【正文】 ，如圖 所示。 圖 simulink 仿真圖 圖 仿真曲線 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 17 由圖 可知，本控制器具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。 s /KJ），對(duì)式 31 變形，并將式32 代入式 31 中，得： iRpdtdRC ???? (33) 對(duì)式 33 進(jìn)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(guò)程是一個(gè)大時(shí)滯的過(guò)程，需要加入延時(shí)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由此可得水電阻???? 310445/2 2 0 mAVR 。當(dāng)電源電壓在正半周 時(shí)， 可控硅承受正向電壓，此時(shí)晶閘管導(dǎo)通，工作在第一象限。水流檢測(cè)電路如圖 所示。 SCLK 上升沿，芯片寫(xiě)入數(shù)據(jù)； SCLK 下降沿，單片機(jī)讀取芯片數(shù)據(jù)。 圖 鍵盤(pán) 與單片機(jī)的連接圖 鍵盤(pán)輸入模塊就是 5 個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)， 一端接 公共 地 ，另一端與單片機(jī)的 到 相接。該方案利用光耦驅(qū)動(dòng)來(lái)做到強(qiáng)弱電安全隔離，利用雙向可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷來(lái)控制加熱絲的通斷。 本設(shè)計(jì)只需要 5 個(gè)按鍵完成溫度、時(shí)間的設(shè)置，選擇獨(dú)立按鍵即可滿足設(shè)計(jì)需求。 由于本設(shè)計(jì)中需要定時(shí)器產(chǎn)生 PWM，無(wú)法再用來(lái)提供時(shí)鐘，所以選擇 DS1302太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 5 時(shí)鐘芯 片來(lái)提供時(shí)鐘信息。 軟件方面最主要的是多功能的相互配合切換。并 且儲(chǔ)水式電熱水器內(nèi)膽容量大，對(duì)安裝空間要求高，如果使用者過(guò)多就不能供應(yīng)足夠多的熱水，洗澡未用完的熱水也會(huì)逐漸變冷，形成浪費(fèi)；相比而言，即熱式電熱水器內(nèi)膽小，安裝便捷，使用時(shí)按照用戶個(gè)人需求提供熱水，不造成浪費(fèi)，且減少耗能。 關(guān)鍵詞 ： AT89C52，電熱水器， PID 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 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(jì) 1 引言 隨著科技在進(jìn)步與發(fā)展，熱水器早已成為家用電器的一員。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。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。 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，讓用戶直觀明了的了解電熱水器當(dāng)前水溫以及工作狀態(tài)。 ： 本設(shè)計(jì)采集實(shí)時(shí)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。 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)。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。 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。 I/O 端是數(shù)據(jù)傳輸端，接單片機(jī) 。電路主要包括霍爾器件、放大電路與光耦。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]。自來(lái)水的電阻率為 1300Ω℃，熱阻 R=℃將 PID 控 制 應(yīng)用于 單片機(jī)，可 以優(yōu)化 控制性能指標(biāo)。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)。正溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)值如表 所示。 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。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 fnton /)65536( ?? ，通過(guò)改變定時(shí)器 T1的初值 n可以改變加熱時(shí)間 ton，從而控制電阻絲件的加熱時(shí)間，其中 n由 PID控制算法得到的輸出來(lái)決定。系統(tǒng)也能準(zhǔn)確的根據(jù)控制信號(hào)的不同接通或者斷開(kāi)加熱電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱的控制。 //開(kāi)關(guān)鍵 //定義 ds1302 使用的 IO 口 // sbit DSIO=P3^7。 sbit LCD1602_E=P2^7。 //寫(xiě)入數(shù)據(jù) Lcd1602_Delay1ms(1)。 //溫度設(shè)置鍵 key2 case 0xFB: KeyValue=3。 _nop_()。 0x01。 _nop_()。 _nop_()。 n8。 SCLK = 1。 //然后將 RST(CE)置高電平。 //增加鍵 key3 case 0xF7: KeyValue=4。 //寫(xiě)入時(shí)序 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 35 Lcd1602_Delay1ms(5)。 //溫度采集 sbit start = P2^4。 sbit SCLK=P3^6。 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 29 第 6 章 結(jié)論 本次設(shè)計(jì)的 即熱式電熱水器 控制系統(tǒng)以 ATMEL 單片機(jī) AT89C52 為核心，結(jié)合溫度采集電路、顯示電路、水流檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路等完成硬件電路的設(shè)計(jì)，選擇 Protel 繪圖軟件繪制電路原理圖，同時(shí)采用 Keil 軟件完成軟件部分的程序編寫(xiě)；利用 MATLAB 對(duì) PID 控制算法仿真；最后選擇 Protues 軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。