【正文】 時， PWM信號的加熱時間寬度為 fnton /)65536( ?? ，通過改變定時器 T1的初值 n可以改變加熱時間 ton，從而控制電阻絲件的加熱時間，其中 n由 PID控制算法得到的輸出來決定。 (42) 位置式 PID 數(shù)字控制器的輸出 u(k)是全量輸出，是執(zhí)行機構(gòu)所應(yīng)達到的位置（加熱絲的功率）。 表 LCD1602 指令說明表 指令碼 功能 0 0 1 1 1 0 0 0 設(shè)置 162 顯示， 57 點陣， 8 為數(shù)據(jù)口 0 0 0 0 1 D C B D=1 開顯示； 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)寫一 個字符后地址指針加一，且光標(biāo)加一 S=0 當(dāng)寫一個字符，整屏顯示不移動 0 0 0 0 0 0 0 1 顯示清屏 由指令表 可知， 寫指令 38h 表示對顯示器的顯示模式進行設(shè)置；寫指令0Ch 表示顯示器開、不顯示光標(biāo)、光標(biāo)不閃爍；寫指令 06h 表示文字不動，光標(biāo)自動右移；寫指令 01h 表示顯示清屏，初始化完成。 圖 讀取溫度流程圖 LCD1602 顯示 LCD1602 時序介紹 LCD1602 接口信號說明如表 所示，令 RS 為數(shù)據(jù) /命令選擇信號， RW 為讀 /寫選擇信號， E 為使能信號。正溫度對應(yīng)的數(shù)值如表 所示。 初始化時序如圖 所示。按鍵抖動會導(dǎo)致程序判斷按鍵多次按下從而令程序運行出錯，因此可以在編寫程序的時候通過延時來消除抖動。系統(tǒng) 主程序 流程圖 如 圖 。將 PID 控 制 應(yīng)用于 單片機，可 以優(yōu)化 控制性能指標(biāo)。整定方法有兩種：理論計算法和工程整定法?！?，熱阻 R=℃本章節(jié)介紹 PID 控制算法并建立數(shù)學(xué)模型，以及對系統(tǒng)的仿真。自來水的電阻率為 1300Ω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(dǎo)通，也就是誤導(dǎo)通。同理，當(dāng)電源電壓在負半周時，可控硅承受反向電壓，晶閘管導(dǎo)通，工作在第三象限 [8]。 大功率光耦 MOC3042 為了實現(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(dǎo)通。電路主要包括霍爾器件、放大電路與光耦。 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； 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計 10 （ 4） 處理數(shù)據(jù)。 I/O 端是數(shù)據(jù)傳輸端，接單片機 。 其連接圖如圖 所示。 按鍵未按下， 到 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。普通新購標(biāo)準(zhǔn)住宅的用戶都能 方便的安裝，無需對排管線路做改變 [4]。并且通過控制可控硅的導(dǎo)通角達到調(diào)節(jié)加熱絲功率的目的。 ： 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 。 由于即熱式電熱水器功率較高，需要一個檢測裝置檢測加熱管內(nèi)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)。 ： 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。 ： 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(dāng)前水溫以便調(diào)節(jié)自己所需水溫。 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。 控制方案設(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(dāng)前水溫以及工作狀態(tài)。 功能需求分析 結(jié)合當(dāng)前電熱水器的現(xiàn)狀，本次設(shè)計的電熱水器需要完成如下功能： 采集熱水溫度，為用戶提供熱水器的實際水溫信息； 用戶可以手動設(shè)置溫度和校正時間； 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； 自動檢測熱水器的工作狀態(tài)，實現(xiàn)通水通電，斷水?dāng)嚯姡乐垢蔁? 做好漏電保護 ，保證用戶在使用過程中的用電安全。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。但是不可否認的是，電熱 水器仍然占行業(yè)的主導(dǎo)地位。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。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 學(xué)院（直屬系）：電子信息工程學(xué)院 時間： 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 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 究內(nèi)容 掌握控制系統(tǒng)設(shè)計方法和一般步驟； 運用單片機完成對即熱式電熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計； 熟練運用 C 語言進行編程。 關(guān)鍵詞 ： AT89C52，電熱水器， PID 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計 II 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 bines with the keyboard module, display module, clock module, temperature acquisition module, water flow detection module and drive module to plete the hardware circuit design. The water temperature is controlled through the PID, and the software design of electric water heater control system is pleted 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 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計 1 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。 