shè)計：本設(shè)計需要為用戶提供準確的實時時間，故需要單片機來提供時鐘信息。方案一：由單片機提供時鐘信息。單片機部具有多個定時器，通?？捎啥〞r 器中斷實現(xiàn)時鐘功能，十分方便。但由于系統(tǒng)晶振誤差、溫漂、中斷響應(yīng)時間的 不確

16、定性及定時器重新裝載時間常數(shù)所帶來的誤差，使得最終計時的誤差偏大， 決定它不能用來作為時鐘的時間基準。方案二：選擇時鐘芯片。時鐘芯片都集成了時鐘、日歷功能，高性能、低功 耗，且具有閏年補償?shù)葍?yōu)點，外圍電路非常簡單并具有掉電保護功能，給時鐘系 統(tǒng)設(shè)計帶來很多方便。由于本設(shè)計中需要定時器產(chǎn)生PWM無法再用來提供時鐘，所以選擇DS1302 時鐘芯片來提供時鐘信息。3. 溫度采集方案的設(shè)計：本設(shè)計采集實時的水溫信息并提供給用戶，讓用戶知道當前水溫以便調(diào)節(jié)自己所需水溫。故此需要通過溫度傳感器檢測水溫并將信息傳送至單片機處理。目前主流的溫度傳感器有熱敏電阻傳感器和數(shù)字溫度傳感器等。傳統(tǒng)的溫度檢測大多以熱敏

17、電阻為傳感器，采用熱敏電阻，可滿足40C至90C的測量圍。但熱敏電阻可靠性差，測量溫度精度低，對于1C精度的信號是不適用的，還得經(jīng)過專門的接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能由單片機進行處理2 o至于數(shù)字溫度傳感器，常用的有DS18B20它能將采集到的溫度信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并且方便進行多點溫度采集，功耗也非常低，并且僅有一根總線 傳輸，直接與單片機端口連接，電路非常簡單，主要通過編程來計算溫度3。并且有很好的溫度分辨率，最大溫度分辨率高達0.0625 C,測溫圍相對較寬，可達-55 C到 125Co綜合考慮，數(shù)字溫度傳感器測溫圍廣，精度高，且電路簡單，故本設(shè)計選擇 DS18B20數(shù)字溫度傳感器。4

18、. 鍵盤方案的設(shè)計：本設(shè)計需提供用戶手動校正時間與設(shè)置溫度的功能，所以需要設(shè)計鍵盤來讓用戶輸入時間、溫度信息。以下有兩種方案可供選擇。方案一：獨立式按鍵。每個按鍵單獨與單片機的I/O接口連接，每個I/O 口的工作狀態(tài)互不影響，采用端口直接掃描的方式，缺點是每個按鍵都占用單片機 的一個I/O 口。方案二：行列式鍵盤。行列式鍵盤工作原理是單片機部對I/O接口進行行列掃描來確定哪一個鍵被按下，當按鍵較多時可以降低占用單片機的I/O 口數(shù)目?？梢蕴岣邌纹瑱C端口的利用率 。本設(shè)計只需要5個按鍵完成溫度、時間的設(shè)置，選擇獨立按鍵即可滿足設(shè)計 需求。5. 水流檢測方案的設(shè)計由于即熱式電熱水器功率較高，需要一

19、個檢測裝置檢測加熱管的水流情況并 反饋給單片機，通過單片機控制加熱管加熱，防止干燒的情況出現(xiàn)。方案一：超聲波水流傳感器。測量精度高，測量圍大。但容易受到溫度、噪聲等的干擾，受到單片機頻率限制，且價格較高，不適合本次設(shè)計。方案二：霍爾水流傳感器。霍爾傳感器體積小，功耗小，容易安裝到通水管， 工作溫度圍廣，在工作溫區(qū)精度小于1%適用于溫度變化較大的場合，。綜上所述，方案一對被測環(huán)境要求較高，而方案二的適用圍廣，且檢測精度 滿足設(shè)計需求。所以本模塊選擇霍爾傳感器。6. 驅(qū)動控制方案的設(shè)計：單片機輸出的信號是小功率的直流信號，無法直接控制220V電壓下加熱絲的工作。因此需要在單片機與加熱絲之間連接一個

