【文章內(nèi)容簡介】 ，但是諸如燃氣泄漏、煙氣泄漏、水溫偏高導致燙傷等安全事故還是偶有發(fā)生，所以保證系統(tǒng)運行安全可靠是控制器設計的基本要求。 安全性設計首先要解決的問題就是避免燃氣泄漏和煙氣泄漏，要保證做到燃氣熱水器工作于燃燒狀態(tài)時煙道暢通；要嚴格控制燃氣閥的開閉；要做到控制器意外死機后燃氣閥能及時關閉等。其次要解決的安全性設計問題是避免生活水和采暖水水溫偏高，要保證水溫過高時控制器中斷加熱或停機報警。 （ 2）舒適性：舒適性即洗浴的舒適性，也就是要求對生活水出水溫度進行良好的桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 5 頁 共 49 頁 控制。溫度控制是控制器設計的最重要的任務，控制器設計是否成功關鍵就是看它對出水溫度的控制效果。 參照普通燃氣熱水器的標準，燃氣熱水器生活水溫度控制的指標如下： a） 控溫精度 ：熱水器的實際出水溫度達到穩(wěn)態(tài)后與設定出水溫度相比較，其穩(wěn)態(tài)誤差不大于177。 1℃。 b） 初始加熱時間和超調量：按 GB693294 之規(guī)定，在標準測試條件下，將燃氣熱水器的進水量調至額定水流量，設定出水溫度為進水溫度加上 20 ℃，燃氣熱水器從冷機開始起動加熱并將水加熱至設定溫度的時間不大于 20 秒，且燃氣熱水器的出水溫度的超調不大于 3℃。 c） 進水量變化時的超調：按 GB693294 之規(guī)定，在標準測試條件下，將燃氣熱水器的進水量調至額定水流量，在燃氣熱水器的出水溫度達到穩(wěn)定后，將燃氣熱水器的進水量 瞬時變化177。 20%時，燃氣熱水器出水溫度的超調不大于177。 3 ℃；將燃氣熱水器的進水量瞬時下調 50%時，燃氣熱水器出水溫度的超調不大于 8℃。 從指標可以看出，對生活水溫控制的“穩(wěn)、快、準”要求較高。另外為了保證舒適性，在進水量不同的情況下也要求對生活水溫度進行良好的控制，也就是要求控制器的魯棒性要強。 （ 3）操作方便性：控制器對使用者是不可見的，他只有通過控制器的人機接口將指令傳達給系統(tǒng)。操作的方便性就是力求設計簡便的流程來實現(xiàn)使用者設置工作方式、設置洗浴、采暖溫度等操作，以達到雙功能燃氣熱水器使用方便快捷的 目的。 （ 4）成本：燃氣熱水器最終是要形成產(chǎn)品，進入千家萬戶使用。而成本是一個產(chǎn)品必須考慮的，盡可能在滿足各方面要求的前提下降低成本是廠家追求的。作為整個產(chǎn)品的一部分，控制器也必須盡量壓低成本，盡量做到用較小。 （ 5） 功能要求：控制器的設計要體現(xiàn)出產(chǎn)品的智能化，除了要實現(xiàn)生活水出水溫度控制以外，它還要具有如下功能：提供人機交互 —— 用戶可以設置出水溫度；故障報警等等。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 6 頁 共 49 頁 方案設計 方案設計的總體思路如下：首先通過鍵盤設定一個溫度值 ， 然后通過溫度傳感器采集溫度 ， 與設定的溫度進行比較，如果溫度小于設定值， 燃氣熱水器比例閥開度加大，燃燒室煤氣濃度增加， 燃燒室火力變大， 水溫升高，當水溫達到設定值時，則停止調節(jié)比例閥， 保持當前設定值， 設定的溫度和水溫通過 LCD1602 顯示出來。當水溫高于某臨界溫度（如 70176。）時，報警器發(fā)出報警，同時燃氣熱水器停止工作。所以可以得出 電路以單片機為核心 ，包括溫度設定按鍵模塊， LCD顯示 模塊，報警和輸出電路等模塊 組成 。 燃氣熱水器溫度控制系統(tǒng)硬件部分按核心處理器、外圍電路和外部設備三部分來進行設計。核心處理器選用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 89S51 系列單片機，該單片機功能強大，資源豐富 ，運算速度快，滿足我們溫度控制系統(tǒng)的設計需要。外圍電路設計必要的電源電路，復位電路等。外部設備分為幾個部分加以設計：鍵盤輸入電路、 LCD 顯示電路，燃氣比例閥控制電路， 溫度采樣電路、外部看門狗電路及蜂鳴器報警電路。系統(tǒng)設計了一路模擬量轉數(shù)字量輸入（熱水器出水口溫度）；三開關量輸入（溫度加一信號、溫度減一信號、確定輸入信號）； LCD 顯示部分分兩行顯示，第一行顯示設定的熱水溫度，第二行顯示實際出水溫度，顯示范圍為 0～ 99 度?？刂破饔布Y構電路原理如圖 所示。 圖 硬件結構原理圖 單 片 機 溫度測定電路 溫度設定電路 燃氣比例閥控制電路 LCD 液晶顯示電路 看門狗電路 保護電路 安全報警電路 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 7 頁 共 49 頁 ① 溫度設定電路。