【正文】 ................. 23 LCD1602 時(shí)序介紹 ................................................................................ 23 LCD1602 初始化 .................................................................................... 24 PID 算法的軟件設(shè)計(jì) ......................................................................................... 24 PWM 輸出 .......................................................................................................... 25 本章小結(jié) ............................................................................................................ 26 第 5 章 模擬仿真與結(jié)果分析 ........................................................................................ 27 顯示模擬仿真 .................................................................................................... 27 加熱模擬仿真 .................................................................................................... 28 結(jié)果分析 ............................................................................................................ 28 第 6 章 結(jié)論 ..................................................................................................................... 29 致謝 .................................................................................................................................... 30 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................... 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 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) I 摘要 本文完成了即熱式電熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 學(xué)院（直屬系）：電子信息工程學(xué)院 時(shí)間： 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 設(shè)計(jì)（論文）題目 即熱式電熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 主要研 究?jī)?nèi)容 掌握控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和一般步驟； 運(yùn)用單片機(jī)完成對(duì)即熱式電熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 熟練運(yùn)用 C 語(yǔ)言進(jìn)行編程。系統(tǒng)選用 AT89C52 作為主控制器，同時(shí)結(jié)合鍵盤(pán)模塊、顯示模塊、時(shí)鐘模塊、溫度采集模塊、水流檢測(cè)模塊和驅(qū)動(dòng)模塊等完成硬件電路的設(shè)計(jì)。然而，市場(chǎng)上傳統(tǒng)的熱水器可靠性差，存在一定的安全隱患。它能給用戶(hù)提供直觀、數(shù)字化的體驗(yàn)，而且能精確地采集和控制環(huán)境中的水溫。但是不可否認(rèn)的是，電熱 水器仍然占行業(yè)的主導(dǎo)地位。隨著電熱水器的智能化，相信市場(chǎng)前景會(huì)越來(lái)越好。而隨著國(guó)家電網(wǎng)的轉(zhuǎn)型，電費(fèi)價(jià)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。該 控制系統(tǒng)將采用 PID 控制算法來(lái)完成對(duì)水溫的控制，解決水溫突變的狀況。 功能需求分析 結(jié)合當(dāng)前電熱水器的現(xiàn)狀，本次設(shè)計(jì)的電熱水器需要完成如下功能： 采集熱水溫度，為用戶(hù)提供熱水器的實(shí)際水溫信息； 用戶(hù)可以手動(dòng)設(shè)置溫度和校正時(shí)間； 控制熱水器出水溫度穩(wěn)定，給用戶(hù)一個(gè)舒適的洗浴環(huán)境； 自動(dòng)檢測(cè)熱水器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)通水通電，斷水?dāng)嚯?，防止干燒? 做好漏電保護(hù) ，保證用戶(hù)在使用過(guò)程中的用電安全。 