20、隔離驅(qū)動電路。方案一：通過電磁繼電器控制。將繼電器線圈接在控制回路中，常開觸點接 在加熱電路中。通過控制通過繼電器線圈的電流來控制觸點的閉合與斷開，達到 控制加熱電路的通斷。該方案加熱絲只有通斷兩種狀態(tài)，且加熱滯后時間較大， 無法調(diào)節(jié)加熱功率。方案二：通過光耦與雙向可控硅控制。該方案利用光耦驅(qū)動來做到強弱電安 全隔離，利用雙向可控硅的導通與關(guān)斷來控制加熱絲的通斷。并且通過控制可控 硅的導通角達到調(diào)節(jié)加熱絲功率的目的。綜上所述，本設(shè)計對加熱控制精度較高，需要對加熱絲功率進行調(diào)節(jié)。因此 選擇方案二作為加熱驅(qū)動模塊。1.3執(zhí)行器的選擇對于即熱式電熱水器控制系統(tǒng)來說，其執(zhí)行器就是電熱絲。由于即熱式電熱

21、 水器是一種大功率的家用電器， 需選擇功率較大的電熱絲， 對安裝電路要求較高。 根據(jù)國家住宅設(shè)計規(guī)，現(xiàn)有商品住房的電器線路導線必須采用銅芯線，每套住宅 進線截面積不小于 10mm分支引線不小于 2.5mm2。2.5mm的標準銅芯線能承受的 最大電流是28A,在220V市電供電下，每根導線能接 6000W的負載。本設(shè)計選擇 4500W的功率，已經(jīng)能滿足用戶日常的用水需求。普通新購標準住宅的用戶都能 方便的安裝，無需對排管線路做改變。對于較偏遠地區(qū)進線截面積只有2.5mmf的住宅，只需單獨使用一根住宅進線也能安全安裝該熱水器。1.4本章小結(jié)本章介紹了本設(shè)計所完成的功能，完成了即熱式電熱水器控制系統(tǒng)

22、功能需求 分析。根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計出系統(tǒng)整體框架，給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計的選取方案。第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計在前面章節(jié)介紹了系統(tǒng)的功能需求分析與系統(tǒng)的整體框架設(shè)計之后，確定了 本次設(shè)計所需的硬件，本章節(jié)對硬件部分的各個模塊電路進行設(shè)計。2.1鍵盤輸入電路的設(shè)計為了設(shè)置熱水器的時間和預(yù)約溫度，可以使用按鍵設(shè)置，共設(shè)置五個按鍵, 分別是：時間鍵、溫度鍵、增加建、減小鍵和開關(guān)鍵。鍵盤與單片機的連接圖如 圖2.1所示。II 時訓域 GI I 禍哎饋GkI 1 地加憚0Q14*I I 鬲屮摒;，豈0|I i圖2.1鍵盤與單片機的連接圖鍵盤輸入模塊就是 5個微動開關(guān)，一端接公共地，另一端與單片機的P1.0到P1.4相

23、接。按鍵未按下，P1.0到P1.4是高電平，有鍵按下時五個按鍵所對應(yīng) I/O 口電平會被拉低，單片機可以檢測到對應(yīng)I/O輸入低電平，從而確定哪個按鍵按下。2.2 LCD1602顯示電路的設(shè)計本模塊選用LCD1602液晶顯示屏來顯示時間和溫度，并且可通過按鍵進行調(diào) 節(jié)，液晶顯示電路與單片機連接電路如圖2.2所示。LCU16O2生口二 w孑0 z 怦寸冋 丘 L EM 丄I亡口二U亡口二=工圖2.2 LCD1602與單片機的連接圖本液晶屏有16個管腳，1號管腳接地，2號管腳接電源，3號管腳是液晶偏 壓信號，4、5、6管腳接單片機的控制信號端， 714管腳接單片機的數(shù)據(jù)端，其 接口信號如表2.1所示

