【文章內(nèi)容簡介】 ，但是諸如燃?xì)庑孤?、煙氣泄漏、水溫偏高?dǎo)致燙傷等安全事故還是偶有發(fā)生，所以保證系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠是控制器設(shè)計(jì)的基本要求。 安全性設(shè)計(jì)首先要解決的問題就是避免燃?xì)庑孤┖蜔煔庑孤?，要保證做到燃?xì)鉄崴鞴ぷ饔谌紵隣顟B(tài)時(shí)煙道暢通；要嚴(yán)格控制燃?xì)忾y的開閉；要做到控制器意外死機(jī)后燃?xì)忾y能及時(shí)關(guān)閉等。其次要解決的安全性設(shè)計(jì)問題是避免生活水和采暖水水溫偏高，要保證水溫過高時(shí)控制器中斷加熱或停機(jī)報(bào)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(jìn)行良好的桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 5 頁 共 49 頁 控制。溫度控制是控制器設(shè)計(jì)的最重要的任務(wù)，控制器設(shè)計(jì)是否成功關(guān)鍵就是看它對出水溫度的控制效果。 參照普通燃?xì)鉄崴鞯臉?biāo)準(zhǔn)，燃?xì)鉄崴魃钏疁囟瓤刂频闹笜?biāo)如下： a） 控溫精度 ：熱水器的實(shí)際出水溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)后與設(shè)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(shí)間和超調(diào)量：按 GB693294 之規(guī)定，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，將燃?xì)鉄崴鞯倪M(jìn)水量調(diào)至額定水流量，設(shè)定出水溫度為進(jìn)水溫度加上 20 ℃，燃?xì)鉄崴鲝睦錂C(jī)開始起動(dòng)加熱并將水加熱至設(shè)定溫度的時(shí)間不大于 20 秒，且燃?xì)鉄崴鞯某鏊疁囟鹊某{(diào)不大于 3℃。 c） 進(jìn)水量變化時(shí)的超調(diào)：按 GB693294 之規(guī)定，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，將燃?xì)鉄崴鞯倪M(jìn)水量調(diào)至額定水流量，在燃?xì)鉄崴鞯某鏊疁囟冗_(dá)到穩(wěn)定后，將燃?xì)鉄崴鞯倪M(jìn)水量 瞬時(shí)變化177。 20%時(shí)，燃?xì)鉄崴鞒鏊疁囟鹊某{(diào)不大于177。 3 ℃；將燃?xì)鉄崴鞯倪M(jìn)水量瞬時(shí)下調(diào) 50%時(shí)，燃?xì)鉄崴鞒鏊疁囟鹊某{(diào)不大于 8℃。 從指標(biāo)可以看出，對生活水溫控制的“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”要求較高。另外為了保證舒適性，在進(jìn)水量不同的情況下也要求對生活水溫度進(jìn)行良好的控制，也就是要求控制器的魯棒性要強(qiáng)。 （ 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(jī)接口將指令傳達(dá)給系統(tǒng)。操作的方便性就是力求設(shè)計(jì)簡便的流程來實(shí)現(xiàn)使用者設(shè)置工作方式、設(shè)置洗浴、采暖溫度等操作，以達(dá)到雙功能燃?xì)鉄崴魇褂梅奖憧旖莸?目的。 （ 4）成本：燃?xì)鉄崴髯罱K是要形成產(chǎn)品，進(jìn)入千家萬戶使用。而成本是一個(gè)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(gè)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(shè)計(jì)要體現(xiàn)出產(chǎn)品的智能化，除了要實(shí)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(jī)交互 —— 用戶可以設(shè)置出水溫度；故障報(bào)警等等。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 6 頁 共 49 頁 方案設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì)的總體思路如下：首先通過鍵盤設(shè)定一個(gè)溫度值 ， 然后通過溫度傳感器采集溫度 ， 與設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，如果溫度小于設(shè)定值， 燃?xì)鉄崴鞅壤y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(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定值時(shí)，則停止調(diào)節(jié)比例閥， 保持當(dāng)前設(shè)定值， 設(shè)定的溫度和水溫通過 LCD1602 顯示出來。當(dāng)水溫高于某臨界溫度（如 70176。）時(shí)，報(bào)警器發(fā)出報(bào)警，同時(shí)燃?xì)鉄崴魍Ｖ构ぷ?。所以可以得?電路以單片機(jī)為核心 ，包括溫度設(shè)定按鍵模塊， LCD顯示 模塊，報(bào)警和輸出電路等模塊 組成 。 燃?xì)鉄崴鳒囟瓤刂葡到y(tǒng)硬件部分按核心處理器、外圍電路和外部設(shè)備三部分來進(jìn)行設(shè)計(jì)。核心處理器選用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 89S51 系列單片機(jī)，該單片機(jī)功能強(qiáng)大，資源豐富 ，運(yùn)算速度快，滿足我們溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。