【文章內(nèi)容簡介】 到控制加熱電路的通斷。該方案加熱絲只有通斷兩種狀態(tài)，且加熱滯后時間較大，無法調(diào)節(jié)加熱功率。 方案二：通過光耦與雙向可控硅控制。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通與關(guān)斷來控制加熱絲的通斷。并且通過控制可控硅的導通角達到調(diào)節(jié)加熱絲功率的目的。 綜上所述，本設(shè)計對加熱控制精度較高，需要對加熱絲功率進行調(diào) 節(jié)。因此選擇方案二作為加熱驅(qū)動模塊。 執(zhí)行器的選擇 對于即熱式電熱水器控制系統(tǒng)來說，其執(zhí)行器就是電熱絲。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，對安裝電路要求較高。根據(jù)國家住宅設(shè)計規(guī)范，現(xiàn)有商品住房的電器線路導線必須采用銅芯線，每套住宅進線截面積不小于 10mm2,分支引線不小于 。 的標準銅芯線能承受的最大電流是 28A，在 220V 市電供電下，每根導線能接 6000W 的負載。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。普通新購標準住宅的用戶都能 方便的安裝，無需對排管線路做改變 [4]。對于較偏遠地區(qū)進線截面積只有 的住宅，只需單獨使用一根住宅進線也能安全安裝該熱水器。 本章小結(jié) 本章介紹了本設(shè)計所完成的功能，完成了即熱式電熱水器控制系統(tǒng)功能需求分析。根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計出系統(tǒng)整體框架，給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計的選取方案。 太原科技大學畢業(yè) 設(shè)計 7 第 2 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 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)計之后，確定了本次設(shè)計所需的硬件，本章節(jié)對硬件部分的各個模塊電路進行設(shè)計。 鍵盤輸入電路的設(shè)計 為了設(shè)置熱水器的時間和預約溫度，可以使用按 鍵設(shè)置，共設(shè)置五個按鍵，分別是：時間鍵、溫度鍵、增加建、減小鍵和開關(guān)鍵。鍵盤與單片機的連接圖如圖 所示 。 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。 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。 LCD1602 顯示電路的設(shè)計 本模塊選用 LCD1602 液晶顯示屏來顯示時間和溫度，并且可通過按鍵進行調(diào)節(jié)， 液晶顯示電路與單片機 連接電路如圖 所示。 圖 LCD1602 與單片機的連接圖 太原科技大學畢業(yè) 設(shè)計 8 本液晶屏 有 16 個管腳， 1 號管腳接地， 2 號管腳接電源， 3 號管腳是液晶偏壓信號， 6 管腳接單片機的控制信號端， 7~14 管腳接單片機的數(shù)據(jù)端， 其接口信號如表 所示。 表 LCD1602接口信號說明表 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 GND 電源地 9 D2 Data I/O 2 VDD 電源正極 10 D3 Data I/O 3 VEE 液晶顯示偏壓信號 11 D4 Data I/O 4 R/S 數(shù)據(jù) /命令選擇端 12 D5 Data I/O 5 R/W 讀 /寫選擇端 13 D6 Data I/O 6 E 使能端 14 D7 Data I/O 7 D0 Data I/O 15 BLA 背光源正極 8 D1 Data I/O 16 BLK 背光源負極 R/S 是數(shù)據(jù) /命令選擇端，與單片機 連接，當 R/S 接收低電平信號時，單片機對液晶進行讀寫命令操作；當 R/S 接收高電平信號時，單片機對液晶進行讀寫數(shù)據(jù)操作。 R/W 是讀 /寫選擇端，與單片機 連接，當 R/W 接收低電平信號時，單片機 對液晶進行寫操作；當 R/W 接收高電平信號時，單片機對液晶進行讀操作。 E 是使能端，與單片機 連接，當 E 置高電平時，單片機才能對液晶進行讀寫操作。 D0~D7 數(shù)據(jù) I/O 口，與單片機的 ~ 連接，通過與單片機并行通信將需要顯示的數(shù)據(jù)傳送至液晶。 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。 