24、。表2.1 LCD1602接口信號說明表編號符號引腳說明編號GND電源地電源正極VEE ;液晶顯示偏壓信號IR/S數(shù)據(jù)/命令選擇端讀/寫選擇端aa & s a亠4 a d -kb a a亠 had 二 4 a a使能端R/Wi s aa s a亠 sad .4ED0ID1Data I/OData I/O9abaasa ” + i1011 II _12i 131a 亠t aa aa 4. a a had s a i * a 1415I16符號D2D3D4D5D6D7BLABLK引腳說明Data I/OData I/OData I/OData I/OData I/OData I/O背光源正極背光源

25、負極R/S是數(shù)據(jù)/命令選擇端，與單片機P2.5連接，當R/S接收低電平信號時,單片機對液晶進行讀寫命令操作；當R/S接收高電平信號時，單片機對液晶進行讀寫數(shù)據(jù)操作。R/W是讀/寫選擇端,與單片機 P2.6連接，當R/W接收低電平信號時，單片機對液晶進行寫操作；當R/W接收高電平信號時，單片機對液晶進行讀操作。E是使能端，與單片機 P2.7連接，當E置高電平時，單片機才能對液晶進行讀寫操作。D0D7數(shù)據(jù)I/O 口，與單片機的 P0.0P0.7連接，通過與單片機并行通信將需要顯示的數(shù)據(jù)傳送至液晶。2.3 DS1302時鐘電路的設(shè)計DS1302可以提供實時時鐘、日歷等信息并有閏年校正功能。其連接圖如

26、圖2.3所示。P35 5P3 口-VCCIXI VCC2 RST-SCLK LOXIDSI3O2圖2.3 DS1302實時時鐘電路DS1302時鐘芯片只通過 3根線進行數(shù)據(jù)的控制與傳遞：RST(Reset)、 SCLK(Serial clock)、I/O(Data line)。由 RST和 SCLK控制命令，I/O 傳輸數(shù)據(jù)。 時鐘芯片的管腳X1、X2連接32.768MHz的晶振，提供振蕩頻率。RST與單片機P3.5連接，RST是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂贫恕Ｖ挥袑?RST置高電平才能對時鐘芯片進行 數(shù)據(jù)傳輸操作。SCLK總是輸入端，接單片機的 P3.6。SCLK上升沿，芯片寫入數(shù) 據(jù)；SCLK下降沿，單

27、片機讀取芯片數(shù)據(jù)。I/O端是數(shù)據(jù)傳輸端，接單片機 P3.7 芯片通過該端口將時鐘信息送至單片機 5。2.4溫度采集電路的設(shè)計本系統(tǒng)選擇DS18B20乍為溫度傳感器，它在本控制系統(tǒng)中的作用是測量溫度 并轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)字量。本節(jié)介紹了DS18B20的特點和它與單片機的連接。2.4.1 DS18B20 簡介與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，DS18B2有以下特點：(1) DS18B2只要一條總線即可實現(xiàn)單片機與 DS18B20勺通信；(2) 電路設(shè)計時無需使用其他元件，因此與單片機連接電路簡單；(3) 電壓圍：+3.0V+5.5V，可由單片機電源供電；(4) 測溫圍廣，測量精度為0.0625 C。2.4.2 DS