通過一個按鍵產(chǎn)生脈沖輸入單片機來調節(jié)水溫的設定值。 ② 溫度測定電路，采用溫度傳感器 來測量溫度 。 ③ 單片機，是整個電路的控制核心，實現(xiàn) PID 模糊控制。 ④ LCD 液晶 顯示 電路 ，單片機通過 液晶 顯示溫度的設定值和實際測溫值。 ⑤ 比例閥控制電路，通過控制 DAC0832 輸出大小不同的電流，控制比例閥的開度。 ⑥ 報警電路，當實際溫度高于設定溫度時，報警電路報警。 ⑦ 保護電路，當出現(xiàn)干燒，溫度高于設定值等情況，自動切斷電源，停止工作。 ⑧ 看門狗電路，用于單片機斷電保持和復位等。 系統(tǒng)性能指標 1．測溫范圍： 0～ 99℃ 因為被控參數(shù)是水，其工作狀態(tài)始終是液態(tài)，所以其工作溫度就是在 0～ 99℃ 之間，LCD 液晶顯示，其顯示數(shù)值范圍是 0～ 99℃ ，代表溫度范圍是 0～ 99℃ 。同時，根據(jù)多年總結的控制經(jīng)驗，當燃氣熱水器處于最佳工作狀態(tài)時，最適合溫度應該穩(wěn)定工作在40℃ 左右。 2．設定溫度 用戶可以自行設定任何一個測量點的溫度數(shù)值，數(shù)字小鍵盤輸入、 LCD 顯示，其顯示數(shù)值范圍是 0～ 99，代表溫度范圍是 0～ 99℃ 。 3．掉電數(shù)據(jù)保護和系統(tǒng)故障復位 利用 看門狗（ watchdog）電路，具有掉 電數(shù)據(jù)保護功能和系統(tǒng)故障復位功能。當系統(tǒng)突然失電時，可以利用 看門狗中的 EEPROM 數(shù)據(jù)儲存器，將控制系統(tǒng)中的正在運算的數(shù)值和結果保存起來，當系統(tǒng)恢復供電后，單片機再從看門狗中讀出這些數(shù)據(jù)，從而保證了系統(tǒng)中臨時數(shù)據(jù)的安全。同時，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障死機或者程序跑飛進入某個死循環(huán)后，可以利用看門狗電路向單片機發(fā)出復位信號，使系統(tǒng)重新開始運行。 4．報警功能 當溫度測量數(shù)值偏離設定數(shù)值時，系統(tǒng)會自動報警，以提醒用戶及時查明故障原因和解決問題。同時當溫度調節(jié)到位也由蜂鳴器發(fā)聲，告知用戶溫度調 節(jié)完畢，實現(xiàn)智能化。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 8 頁 共 49 頁 3 熱水器控制器系統(tǒng)分析 燃氣熱水器的系統(tǒng)組成與工作原理 燃氣熱水器結構上包括控制，供水與加熱，燃氣供應與燃燒，供風與排氣等多個組成單元，圖 。 圖 燃氣熱水器基本結構 生活水回路，進水一端接冷水，出水一端接洗浴裝置。冷水進水端打開以后，水的壓力控制安全閥打開，燃氣進入噴嘴，同時電子打火裝置也開始工作，燃氣開始在燃燒室內(nèi)燃燒，冷水經(jīng)過熱交換器變成熱水供人們使用。通過控制比例閥的大小可以控制火力的大小從而控制水溫 ， 由 溫度 傳感器反饋信 息，通過單片機運用 PID 編程處理控制，達到水溫恒溫自動控制。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 9 頁 共 49 頁 燃氣熱水器的數(shù)字 PID 溫度控制 PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 所示。系統(tǒng)由 PID 控制器和被控對象組成。 圖 PID 控制系統(tǒng)原理框圖 PID 控制器是一種線性控制器 ,一種它根據(jù)給定值 rin(t)與實際輸出值 yout(t)構成控制偏差： e(t)=rin(t)yout(t) (41) PID 控制就是對偏差信號進行比例、積分、微分運算后，形成一種控制規(guī)律。即，控制器的輸出為： ???????? ??? ? t Dp dt tdeTdtteTteKtu01)()(1)()( (42) 式中， pK —— 比例系數(shù)； Ti—— 積分時間常數(shù)； DT —— 微分時間常數(shù)。 PID 算法控制 的實現(xiàn) 由 51單片機組成的數(shù)字控制系統(tǒng)控制中， PID 控制器是通過 PID 控制算法實現(xiàn)的。51 單片機通過 AD 對信號進行采集，變成數(shù)字信號，再在單片機中通過算法實現(xiàn) PID 運算，再通過 DA把控制量反饋回控制源。