其連接圖如圖 所示。 圖 DS1302 實時時鐘電路 DS1302 時鐘芯片只通過 3 根線進行數(shù)據(jù)的控制與傳遞： RST(Reset)、SCLK(Serial clock)、 I/O(Data line)。由 RST 和 SCLK 控制命令， I/O 傳輸數(shù)據(jù)。時鐘芯片的管腳 X X2 連接 的晶振，提供振蕩頻率。 RST 與單片機太原科技大學畢業(yè) 設(shè)計 9 連接， RST 是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂贫?。只有?RST 置高電平才能對時鐘芯片進行數(shù)據(jù)傳輸操作。 SCLK 總是輸入端，接單片機的 。 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)。 I/O 端是數(shù)據(jù)傳輸端，接單片機 。芯片通過該端口將時鐘信息送至單片機 [5]。 溫度采集電路的設(shè)計 本系統(tǒng)選擇 DS18B20 作為 溫度傳感器，它在本控制系統(tǒng)中的作用是測量溫度并轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)字量。本節(jié)介紹了 DS18B20 的特點和它與單片機的連接。 DS18B20 簡介 與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比， DS18B20有以下特點： （ 1） DS18B20只要一條總線即可實現(xiàn)單片機與 DS18B20的通信； （ 2） 電路設(shè)計時無需使用其他元件，因此與單片機連接電路簡單； （ 3） 電壓范圍： +~+， 可由單片機電源供電； （ 4） 測溫范圍廣，測量精度為 ℃ 。 DS18B20 電路的設(shè)計 溫度傳感器與單片機的連接如圖 所示。 圖 DS18B20 電路連接圖 芯片的 3 號管腳 VCC 接 5V 直流電， 1 號管腳 CND 接地， 3 號管腳 DQ 接單片機 。 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簡單。 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； 太原科技大學畢業(yè) 設(shè)計 10 （ 4） 處理數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)段 DQ 與單片機 P34 口連接進行雙向通信，將采集的溫度數(shù)據(jù)直接傳送至單片機。 水流檢測電路的設(shè)計 在通水管內(nèi)無水時加熱易發(fā)生事故 ，因此需檢測水流，做到通水通電，斷水斷電。本設(shè)計選擇霍爾傳感器作水流檢測元件?；魻柶骷惭b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。 本設(shè)計選擇永久磁鋼產(chǎn)生磁場。工作時令磁體與被測物運動來檢測磁場，并反饋信息。水流檢測電路如圖 所示。電路主要包括霍爾器件、放大電路與光耦。未通水時，霍爾器件離磁鋼較遠，無法形成霍爾效應(yīng)?；魻柶骷敵龈唠娖绞谷龢O管截止。從而光耦輸出高電平，經(jīng)非門后輸出低電平的控制信號。反之，通水時，霍爾器件輸出低電平。三極管導通，光耦輸出高電平，經(jīng)非門后輸出高電平的控制信號 。輸出的控制信號將控制加熱電路的繼電器的通斷 [6]。 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]。 大功率光耦 MOC3042 為了實現(xiàn)可控硅導通角的控制，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)導通。在本設(shè)計中采用的是 MOC3042 光電雙向可控硅太原科技大學畢業(yè) 設(shè)計 11 驅(qū)動器，該驅(qū)動器結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 MOC3042 引腳排列及內(nèi)部電路圖 管腳 1 和管腳 2 是輸入端，連接一個發(fā)光二極管。管腳 4 和管腳 6 是輸出端，連接一個光控雙向可控硅。當輸入 15mA 以上電流時，二極管發(fā)光使光控可控硅導通，從而接通負載電路。 驅(qū)動電路的工作原理 圖 雙向可控硅的伏安特性 要控制雙向可控硅的導通，首先得了解晶閘管的導通及關(guān)斷條件。雙向可控硅的伏安特性如圖 所示，無論門極是正的觸發(fā)電流還是負的觸發(fā)電流，都能觸發(fā)雙向可控硅導通。