圖 系統(tǒng)框圖 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 4 軟件功能需求分析 結(jié)合當(dāng)前科技環(huán)境使用情況，軟件設(shè)計(jì)選擇 C 語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編程，結(jié)合硬件方案的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)溫度采集、時(shí)間顯示、 驅(qū)動(dòng)控制、鍵盤(pán)輸入等功能。 控制方案設(shè)計(jì) ： 顯示模塊主要通過(guò)顯示包括時(shí)間、預(yù)設(shè)溫度和實(shí)時(shí)溫度等信息，讓用戶(hù)直觀明了的了解電熱水器當(dāng)前水溫以及工作狀態(tài)。但是不能顯示字符，不能滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的顯示需求。 綜上所述，考慮本次設(shè)計(jì)需要的顯示量較多且含有字符，故選擇 LCD1602作顯示屏。但由于系統(tǒng)晶振誤差、溫漂、中斷響應(yīng)時(shí)間的不確定性及定時(shí)器重新裝載時(shí)間常數(shù)所帶來(lái)的誤差，使得最終計(jì)時(shí)的誤差偏大，決定它不能用來(lái)作為時(shí)鐘的時(shí)間基準(zhǔn)。 ： 本設(shè)計(jì)采集實(shí)時(shí)的水溫信息并提供給用戶(hù)，讓用戶(hù)知道當(dāng)前水溫以便調(diào)節(jié)自己所需水溫。但熱敏電阻可靠性差，測(cè)量溫度 精度 低，對(duì)于 1℃精度 的信號(hào)是不適用的，還得經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)才能由 單片機(jī) 進(jìn)行處理 [2]。 ： 本設(shè)計(jì)需提供用戶(hù)手動(dòng)校正時(shí)間與設(shè)置溫度的功能，所以需要設(shè)計(jì)鍵盤(pán)來(lái)讓用戶(hù)輸入時(shí)間、溫度信息。 方案二： 行列式鍵盤(pán)。 由于即熱式電熱水器功率較高，需要一個(gè)檢測(cè)裝置檢測(cè)加熱管內(nèi)的水流情況并反饋給單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)控制加 熱管加熱，防止干燒的情況出現(xiàn)。 方案二：霍爾水流傳感器。 ： 單片機(jī)輸出的信號(hào)是小功率的直流信號(hào)，無(wú)法直接控制 220V 電壓下加熱絲的工作 。通過(guò)控制通過(guò)繼電器線(xiàn)圈的電流來(lái)控制觸點(diǎn)的閉合與斷開(kāi)，達(dá)到控制加熱電路的通斷。并且通過(guò)控制可控硅的導(dǎo)通角達(dá)到調(diào)節(jié)加熱絲功率的目的。由于即熱式電熱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(duì)安裝電路要求較高。普通新購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)住宅的用戶(hù)都能 方便的安裝，無(wú)需對(duì)排管線(xiàn)路做改變 [4]。 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 7 第 2 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 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(jì)之后，確定了本次設(shè)計(jì)所需的硬件，本章節(jié)對(duì)硬件部分的各個(gè)模塊電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。 按鍵未按下， 到 是高電平， 有鍵按下時(shí)五個(gè)按鍵所對(duì)應(yīng) I/O口電平會(huì)被拉低， 單片機(jī)可以檢測(cè)到對(duì)應(yīng) I/O 輸入低電平，從而確定哪個(gè)按鍵按下。 R/W 是讀 /寫(xiě)選擇端，與單片機(jī) 連接，當(dāng) R/W 接收低電平信號(hào)時(shí)，單片機(jī) 對(duì)液晶進(jìn)行寫(xiě)操作；當(dāng) R/W 接收高電平信號(hào)時(shí)，單片機(jī)對(duì)液晶進(jìn)行讀操作。 其連接圖如圖 所示。 RST 與單片機(jī)太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 9 連接， RST 是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂贫恕?I/O 端是數(shù)據(jù)傳輸端，接單片機(jī) 。 DS18B20 簡(jiǎn)介 與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比， DS18B20有以下特點(diǎn)： （ 1） DS18B20只要一條總線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 DS18B20的通信； （ 2） 電路設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需使用其他元件，因此與單片機(jī)連接電路簡(jiǎn)單； （ 3） 電壓范圍： +~+， 可由單片機(jī)電源供電； （ 4） 測(cè)溫范圍廣，測(cè)量精度為 ℃ 。 單片機(jī)經(jīng)單線(xiàn)接口訪(fǎng)問(wèn) DS18B20 的協(xié)議（ protocol）如下： （ 1） 初始化； （ 2） ROM 操作命令； （ 3） 存儲(chǔ)器操作命令； 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 10 （ 4） 處理數(shù)據(jù)。霍爾器件安裝容易穩(wěn)定，耗能小，耐腐蝕，非常適合做電熱水器的水流傳感器。電路主要包括霍爾器件、放大電路與光耦。反之，通水時(shí)，霍爾器件輸出低電平。 