28、18B20電路的設(shè)計3P34 2溫度傳感器與單片機的連接如圖2.4所示VCCg-GNDDS18B20圖2.4 DS18B20電路連接圖芯片的3號管腳VCC接5V直流電，1號管腳CND接地，3號管腳DQ接單片 機P3.4。該傳感器能直接將檢測到的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，不需要進行A/D轉(zhuǎn)換，無需使用任何外圍元件，故與單片機之間的連接相當簡單。單片機經(jīng)單線接口訪問 DS18B20的協(xié)議(protocol )如下：(1) 初始化；(2) ROM操作命令；(3) 存儲器操作命令；(4) 處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段DQ與單片機P34 口連接進行雙向通信，將采集的溫度數(shù)據(jù)直接傳送 至單片機。2.5水流檢測電路的設(shè)計在通水

29、管無水時加熱易發(fā)生事故，因此需檢測水流，做到通水通電，斷水斷 電。本設(shè)計選擇霍爾傳感器作水流檢測元件?；魻柶骷惭b容易穩(wěn)定，耗能小， 耐腐蝕，非常適合做電熱水器的水流傳感器。本設(shè)計選擇永久磁鋼產(chǎn)生磁場。工作時令磁體與被測物運動來檢測磁場，并反饋信息。水流檢測電路如圖 2.5所示。電路主要包括霍爾器件、放大電路與光 耦。未通水時，霍爾器件離磁鋼較遠，無法形成霍爾效應(yīng)。霍爾器件輸出高電平 使三極管截止。從而光耦輸出高電平，經(jīng)非門后輸出低電平的控制信號。反之， 通水時，霍爾器件輸出低電平。三極管導通，光耦輸出高電平，經(jīng)非門后輸出高 電平的控制信號。輸出的控制信號將控制加熱電路的繼電器的通斷6。圖2.

30、5水流檢測電路2.6加熱驅(qū)動電路的設(shè)計PWM本設(shè)計需要對電熱水器的加熱功率進行控制調(diào)節(jié)，因此選擇光耦與雙向可控 硅組成驅(qū)動電路，用來實現(xiàn)單片機對加熱電路的控制； 加熱功率的控制調(diào)節(jié)由 脈寬調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn)7。2.6.1 大功率光耦MOC3042MOC304光電雙向可控硅驅(qū)為了實現(xiàn)可控硅導通角的控制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)可控硅的過零可靠觸發(fā)，就必 須在單片機與主電路之間接一個光耦驅(qū)動器，該驅(qū)動器的輸出端必須耐高壓，這 樣才能使可控硅可靠觸發(fā)導通。在本設(shè)計中采用的是動器，該驅(qū)動器結(jié)構(gòu)如圖2.6所示圖2.6 MOC3042弓I腳排列及部電路圖管腳1和管腳2是輸入端，連接一個發(fā)光二極管。管腳4和管腳6是輸出端,

31、 連接一個光控雙向可控硅。當輸入15mA以上電流時，二極管發(fā)光使光控可控硅導通，從而接通負載電路。2.6.2 驅(qū)動電路的工作原理圖2.7雙向可控硅的伏安特性要控制雙向可控硅的導通，首先得了解晶閘管的導通及關(guān)斷條件。雙向可控 硅的伏安特性如圖2.7所示，無論門極是正的觸發(fā)電流還是負的觸發(fā)電流，都能 觸發(fā)雙向可控硅導通。當電源電壓在正半周時，可控硅承受正向電壓，此時晶閘 管導通，工作在第一象限。同理，當電源電壓在負半周時，可控硅承受反向電壓， 晶閘管導通，工作在第三象限8。光耦MOC304的通斷是由輸入端控制的，單片機的P24端控制光耦的輸入端。 P24端輸出頻率一定脈寬可調(diào)的 PWM波, PWM

