車載淋浴方艙控制器的研究與設計*

趙建華　吳延賓

(西安工業大學　西安　710021)

?

車載淋浴方艙控制器的研究與設計*

趙建華吳延賓

(西安工業大學西安710021)

摘要論文提出了一種適合在野外使用的車載淋浴方艙控制器的設計方案,該控制器能夠實現對多臺熱水器的控制,克服天氣、時間、地點等環境因素的影響,滿足大量人群的洗浴要求。該控制器以Cygnal公司的C8051F040單片機為控制核心,采用了溫度、流量、液位等傳感器進行數據采集,運用PID算法進行水溫控制,同時還具有溫度信息顯示和報警功能([1])。該控制器在現實生活中具有重要的價值和意義。

關鍵詞淋浴方艙控制器; C8051F040; PID算法

Research and Design for Truck Shower Shelter Controller

ZHAO JianhuaWU Yanbin

(Xi’an Technological University, Xi’an710021)

AbstractA new way is put forward to design a truck shower shelter controller which is used outdoors. The controller can control many heaters, and it can solve the problems about wheater, time and the place, which satisfies the demand for a large number of people to take a bath outdoors. The controller uses C8051F040 microcontroller produced by Cygnal company as the control core. The control system uses temperature sensors, flow sensors, liquid level sensors for data acquisition, and use PID algorithm to the water temperature control. The controller also has the functions of showing the temperature informations and alarm function. The controller has an important value and significance in real life.

Key Wordsshower shelter controller, C8051F040, PID algorithm

Class NumberTP393

1引言

近些年來我國一些地區自然災害頻繁發生給人們的生活帶來了很大影響,洗浴對于處在災區里邊的人們來說更是一種奢望。隨著社會競爭越來越激烈,人們生活的節奏增強,許多公司都會定期組織員工到野外進行拓展訓練,在野外生活中,洗浴成了一大難題。

市場上現存的熱水器并不能滿足大量人群在野外的洗浴要求,在綜合分析熱水器的使用環境和條件的基礎上,提出了一種車載淋浴方艙溫度控制器的設計方案,它能夠實現一臺控制器對多臺熱水器的控制,滿足了大量人群在野外生活中的洗浴要求。

2淋浴方艙整體結構介紹

淋浴方艙主要由主控制器、熱水器終端、流水管道、自吸水泵、混合水罐、軟體水罐組成。

主控制器是該系統的控制核心,其主要功能是

1) 混合水罐的水溫、流量和液位信息檢測。

2) 計算出達到設定水溫所需要的熱量。

3) 向熱水器終端發送指令是否向加熱。

熱水器終端主要是接收主控制器的指令[2],對熱水進行加熱。流水管道是連接各個熱水器和混合水罐的通道。混合水罐儲存熱水器終端的熱水,供人們使用。自吸水泵是用來添加冷水的裝置。軟體水罐用來儲存冷水。

淋浴方艙系統整體結構如圖1所示。

圖1　淋浴方艙整體結構

混合水罐與熱水器之間通過循環泵連接進行水循環,軟體水罐與混合水罐之間用自吸泵相連接進行冷水的補充。其工作過程為:在循環泵的作用下,混合水罐里的水在熱水器和混合水罐之間進行循環流動,溫度傳感器對混合水溫進行檢測。當采集到的混合水溫達到設定的溫度時,熱水器自動關閉,混合水罐處于保溫狀態,熱水可以供人使用。在使用過程中,根據混合水罐的水位變化,自吸泵自動向混合水罐內加水[3]。

其工作過程:

1) 設定所需的洗浴溫度t1;

2) 檢測進入熱水器的水溫為t2;

3) 根據進水流量計算出水的總質量m;

4) 根據熱量公式計算出達到設定溫度時所需要的熱量Q=cm(t1-t2),c為水的比熱容;

5) 根據計算出的熱量主控制器向熱水器終端發送指令確定熱水器的數目[4]。

3硬件電路的設計

主控制器的結構如圖2所示。

圖2　淋浴方艙主控制結構

該水溫控制系統以單片機C8051F040為核心,由傳感器模塊、時鐘模塊、按鍵模塊、電源模塊、LED顯示模塊構成。

1) 主控制器的控制核心采用的是C8051F040[5]。

C8051F040單片機美國德克薩斯州的Cygnal公司設計制造的混合信號片上系統級單片機,它不同于普通8050、51、59系列單片機[6],它具有更強的生命力,運行速度可以達到100MIPS。

C8051F040有100個管腳,主要由三部分組成:高速微控制器內核、模擬外設、數字外設。模擬外設具有一個12位的SARADC,兩個12位的DAC等特性。數字外設八個8位寬I/O端口,可編程的16位定時器/計數器陣列。芯片內置CAN控制器,利用CAN協議可以執行一系列的信息交換。CAN控制器很容易在CAN網絡實現信息交流并和basic CAN 2.0A和2.0B兼容。CAN控制器包含有一個CAN內核、RAM信息塊、一個信息處理狀態機和控制寄存器[7]。

2) 傳感器模塊

傳感器模塊主要用到液位傳感器,流量傳感器,溫度傳感器。

溫度傳感器采用NTC熱敏電阻,利用NTC熱敏電阻在一定電壓下,電阻值隨著溫度上升而迅速下降。利用這一特性,可測量經過NTC熱敏電阻的電壓信號,根據熱敏電阻溫度特性曲線,將電壓信號轉換成溫度信息。

