【正文】 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。老式而簡單的熱水器由于質(zhì)量差和技術(shù)落后等 原因，已經(jīng)越來越不被用戶所青睞，也就是說將逐步退出市場。而智能化的熱水器正符合人們的這一需求。這樣的熱水器，必將為家庭、小型飯店、賓館酒店提供配套服務(wù)。 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?xì)鉄崴鞯母偁幰酝?，還面臨著太陽能熱水器的競爭。并且隨著科技的不斷進(jìn)步，電熱水器也不再滿足于普通的加熱功能而已。部分高端熱水器還具有智能記憶功能，記憶用戶的用水習(xí)慣，在洗浴時間前自動提前加熱，非洗浴時段提供中溫生活用水，不僅讓用戶隨時隨地能享受到熱水，也更加節(jié)能。 當(dāng)前市面上的電熱水器分儲水式和即熱式。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(fèi)；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(fèi)，且減少耗能。 由于熱水器的加熱過程是一個非線性系統(tǒng)，且存在較大的滯后性。 針對上述問題，本次將設(shè)計(jì)一個即熱式電熱水器控制系統(tǒng)。 本文 對這次設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 3 第 1 章 系統(tǒng)功能需求分析與控制方案設(shè)計(jì) 本章主要內(nèi)容是根據(jù)本系統(tǒng)所要實(shí)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(jì)性、便利性等原則，從中選出一種最佳的實(shí)施方案，進(jìn)而在后續(xù)設(shè)計(jì)中得以實(shí)現(xiàn)。 硬件功能需求分析 結(jié)合上述的系統(tǒng)功能需求分析，硬件電路中需要具備以下幾個電路模塊，包括： 顯示電路，用來顯示時間、溫度信息； 鍵盤電路，用來手動設(shè)置時間、溫度； 時鐘電路，用來提供時鐘信號； 溫度采集電路，用來采集熱水器的水溫信息； 水流檢測電路，用來檢測熱水器的工作狀態(tài)； 加熱驅(qū)動電路，用來控制電熱水器的加熱工作。系統(tǒng)整體框圖如圖 所示。軟件設(shè)計(jì)采用分塊編寫程序的方案。 軟件方面最主要的是多功能的相互配合切換。因此需要一款顯示清晰，性 能可靠穩(wěn)定的顯示屏。數(shù)碼管應(yīng)用廣泛，顯示亮度高且電路連接簡單。而 LCD液晶顯示屏具有靈活多變，重量輕，占地小，功耗低、畫面豐富的優(yōu)點(diǎn)。滿足本模塊的顯示需求，且畫面質(zhì)量高，顯示清晰穩(wěn)定。 ： 本設(shè)計(jì)需要為用戶提供準(zhǔn)確的實(shí)時時間，故 需要單片機(jī)來提供時鐘信息。單片機(jī)內(nèi)部具有多個定時器，通常可由定時器中斷實(shí)現(xiàn)時鐘功能，十分方便。 方案二：選擇時鐘芯片。 由于本設(shè)計(jì)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(jì) 5 時鐘芯 片來提供時鐘信息。故此需要通過溫度傳感器檢測水溫并將信息傳送至單片機(jī)處理。傳統(tǒng)的溫度檢測大多以熱敏電阻為傳感器，采用熱敏 電阻 ，可滿足 40℃ 至 90℃的 測量范圍 。 至于 數(shù)字溫度傳感器 ， 常用的有 DS18B20，它能將采集到的 溫度信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并且方便進(jìn)行多點(diǎn)溫度采集，功耗也非常低，并且僅有一根總線傳輸，直接與單片機(jī)端口連接，電路非常簡單，主要通過編程來計(jì)算溫度 [3]。 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(jì) 選擇 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器 。以下有兩種方案可供選擇。 每個按鍵單獨(dú)與單片機(jī)的 I/O 接口連接，每個 I/O 口的工作狀態(tài)互不影響，采用端口直接掃描的方式，缺點(diǎn)是 每個按鍵都 占用單片機(jī)的 一個 I/O 口 。 行列式鍵盤工作原理是單片機(jī)內(nèi)部對 I/O 接口進(jìn)行行列掃描來確定哪一個鍵被按下，當(dāng)按鍵較多時可以降低占用單片機(jī)的 I/O 口數(shù)目。 本設(shè)計(jì)只需要 5 個按鍵完成溫度、時間的設(shè)置，選擇獨(dú)立按鍵即可滿足設(shè)計(jì)需求。 方案一：超聲波水流傳感器。但容易受到溫度、太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 6 噪聲等的干擾，受到單片機(jī)頻率限制，且價(jià)格較高，不適合本次設(shè)計(jì)?；魻杺鞲衅黧w積小，功耗小，容易安裝到通水管內(nèi)，工作溫度范圍廣，在工作溫區(qū)精度小于 1%，適用于溫度變化較大的場合。所以本模塊選擇霍爾傳感器。因此需要在單片機(jī)與加熱絲之間連接一個隔離驅(qū)動電路。將繼電器線圈接在控制回路中，常開觸點(diǎn)接在加熱電路中。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。該方案利用光耦驅(qū)動來做到強(qiáng)弱電安全隔離，利用雙向可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷來控制加熱絲的通斷。 綜上所述，本設(shè)計(jì)對加熱控制精度較高，需要對加熱絲功率進(jìn)行調(diào) 節(jié)。 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。根據(jù)國家住宅設(shè)計(jì)規(guī)范，現(xiàn)有商品住房的電器線路導(dǎo)線必須采用銅芯線，每套住宅進(jìn)線截面積不小于 10mm2,分支引線不小于 。本設(shè)計(jì)選擇 4500W 的功率，已經(jīng)能滿足用戶日常的用水需求。對于較偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)線截面積只有 的住宅，只需單獨(dú)使用一根住宅進(jìn)線也能安全安裝該熱水器。根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)出系統(tǒng)整體框架，給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的選取方案。 鍵盤輸入電路的設(shè)計(jì) 為了設(shè)置熱水器的時間和預(yù)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。 圖 鍵盤 與單片機(jī)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(jī)的 到 相接。 