就國內(nèi)外的熱水器市場來看，目前的電熱水器除了行業(yè)內(nèi)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。并 且儲水式電熱水器內(nèi)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，即熱式電熱水器內(nèi)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。 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計 3 第 1 章 系統(tǒng)功能需求分析與控制方案設(shè)計 本章主要內(nèi)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)。 軟件方面最主要的是多功能的相互配合切換。滿足本模塊的顯示需求，且畫面質(zhì)量高，顯示清晰穩(wěn)定。 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太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計 5 時鐘芯 片來提供時鐘信息。 綜合考慮， 數(shù)字溫度傳感器測溫范圍廣，精度高，且電路簡單，故本設(shè)計 選擇 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器 。 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。所以本模塊選擇霍爾傳感器。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(dǎo)通與關(guān)斷來控制加熱絲的通斷。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。 圖 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 到 相接。 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。 SCLK 上升沿，芯片寫入數(shù)據(jù)； SCLK 下降沿，單片機讀取芯片數(shù)據(jù)。 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(dāng)簡單。水流檢測電路如圖 所示。 圖 水流檢測電路 加熱驅(qū)動電路的設(shè)計 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PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn) [7]。當(dāng)電源電壓在正半周 時， 可控硅承受正向電壓，此時晶閘管導(dǎo)通，工作在第一象限。因此當(dāng)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。由此可得水電阻???? 310445/2 2 0 mAVR 。 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計 14 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。 s /KJ），對式 31 變形，并將式32 代入式 31 中，得： iRpdtdRC ???? (33) 對式 33 進行拉普拉斯變換得到 θ 與 pi 之間的傳遞函數(shù)為： 1)( )( ?? RCsRsp si? (34) 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 35： si eRCsRsp s ?? ???? 1)( )( (35) 當(dāng)出水流量為 6L/min,水的比熱容 C= ? J/Kg 這三個參數(shù)的整定。 圖 simulink 仿真圖 圖 仿真曲線 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計 17 由圖 可知，本控制器具有良好的動、靜態(tài)性能。 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。但是實際上按鍵在閉合和斷開的時候，觸點會存在抖動現(xiàn)象，如圖 所示。 若 CPU 讀到了數(shù)據(jù)線上的電平為低電平 “0”后，還要做一定的延時，其延時的時間要從 DS18B20 發(fā)出的高電平算起（上面第 5 步的時間算起）最少需要 480微秒；將數(shù)據(jù)線再次拉到高電平。只要測到的數(shù)值乘以 即可得到實際溫度。 讀取溫度流程如圖 所示。 LCD1602 初始化 LCD1602 指令說明表如表 所示。 當(dāng)采樣周期足夠小時，對式（ ）近似離散化可得位置式 PID算法： u(k)=錯誤 !未找到引用源。用修改定時器中斷初值的方法調(diào)整時間寬度可以實現(xiàn)脈寬改變。其中圖 所示是正常工作時液晶屏的顯示狀態(tài)。 圖 通水加熱 結(jié)果分析 通過以上仿真結(jié)果可以看出，本次設(shè)計能正確顯示時間、溫度 信息，并可通過按鍵調(diào)節(jié)校正。 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計 30 致謝 從剛剛 確定 論文題目 的一臉茫然，到現(xiàn)在談及 電熱水器 可以說出自己的一些看法，三個月的時間不長不短，但是對于我來說卻是從無到有的一種升華。 //減小鍵 sbit key5=P1^4。 // //存儲順序是秒分時日月周年 ,存儲格式是用 BCD 碼 // uchar Time_1[7] = {0, 0, 0x12, 0x01, 0x01, 0x02, 0x13}。 sbit LCD1602_RW=P2^6。 //選擇寫入 LCD1602_DATAPINS = 。 //選擇寫入 LCD1602_DATAPINS = dat。 //開顯示不顯示光標(biāo) LcdWriteCom(0x06)。break。amp。//先將 SCLK 置低電平。 0x01。 n++)//寫入 8 位數(shù)據(jù) 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計 37 { DSIO = dat amp。//傳送數(shù)據(jù)結(jié)束 _nop_()。//然后將 RST(CE)置高電平。//數(shù)據(jù)在上升沿時， DS1302 讀取數(shù)據(jù) _nop_()。 SCLK = 1。 for(n=0。 n++)//開始傳送八位地址命令 { DSIO = addr amp。 SCLK = 0。//數(shù)據(jù)在上升沿時， DS1302 讀取數(shù)據(jù) _nop_()。 SCLK = 0。 _nop_()。 //將讀取到鍵值的值返回 } void Ds13