本次軟件設(shè)計(jì)拆分為兩個(gè)部分，由系統(tǒng)主程序部分、各模塊子程序部分組成，使得 編出來(lái)的程序結(jié)構(gòu)和思路更加清晰，而且易于閱讀，后期檢查也很方便。 PID 算法的軟件設(shè)計(jì) PID控制即比例積分微分控制，在過(guò)程控制中 PID控制算法是應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。C 0000 0111 1101 0000 07D0H 85176。程序的設(shè)計(jì)思路是通過(guò)對(duì) I/O 的掃描確定按下的按鍵，返回對(duì)應(yīng)按鍵的鍵值，實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)掃描功能。 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了 PID 控制模型的建立過(guò)程，并通過(guò)計(jì)算得到被控?zé)崃?duì)象的傳遞函數(shù)。其輸入 e(t)與輸出 u(t)的關(guān)系如式（ ）所示 : 錯(cuò)誤 !未找到引用源。cm）。 P24 端輸出頻率一定脈寬可調(diào)的 PWM 波， PWM 波的頻率由雙向可控硅的觸發(fā)角 錯(cuò)誤 !未找到引用源?；魻柶骷敵龈唠娖绞谷龢O管截止。 溫度采集電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)選擇 DS18B20 作為 溫度傳感器，它在本控制系統(tǒng)中的作用是測(cè)量溫度并轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)字量。 圖 LCD1602 與單片機(jī)的連接圖 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 8 本液晶屏 有 16 個(gè)管腳， 1 號(hào)管腳接地， 2 號(hào)管腳接電源， 3 號(hào)管腳是液晶偏壓信號(hào)， 6 管腳接單片機(jī)的控制信號(hào)端， 7~14 管腳接單片機(jī)的數(shù)據(jù)端， 其接口信號(hào)如表 所示。因此選擇方案二作為加熱驅(qū)動(dòng)模塊。測(cè)量精度高，測(cè)量范圍大。 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 。 目前主流的顯示器有 LED 數(shù)碼管和 LCD 液晶屏。采用 PID控制能達(dá)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(gè)舒適的洗浴環(huán)境?，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。通過(guò) PID 控制算法控制熱水器的出水溫度，利用 C 語(yǔ)言完成電熱水器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)；另外，采用“隔電墻”技術(shù)做漏電保護(hù)，保證洗浴過(guò)程中的安全。 當(dāng)前市面上的電熱水器分儲(chǔ)水式和即熱式。軟件設(shè)計(jì)采用分塊編寫(xiě)程序的方案。 方案二：選擇時(shí)鐘芯片。 行列式鍵盤(pán)工作原理是單片機(jī)內(nèi)部對(duì) I/O 接口進(jìn)行行列掃描來(lái)確定哪一個(gè)鍵被按下，當(dāng)按鍵較多時(shí)可以降低占用單片機(jī)的 I/O 口數(shù)目。該方案加熱絲只有通斷兩種狀態(tài)，且加熱滯后時(shí)間較大，無(wú)法調(diào)節(jié)加熱功率。 鍵盤(pán)輸入電路的設(shè)計(jì) 為了設(shè)置熱水器的時(shí)間和預(yù)約溫度，可以使用按 鍵設(shè)置，共設(shè)置五個(gè)按鍵，分別是：時(shí)間鍵、溫度鍵、增加建、減小鍵和開(kāi)關(guān)鍵。只有將 RST 置高電平才能對(duì)時(shí)鐘芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作。 本設(shè)計(jì)選擇永久磁鋼產(chǎn)生磁場(chǎng)。 驅(qū)動(dòng)電路的工作原理 圖 雙向可控硅的伏安特性 要控制雙向可控硅的導(dǎo)通，首先得了解晶閘管的導(dǎo)通及關(guān)斷條件。該技術(shù)利用水自身電阻，對(duì)電熱水器中的通水管設(shè)計(jì)，材質(zhì)的選擇以及電氣阻尼技術(shù)等形成 “隔電墻 ”。 圖 熱力對(duì)象示意圖 假設(shè)加熱器不與外界產(chǎn)生熱量交換，當(dāng)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+pi， 輸出的熱流量為 P+po,輸出水溫變?yōu)?TO+to，根據(jù)太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 15 熱平衡方程，則： dtppCd oi )( ??? (31) Rpo ?? (32) C 為比熱容（ KJ/Kg (310) MATLAB 仿真 PID 控制器和被控對(duì)象模型建立完成后，選擇 MATLAB 軟件中 的 simulink模塊對(duì)系統(tǒng)經(jīng)行仿真 [10]，搭建的模型如圖 所示。 1． 按鍵消抖 鍵盤(pán)與單片機(jī)連接電路如圖 。 圖 DS18B20 的讀操作時(shí)序圖 DS18B20 溫度讀取 DS18B20 經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲(chǔ)器的第 0 和第 1 個(gè)字節(jié)。 LCD1602 有 2行每行 16 個(gè)有效地址，第 1 行有效地址從 00h 到 0Fh；第 2 行有效地址從 40h 到太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 24 4Fh。通過(guò)控制 10ms內(nèi) PWM輸出口的高低電平時(shí)間即相當(dāng)于控制 PWM輸出的占空比。 圖 斷水停止加熱 如圖 所示，通水后三極管 Q2 基極接收到的控制信號(hào)是高電平，三極管導(dǎo)通。 //溫度設(shè)置鍵 sbit key3=P1^2。 uchar YearData=0,MonthData=0,DayData=0,WeekData=0,HourData=0, 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 34 MinuteData=0,SecondData=0。 //使能清零 LCD1602_RS = 1。break。 _nop_()。 } for (n=0。 _nop_()。 n++)//讀取 8 位數(shù)據(jù) { dat1 = DSIO。//數(shù)據(jù)從低位開(kāi)始傳送 addr = 1。 _nop_()。 n8。break。 //將 8 位總線轉(zhuǎn)為 4 位總線 LcdWriteCom(0x28)。