LCD1602 顯示電路的設(shè)計(jì) 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(jìn)行調(diào)節(jié)， 液晶顯示電路與單片機(jī) 連接電路如圖 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(fù)極 R/S 是數(shù)據(jù) /命令選擇端，與單片機(jī) 連接，當(dāng) R/S 接收低電平信號時，單片機(jī)對液晶進(jìn)行讀寫命令操作；當(dāng) R/S 接收高電平信號時，單片機(jī)對液晶進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)操作。 E 是使能端，與單片機(jī) 連接，當(dāng) E 置高電平時，單片機(jī)才能對液晶進(jìn)行讀寫操作。 DS1302 時鐘電路的設(shè)計(jì) DS1302 可以提供實(shí)時時鐘、日歷等信息并有閏年校正功能。 圖 DS1302 實(shí)時時鐘電路 DS1302 時鐘芯片只通過 3 根線進(jìn)行數(shù)據(jù)的控制與傳遞： RST(Reset)、SCLK(Serial clock)、 I/O(Data line)。時鐘芯片的管腳 X X2 連接 的晶振，提供振蕩頻率。只有將 RST 置高電平才能對時鐘芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作。 SCLK 上升沿，芯片寫入數(shù)據(jù)； SCLK 下降沿，單片機(jī)讀取芯片數(shù)據(jù)。芯片通過該端口將時鐘信息送至單片機(jī) [5]。本節(jié)介紹了 DS18B20 的特點(diǎn)和它與單片機(jī)的連接。 DS18B20 電路的設(shè)計(jì) 溫度傳感器與單片機(jī)的連接如圖 所示。 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(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，無需使用任何外圍元件， 故與單片機(jī)之間的連接相當(dāng)簡單。 數(shù)據(jù)段 DQ 與單片機(jī) P34 口連接進(jìn)行雙向通信，將采集的溫度數(shù)據(jù)直接傳送至單片機(jī)。本設(shè)計(jì)選擇霍爾傳感器作水流檢測元件。 本設(shè)計(jì)選擇永久磁鋼產(chǎn)生磁場。水流檢測電路如圖 所示。未通水時，霍爾器件離磁鋼較遠(yuǎn)，無法形成霍爾效應(yīng)。從而光耦輸出高電平，經(jīng)非門后輸出低電平的控制信號。三極管導(dǎo)通，光耦輸出高電平，經(jīng)非門后輸出高電平的控制信號 。 圖 水流檢測電路 加熱驅(qū)動電路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)需要對電熱水器 的加熱功率進(jìn)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(shí)現(xiàn)單片機(jī)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(shí)現(xiàn) [7]。在本設(shè)計(jì)中采用的是 MOC3042 光電雙向可控硅太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 11 驅(qū)動器，該驅(qū)動器結(jié)構(gòu)如圖 所示。管腳 4 和管腳 6 是輸出端，連接一個光控雙向可控硅。 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(dǎo)通，首先得了解晶閘管的導(dǎo)通及關(guān)斷條件。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。 光耦 MOC3042 的通斷是由輸入端控制的，單片機(jī)的 P24 端控制光耦的輸入端。 決定，因?yàn)殡p向可控硅的觸發(fā)角 錯誤 !未找到引用源。 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 12 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì) 加熱驅(qū)動電路如圖 所示。因此當(dāng)負(fù)載電流過零時，電感的存在負(fù)載電流不能即時發(fā)生變化。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]。其示意圖見圖 所示。該技術(shù)利用水自身電阻，對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 ”。由此可得水電阻???? 310445/2 2 0 mAVR 。cm（國標(biāo)規(guī)定自來水在 15℃時電阻率應(yīng)大于 1300Ω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(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 13 因此，當(dāng)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。所有 模塊設(shè)計(jì)完成后 ，進(jìn)行整理設(shè)計(jì) 得到系統(tǒng)的總體 原理圖 ，具體原理圖見附錄 。 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 14 第 3 章 控制算法設(shè)計(jì) 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(jìn)行控制，這里選擇的是利用 PID 控制算法。 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。 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(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號 e(t)，按照 PID 算法進(jìn)行運(yùn)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(jìn)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(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。 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(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 s /KJ），對式 31 變形，并將式32 代入式 31 中，得： iRpdtdRC ???? (33) 對式 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 s /KJ，延時選取 1s 典型值，得到傳遞函數(shù)： si esspssG ????? 110)( )()( ? (36) 參數(shù)整定及 MATLAB 仿真 建立完被控對象的數(shù)學(xué)模型后，需要對 PID 控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，并進(jìn)行MATLAB