大功率光耦 MOC3042 為了實(shí)現(xiàn)可控硅導(dǎo)通角的控制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)可控硅的過(guò)零可靠觸發(fā)，就必須在單片機(jī)與主電路之間接一個(gè)光耦驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器的輸出端必須耐高壓，這樣才能使可控硅可靠觸發(fā)導(dǎo)通。當(dāng)輸入 15mA 以上電流時(shí)，二極管發(fā)光使光控可控硅導(dǎo)通，從而接通負(fù)載電路。同理，當(dāng)電源電壓在負(fù)半周時(shí)，可控硅承受反向電壓，晶閘管導(dǎo)通，工作在第三象限 [8]?？烧{(diào)范圍為 ?? 180~0 ，因此 PWM 波的頻率為工頻交流電頻率的 2 倍即頻率Hzf 100? ，即 PWM 波的周期 msT 10? 。根據(jù)楞次定律，負(fù)載電感會(huì)產(chǎn)生同方向的電流，該電流會(huì)阻止可控硅的關(guān)斷，使該關(guān)斷的可控硅導(dǎo)通，也就是誤導(dǎo)通。 圖 隔電墻示意圖 “隔電墻 ”的專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)為 “水電阻衰減隔離法 ”。自來(lái)水的電阻率為 1300Ω 本章小結(jié) 本章 詳細(xì)介紹了系統(tǒng)各個(gè) 硬件 模塊的設(shè)計(jì)，采用分塊描述， 介紹了各個(gè)模塊的特點(diǎn)以及電路連接。本章節(jié)介紹 PID 控制算法并建立數(shù)學(xué)模型，以及對(duì)系統(tǒng)的仿真。 被控對(duì)象模型的建立 被控的熱力對(duì)象如圖所示 所示?！?，熱阻 R=℃ (38) 對(duì) PID 參數(shù)的整定即對(duì) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。整定方法有兩種：理論計(jì)算法和工程整定法。 根據(jù) ZN 工程整定方法計(jì)算公式可得： ???? KTK P ?； 22 ??? ?iT ； ??? ?dT (39) 所以控制器的傳遞函數(shù)為： ]211[)( )()( sssE sUsG C ???? 錯(cuò)誤 !未找到引用源。將 PID 控 制 應(yīng)用于 單片機(jī)，可 以?xún)?yōu)化 控制性能指標(biāo)。完成控制算 法的設(shè)計(jì)之后，下一章節(jié)將對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng) 主程序 流程圖 如 圖 。 鍵盤(pán)輸入 本設(shè)計(jì)是通過(guò)鍵盤(pán)輸入對(duì)時(shí)間和預(yù)約溫度進(jìn)行設(shè)置的，下面對(duì)按鍵消抖和按鍵掃描流程進(jìn) 行介紹。按鍵抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致程序判斷按鍵多次按下從而令程序運(yùn)行出錯(cuò)，因此可以在編寫(xiě)程序的時(shí)候通過(guò)延時(shí)來(lái)消除抖動(dòng)。 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 20 圖 按鍵掃描流程圖 DS18B20 測(cè)溫 DS18B20 單線(xiàn)通信功能是分時(shí)完成的，因此對(duì)時(shí)序的要求很?chē)?yán)格。 初始化時(shí)序如圖 所示。 讀操作時(shí)序圖見(jiàn)圖 所示。正溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)值如表 所示。C 0000 0001 1001 0000 0190H 10176。 圖 讀取溫度流程圖 LCD1602 顯示 LCD1602 時(shí)序介紹 LCD1602 接口信號(hào)說(shuō)明如表 所示，令 RS 為數(shù)據(jù) /命令選擇信號(hào)， RW 為讀 /寫(xiě)選擇信號(hào)， E 為使能信號(hào)。 LCD1602 在顯示溫度和時(shí)間 時(shí) ，先寫(xiě)地址指令，再寫(xiě)數(shù)據(jù)。 表 LCD1602 指令說(shuō)明表 指令碼 功能 0 0 1 1 1 0 0 0 設(shè)置 162 顯示， 57 點(diǎn)陣， 8 為數(shù)據(jù)口 0 0 0 0 1 D C B D=1 開(kāi)顯示； D=0 關(guān)顯示 C=1 顯示光標(biāo)； C=0 不顯示光標(biāo) B=1 光標(biāo)閃爍； B=0 光標(biāo)不閃爍 0 0 0 0 0 1 N S N=1 當(dāng)寫(xiě)一 個(gè)字符后地址指針加一，且光標(biāo)加一 S=0 當(dāng)寫(xiě)一個(gè)字符，整屏顯示不移動(dòng) 0 0 0 0 0 0 0 1 顯示清屏 由指令表 可知， 寫(xiě)指令 38h 表示對(duì)顯示器的顯示模式進(jìn)行設(shè)置；寫(xiě)指令0Ch 表示顯示器開(kāi)、不顯示光標(biāo)、光標(biāo)不閃爍；寫(xiě)指令 06h 表示文字不動(dòng)，光標(biāo)自動(dòng)右移；寫(xiě)指令 01h 表示顯示清屏，初始化完成。在連續(xù)控制系統(tǒng)中， PID控制算法可表示為： u（ t） =Kp[e(t)+錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (42) 位置式 PID 數(shù)字控制器的輸出 u(k)是全量輸出，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)所應(yīng)達(dá)到的位置（加熱絲的功率）。 本設(shè)計(jì)是利用控制雙向可控硅的 導(dǎo)通角來(lái)控制加熱絲的功率，因此在程序中產(chǎn)生的 PWM周期應(yīng)是市電電網(wǎng)電壓周期的一半，即 10ms。具體實(shí)現(xiàn)方式為 :設(shè) n為定時(shí)器 T1的初值， f 為單片機(jī)的晶振頻 率，當(dāng)系統(tǒng)在 MHzf ?時(shí)， PWM信號(hào)的加熱時(shí)間寬度為 fnto