外圍電路設(shè)計(jì)必要的電源電路，復(fù)位電路等。外部設(shè)備分為幾個(gè)部分加以設(shè)計(jì)：鍵盤輸入電路、 LCD 顯示電路，燃?xì)獗壤y控制電路， 溫度采樣電路、外部看門狗電路及蜂鳴器報(bào)警電路。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一路模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量輸入（熱水器出水口溫度）；三開關(guān)量輸入（溫度加一信號(hào)、溫度減一信號(hào)、確定輸入信號(hào)）； LCD 顯示部分分兩行顯示，第一行顯示設(shè)定的熱水溫度，第二行顯示實(shí)際出水溫度，顯示范圍為 0～ 99 度。控制器硬件結(jié)構(gòu)電路原理如圖 所示。 圖 硬件結(jié)構(gòu)原理圖 單 片 機(jī) 溫度測定電路 溫度設(shè)定電路 燃?xì)獗壤y控制電路 LCD 液晶顯示電路 看門狗電路 保護(hù)電路 安全報(bào)警電路 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 7 頁 共 49 頁 ① 溫度設(shè)定電路。通過一個(gè)按鍵產(chǎn)生脈沖輸入單片機(jī)來調(diào)節(jié)水溫的設(shè)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(jī)，是整個(gè)電路的控制核心，實(shí)現(xiàn) PID 模糊控制。 ④ LCD 液晶 顯示 電路 ，單片機(jī)通過 液晶 顯示溫度的設(shè)定值和實(shí)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(bào)警電路，當(dāng)實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，報(bào)警電路報(bào)警。 ⑦ 保護(hù)電路，當(dāng)出現(xiàn)干燒，溫度高于設(shè)定值等情況，自動(dòng)切斷電源，停止工作。 ⑧ 看門狗電路，用于單片機(jī)斷電保持和復(fù)位等。 系統(tǒng)性能指標(biāo) 1．測溫范圍： 0～ 99℃ 因?yàn)楸豢貐?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(shí)，根據(jù)多年總結(jié)的控制經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)燃?xì)鉄崴魈幱谧罴压ぷ鳡顟B(tài)時(shí)，最適合溫度應(yīng)該穩(wěn)定工作在40℃ 左右。 2．設(shè)定溫度 用戶可以自行設(shè)定任何一個(gè)測量點(diǎn)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(hù)和系統(tǒng)故障復(fù)位 利用 看門狗（ watchdog）電路，具有掉 電數(shù)據(jù)保護(hù)功能和系統(tǒng)故障復(fù)位功能。當(dāng)系統(tǒng)突然失電時(shí)，可以利用 看門狗中的 EEPROM 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，將控制系統(tǒng)中的正在運(yùn)算的數(shù)值和結(jié)果保存起來，當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)供電后，單片機(jī)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(shí)數(shù)據(jù)的安全。同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障死機(jī)或者程序跑飛進(jìn)入某個(gè)死循環(huán)后，可以利用看門狗電路向單片機(jī)發(fā)出復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)重新開始運(yùn)行。 4．報(bào)警功能 當(dāng)溫度測量數(shù)值偏離設(shè)定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，以提醒用戶及時(shí)查明故障原因和解決問題。同時(shí)當(dāng)溫度調(diào)節(jié)到位也由蜂鳴器發(fā)聲，告知用戶溫度調(diào) 節(jié)完畢，實(shí)現(xiàn)智能化。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 8 頁 共 49 頁 3 熱水器控制器系統(tǒng)分析 燃?xì)鉄崴鞯南到y(tǒng)組成與工作原理 燃?xì)鉄崴鹘Y(jié)構(gòu)上包括控制，供水與加熱，燃?xì)夤?yīng)與燃燒，供風(fēng)與排氣等多個(gè)組成單元，圖 。 圖 燃?xì)鉄崴骰窘Y(jié)構(gòu) 生活水回路，進(jìn)水一端接冷水，出水一端接洗浴裝置。冷水進(jìn)水端打開以后，水的壓力控制安全閥打開，燃?xì)膺M(jìn)入噴嘴，同時(shí)電子打火裝置也開始工作，燃?xì)忾_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(jī)運(yùn)用 PID 編程處理控制，達(dá)到水溫恒溫自動(dòng)控制。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 9 頁 共 49 頁 燃?xì)鉄崴鞯臄?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(shí)際輸出值 yout(t)構(gòu)成控制偏差： e(t)=rin(t)yout(t) (41) PID 控制就是對偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)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(shí)間常數(shù)； DT —— 微分時(shí)間常數(shù)。 