32、波的頻率由雙向可控硅的觸發(fā)角 錯 誤!未找到引用源。決定，因為雙向可控硅的觸發(fā)角錯誤！未找到引用源?？烧{(diào)圍 為0 180，因此PWM波的頻率為工頻交流電頻率的2倍即頻率f 100Hz，即PWM波的周期T 10ms。263驅(qū)動電路的設(shè)計加熱驅(qū)動電路如圖2.8所示。加熱驅(qū)動電路圖O m MW r由于負載加熱絲存在少量電感，屬于感性負載。因此當負載電流過零時，電 感的存在負載電流不能即時發(fā)生變化。根據(jù)楞次定律，負載電感會產(chǎn)生同方向的 電流，該電流會阻止可控硅的關(guān)斷，使該關(guān)斷的可控硅導通，也就是誤導通。在 可控硅兩電極之間并聯(lián)一個 RC串聯(lián)電路來吸收此電流9。2.7漏電保護技術(shù)為保證使用電熱水器時的用

33、電安全，本設(shè)計選擇“隔電墻”作為漏電保護 其示意圖見圖2.9所示。圖2.9隔電墻示意圖“隔電墻”的專業(yè)名稱為“水電阻衰減隔離法”。該技術(shù)利用水自身電阻， 對電熱水器中的通水管設(shè)計，材質(zhì)的選擇以及電氣阻尼技術(shù)等形成“隔電墻”。 按照國家標準，220V電壓下漏電電流小于 5mA漏電時也能洗浴。由此可得水電 阻R 220V/5mA 44 103 。自來水的電阻率為 1300Q cm (國標規(guī)定自來水在 15C時電阻率應(yīng)大于 1300Q cm)。若絕緣管長 L,孔半徑r，水介質(zhì)電阻 R, 水電阻率，則：2322L R? ?r /44 103.14 1300 r 106r(2-1)因此，當絕緣管長 L大

34、于106倍孔半徑的平方，即 L106r2,就可以保證自來 水的水電阻作防漏電隔離。2.8本章小結(jié)本章詳細介紹了系統(tǒng)各個硬件模塊的設(shè)計，采用分塊描述，介紹了各個模塊 的特點以及電路連接。所有模塊設(shè)計完成后，進行整理設(shè)計得到系統(tǒng)的總體原理 圖，具體原理圖見附錄。硬件電路設(shè)計完成之后，在下一章介紹系統(tǒng)的控制算法。第3章控制算法設(shè)計為控制出水溫度的穩(wěn)定，需加入控制算法對電熱絲加熱效率進行控制，這里 選擇的是利用PID控制算法。本章節(jié)介紹 PID控制算法并建立數(shù)學模型，以及對 系統(tǒng)的仿真。3.1 PID控制算法本系統(tǒng)是一個簡單離散控制系統(tǒng)，方框圖如圖6.1所示。它由被控對象、檢測元件、數(shù)字控制器、執(zhí)行器

35、構(gòu)成。圖3.1控制系統(tǒng)框圖r(t) +系統(tǒng)工作時，被控過程的輸出信號(水溫) y(t)通過DS18B20僉測變換為數(shù)字 量b(t)，并將溫度數(shù)字量b(t)反饋給控制器的輸入端；控制器根據(jù)系統(tǒng)被控變量(溫 度)的設(shè)定值r(t)與b(t)進行比較，產(chǎn)生偏差信號e(t)，按照PID算法進行運算輸出控制信號u(t) (PWM占空比)執(zhí)行器(加熱絲)根據(jù)控制信號u(t)，通過改變操作變量P(t)(加熱功率)的大小，對被控對象(水)進行調(diào)節(jié)，克服擾動對系統(tǒng)的 影響，從而使被控變量y(t)趨于設(shè)定值r(t)，達到預(yù)期的控制目標。3.2被控對象模型的建立被控的熱力對象如圖所示3.2所示圖3.2熱力對象示意圖假