當電源電壓在正半周 時， 可控硅承受正向電壓，此時晶閘管導通，工作在第一象限。同理，當電源電壓在負半周時，可控硅承受反向電壓，晶閘管導通，工作在第三象限 [8]。 光耦 MOC3042 的通斷是由輸入端控制的，單片機的 P24 端控制光耦的輸入端。 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 錯誤 !未找到引用源。 決定，因為雙向可控硅的觸發(fā)角 錯誤 !未找到引用源?？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? 。 太原科技大學畢業(yè) 設(shè)計 12 驅(qū)動電路的設(shè)計 加熱驅(qū)動電路如圖 所示。 圖 加熱驅(qū)動電路圖 由于負載加熱絲存在少量電感，屬于感性負載。因此當負載電流過零時，電感的存在負載電流不能即時發(fā)生變化。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)斷的可控硅導通，也就是誤導通。在可控硅兩電極之間并聯(lián)一個 RC 串聯(lián)電路來吸收此電流 [9]。 漏電保護技術(shù) 為保證使用電熱水器時的用電安全，本設(shè)計 選擇“隔電墻”作為漏電保護。其示意圖見圖 所示。 圖 隔電墻示意圖 “隔電墻 ”的專業(yè)名稱為 “水電阻衰減隔離法 ”。該技術(shù)利用水自身電阻，對電熱水器中的通水管設(shè)計，材質(zhì)的選擇以及電氣阻尼技術(shù)等形成 “隔電墻 ”。按照國家標準， 220V 電壓下漏電電流小于 5mA，漏電時也能洗浴。由此可得水電阻???? 310445/2 2 0 mAVR 。自來水的電阻率為 1300Ωcm（國標規(guī)定自來水在 15℃時電阻率應(yīng)大于 1300Ωcm）。若絕緣管長 L，內(nèi)孔半徑 r，水介質(zhì)電阻 R，水電阻率 ? ，則 : 2232 1061 3 0 ????????? ?? (21) 太原科技大學畢業(yè) 設(shè)計 13 因此，當絕緣管長 L 大于 106 倍內(nèi)孔半徑的平方，即 L106r2,就可以保證自來水的水電阻作防漏電隔離。 本章小結(jié) 本章 詳細介紹了系統(tǒng)各個 硬件 模塊的設(shè)計，采用分塊描述， 介紹了各個模塊的特點以及電路連接。所有 模塊設(shè)計完成后 ，進行整理設(shè)計 得到系統(tǒng)的總體 原理圖 ，具體原理圖見附錄 。 硬件電路設(shè)計完成之后，在下一章介紹系統(tǒng)的控制算法。 太原科技大學畢業(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。本章節(jié)介紹 PID 控制算法并建立數(shù)學模型，以及對系統(tǒng)的仿真。 PID 控制算法 本系統(tǒng)是一個簡單離散控制系統(tǒng)，方框圖如圖 所示。它由被控對象、檢測元件、數(shù)字控制器、執(zhí)行器構(gòu)成。 數(shù)字控制器 加熱絲 水DS 18 B 20＋－Ｔ＋擾動r ( t )b ( t )e ( t ) u ( t ) P ( t ) T ( t )y ( t ) 圖 控制系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)工作時，被控過程的輸出信號（水溫） y(t)通過 DS18B20 檢測變換為數(shù)字量 b(t)， 并將溫度數(shù)字量 b(t)反饋給控制器的輸入端；控制器根據(jù)系統(tǒng)被控變量（溫度）的設(shè)定值 r(t)與 b(t)進行比較，產(chǎn)生偏差信號 e(t)，按照 PID 算法進行運算輸出控制信號 u(t)（ PWM 占空比）執(zhí)行器（加熱絲）根據(jù)控制信號 u(t)，通過改變操作變量 P(t)(加熱功率 )的大小，對被控對象（水）進行調(diào)節(jié)，克服擾動對系統(tǒng)的影響，從而使被控變量 y(t)趨于設(shè)定值 r(t)，達到預期的控制目標。 被控對象模型的建立 被控的熱力對象如圖所示 所示。 圖 熱力對象示意圖 假設(shè)加熱器不與外界產(chǎn)生熱量交換，當輸入水流量及溫度（ 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)太原科技大學畢業(yè) 設(shè)計 15 熱平衡方程，則： dtppCd oi )( ??? (31) Rpo ?? (32) C 為比熱容（ KJ/Kg℃）， R 為熱阻（℃ 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) 當出水流量為 6L/min,水的比熱容 C= ? J/Kg℃，熱阻 R=℃ s /KJ，延時選取 1s 典型