從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的伺服控制。 本文采用位置式 PID 控制算法 具體如下 位置式 PID 控制算法的簡化示意圖 PID 位置算法 受控對象 r e + 一 u y 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 10 頁 共 49 頁 上圖的傳遞函數(shù)為： （ 21） 在時域的傳遞函數(shù)表達式 （ 22） 對上式中的微分和積分進行近似 （ 23） 式中 n是離散點的個數(shù)。 于是傳遞函數(shù)可以簡化為： （ 24） 其中 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 11 頁 共 49 頁 u(n)—— 第 k個采樣時刻的控制； KP —— 比例放大系數(shù)； Ki —— 積分放大系數(shù)； Kd —— 微分放大系數(shù)； T —— 采樣周期。 如果采樣周期足夠小，則（ 24）的近似計算可以獲得足夠精確的結果，離散控制過程與連續(xù)過程十分接近。 （ 24）表示的控制算法直接按（ 21）所給出的 PID 控制規(guī)律定義進行計算的，所以它給出了全部控制量的大小，因此被稱為 全量式 或 位置 式 PID 控制算法。 缺點： 1） 由于全量輸出，所以每次輸出均與過去狀態(tài)有關，計算時 e(k)(k=0,1,?n) 進行累加，工作量大。 2)因為計算機輸出的 u(n)對應的是執(zhí)行機構的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，輸出 u(n)將大幅度變化，會引起執(zhí)行機構的大幅度變化，有可能因此造成嚴重的生產(chǎn)事故，這在實際生產(chǎn)中是不允許的。 PID 控制器的參數(shù)整定 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。 PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。 PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調 整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的 控制度 下通過公式計算得到 PID控制器的參數(shù)。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 12 頁 共 49 頁 在實際調試中，只能先大致設定一個經(jīng)驗值，然后根據(jù)調節(jié)效果修改。 對于溫度 系統(tǒng)： P（ %） 2060， I（分） 310， D（分） 對于流量系統(tǒng)： P（ %） 40100， I（分） 對于壓力系統(tǒng)： P（ %） 3070， I（分） 對于液位系統(tǒng)： P（ %） 2080， I（分） 1— 5 PID 參數(shù)整定過程很復雜，所以很難掌握，可按如下口訣進行： 參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查 先是比例后積分，最后再把微分加 曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大 曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳 曲線偏離回復慢，積分時間往下降 曲線波動周期長，積分時間再加長 曲線振蕩頻率 快，先把微分降下來 動差大來波動慢。微分時間應加長 理想曲線兩個波，前高后低 4 比 1 一看二調多分析，調節(jié)質量不會低 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 13 頁 共 49 頁 4 燃氣熱水器系統(tǒng)的硬件設計 元器件的選擇 單片機的選擇 （ 1）單片機芯片的選擇 MCS5 一 51系列單片機及其兼容機在國內(nèi)擁有廣泛的用戶。目前，國內(nèi)市場上，Intel 公司生產(chǎn)的 MCS5一 51 系列單片機已少見，代之以其它公司生產(chǎn)的 MCS 一 51系列兼容單片機。 在 Ateml 公司的系列產(chǎn)品中，常用的 AT89C 系列單片機己經(jīng)停產(chǎn)，因此 AT89S系列單片機 的價格比 AT89C 系列單片機低，而且 AT89S 系列單片機相對于 AT89C 系列單片機新增不少功能，性能有了較大提升