36、設(shè)加熱器不與外界產(chǎn)生熱量交換，當輸入水流量及溫度(Ti)不變，加熱器輸入的熱流量從P增加到P+p，輸出的熱流量為P+po,輸出水溫變?yōu)門o+to,根據(jù)熱平衡方程，則:Cd (口p)dt(3-1)Po RC為比熱容（KJ/KgC）, R為熱阻C3-2代入式3-1中，得：（3-2）s /KJ ），對式3-1變形，并將式-JRCRpi(3-3)dt對式3-3進行拉普拉斯變換得到B與pi之間的傳遞函數(shù)為:(3-4)(s) RPi (s) RCs 1G(s)韻10s 1?es(3-6)由于加熱過程是一個大時滯的過程，需要加入延時環(huán)節(jié)，最終得到式3-5 :(s)R ?e s(3-5)pi (s)RCs 1

37、當出水流量為6L/min,水的比熱容 C=4.2 103J/Kg C,熱阻 R=2.38 C-s /KJ，延時選取1s典型值，得到傳遞函數(shù):3.3參數(shù)整定及 MATLAB仿真建立完被控對象的數(shù)學模型后，需要對PID控制器的參數(shù)進行整定，并進行MATLA仿真3.3.1 PID 參數(shù)整定PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I ）和微分單元（D）組成。其輸入e（t） 與輸出u（t）的關(guān)系如式（4.8 ）所示：錯誤！未找到引用源。（3-7）因此其傳遞函數(shù)為：錯誤!未找到引用源。（3-8）對PID參數(shù)的整定即對錯誤!未找到引用源。、錯誤!未找到引用源。和錯誤! 未找到引用源。這三個參數(shù)的整定。整定方

38、法有兩種：理論計算法和工程整定法。 常用的理論計算法有根軌跡分析法和頻域分析法。與工程整定法相比，理論計算 相對麻煩，工程整定是根據(jù)經(jīng)驗得出來的方法，很實用。理論整定工程上本設(shè)計 利用Z-N工程整定方法對 PID參數(shù)進行整定。根據(jù)Z-N工程整定方法計算公式可得：KPT0.118 ； Ti 22 ； Td 0.50.5 (3-9)0.85 K所以控制器的傳遞函數(shù)為：Gc(s) U(S) 0.1181丄 0.5s錯誤！未找到引用源。 E(s)2s(3-10)3.3.2 MATLAB 仿真PID控制器和被控對象模型建立完成后，選擇MATLAB件中的simulink模塊對系統(tǒng)經(jīng)行仿真10，搭建的模型如

39、圖3.3所示。仿真曲線如圖3.4所示。圖3.3 simulink仿真圖StepStep Response46 C 1Q 12141620rme-(sec)圖3.4仿真曲線6.80:4 O.由圖3.4可知，本控制器具有良好的動、靜態(tài)性能。將PID控制應(yīng)用于單片機，可以優(yōu)化控制性能指標。分析圖3.4的曲線，系統(tǒng)曲線能在較短時間到預(yù)設(shè)值并且保持穩(wěn)定，也沒有明顯超調(diào)，滿足本次設(shè)計的要求。3.4本章小結(jié)本章詳細介紹了 PID控制模型的建立過程，并通過計算得到被控熱力對象的 傳遞函數(shù)。最后通過 MATLAB軟件建立控制模型并進行仿真。完成控制算法的設(shè) 計之后，下一章節(jié)將對軟件系統(tǒng)進行設(shè)計。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)軟件部分設(shè)計時，就每個模塊功能單獨編寫驗證，然后進行系統(tǒng)的整合。下面就系統(tǒng)總流程及各個模塊軟件設(shè)計流程進行描述。4.1軟件系統(tǒng)總體設(shè)計軟件整體設(shè)計主要分為系統(tǒng)初始化部分和主體循環(huán)部分2個部分。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4.1。圖4.1系統(tǒng)主程序流程圖其中系統(tǒng)初始化部分包括對系統(tǒng)的時鐘芯片DS1302初始化、DS18B2C初始化、液晶顯示LCD1602初始化、定時器中斷進行設(shè)置等，其他模塊的初始