PID 算法控制 的實(shí)現(xiàn) 由 51單片機(jī)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(shí)現(xiàn)的。51 單片機(jī)通過 AD 對信號(hào)進(jìn)行采集，變成數(shù)字信號(hào)，再在單片機(jī)中通過算法實(shí)現(xiàn) PID 運(yùn)算，再通過 DA把控制量反饋回控制源。從而實(shí)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 10 頁 共 49 頁 上圖的傳遞函數(shù)為： （ 21） 在時(shí)域的傳遞函數(shù)表達(dá)式 （ 22） 對上式中的微分和積分進(jìn)行近似 （ 23） 式中 n是離散點(diǎn)的個(gè)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 11 頁 共 49 頁 u(n)—— 第 k個(gè)采樣時(shí)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(jì)算可以獲得足夠精確的結(jié)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(jìn)行計(jì)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(diǎn)： 1） 由于全量輸出，所以每次輸出均與過去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí) e(k)(k=0,1,?n) 進(jìn)行累加，工作量大。 2)因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的 u(n)對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，輸出 u(n)將大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，有可能因此造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，這在實(shí)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(shè)計(jì)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(shí)間和微分時(shí)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(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)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(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)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(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào) 整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1)首先預(yù)選擇一個(gè)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(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)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(jì)算得到 PID控制器的參數(shù)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 12 頁 共 49 頁 在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)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(fù)雜，所以很難掌握，可按如下口訣進(jìn)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(fù)慢，積分時(shí)間往下降 曲線波動(dòng)周期長，積分時(shí)間再加長 曲線振蕩頻率 快，先把微分降下來 動(dòng)差大來波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長 理想曲線兩個(gè)波，前高后低 4 比 1 一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 13 頁 共 49 頁 4 燃?xì)鉄崴飨到y(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 元器件的選擇 單片機(jī)的選擇 （ 1）單片機(jī)芯片的選擇 MCS5 一 51系列單片機(jī)及其兼容機(jī)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(jī)已少見，代之以其它公司生產(chǎn)的 MCS 一 51系列兼容單片機(jī)。 在 Ateml 公司的系列產(chǎn)品中，常用的 AT89C 系列單片機(jī)己經(jīng)停產(chǎn)，因此 AT89S系列單片機(jī) 的價(jià)格比 AT89C 系列單片機(jī)低，而且 AT89S 系列單片機(jī)相對于 AT89C 系列單片機(jī)新增不少功能，性能有了較大提升