流量傳感器主要用來測量進入混合水罐的水的質量,通過水的質量計算出加熱到設定溫度所需要的熱量。

液位傳感器主要主是對于混合水罐中水位的檢測。當混合水罐中水位上升或者下降到臨界值時,控制器會根據檢測到的液位信息,自動控制水泵的打開或者關閉,從而實現對水位的控制。

3) 按鍵模塊的主要功能是設定所需要的溫度。

4) 顯示模塊使用LED顯示屏,顯示當前的檢測到的水溫信息以及液位信息等。

5) 報警模塊的主要功能是對淋浴方艙主控制器操作的提示和報警功能。當傳感器的數據出現異常時,比如熱水器溫度偏高,水罐液位偏低等信息,語音模塊會進行報警。工作人員可以根據語音報警,對熱水器進行故障查詢。

6) 電源模塊為電源控制器芯片提供電壓。C8051F040單片機工作電壓為3.3V,電源電路的設計采用了TPS79333低壓穩壓器,將5V的直流電壓經過濾波電路和穩壓器產生3.3V的電壓供芯片使用。

7) 時鐘模塊采用DS1302對主控制的工作時間進行計時人們可以通過時間,對熱水器進行維護。

4水溫控制算法

由于水溫控制采用閉環方式,系統中存在振蕩、穩定性等問題,因此系統中要加入合適的算法作為調節。設計中采用了PID調節器。它的原理簡單,容易實現,適用范圍廣[8]。數字增量式PID算式

最終可以簡化為

Δk=u(k)-u(k-1)

=a0e(k)-a1e(k-1)+a2e(k-2)

比例控制器KP有降低上升時間的作用,但是不能消除穩態誤差;積分控制器作Ki有消除穩態誤差的作用,但是它可能使瞬態響應變得更壞;微分控制Kd有增加系統穩定性,降低超調量,并且改善瞬態響應的作用[9]。

5軟件設計

圖3　軟件設計流程圖

軟件設計思路:主控制器根據采集到的數據信息判斷溫度、液位數據是否異常,并計算出達到設定溫度所需要的熱量。然后由主控制器通過CAN總線向熱水器終端發送指令,控制熱水器的工作狀況。若檢測的混合溫度達到設定標準時,熱水器關閉,若采集到的溫度信息未達到設定值時,熱水器繼續工作[10]。其軟件設計流程圖如圖3所示。

6實驗結果分析

在完成主控制器的設計后,對該淋浴方艙系統進行了實驗。設定洗浴水溫度為40℃,并對數據進行測試分析。在實驗過程中,隨著混合水罐中水位的變化,混合水溫一直保持在39.5℃~40.5℃之間,在誤差范圍內滿足人們的洗浴要求。溫度數據信息如圖4所示。

圖4　溫度檢測信息

7結語

本文提出了以C8051F040為控制核心結合PID水溫控制算法的車載淋浴方艙控制器的設計方案。主控制器可以隨著混合水罐水位和溫度的變化,實現對熱水器終端的自動控制。通過多次理論研究和實驗分析,在使用過程中,水溫能夠控制在38℃~42℃之間,滿足人們的洗浴要求。該淋浴方艙控制器的設計方案具有良好的控制效果,在現實生活中具有很好的應用價值。

參 考 文 獻

[1] 于光普,黎東升,尤傳富.智能水溫控制系統的設計及實現[J].吉林工學院學報,2011,(1).

YU Jinguang, LI Dongsheng, YOU Chuanfu. The design and implementation of intelligent temperature control system[J]. Journal of Jilin Institute of Technology,2011.

[2] 張波.基于C8051F040單片機的嵌入式系統開發.華中科技大學碩士學位論文[D].武漢:華中科技大學圖書館,2005.

ZHANG Bo. Based on C8051F040 MCU embedded system development. Master’s degree in huazhong university of science and technology[D]. Wuhan: Library of Huazhong University of Science and Technology,2005.

[3] 明鑫,陳可中,王戎丞.基于單片機的水溫控制系統[J].現代電子技術,2005,28(6):1-2.

MING Xin, CHEN Kezhong, WANG Rongcheng. The water temperature control system based on single chip microcomputer[J]. Modern Electronic Technology,2005,28(6):1-2.

[4] 郭天祥.51單片機C語言教程——入門、提高、開發、拓展全攻略[M].北京:電子工業出版社,2009.

GUO Tianxiang. 51 singlechip C language tutorial[M]. Beijing: Electronic Industry Press,2009.

[5] 鮑官軍,計時鳴.CAN總線技術、系統實現及發展趨勢[J].浙江工業大學學報,2003,2.

BAO Guanjun, JI Shiming. CAN bus technology, system implementation and development trend[J]. Journal of Zhejiang University of Technology,2003,2.

[6] 陳忠華.基于單片機的溫度智能控制系統的設計與實現[D].大連:大連理工大學碩士學位論文,2006.

CHEN Zhonghua. Based on single chip microcomputer intelligent temperature control system design and implementation[D]. Dalian: Master degree theses of master of dalian university of technology,2006.

[7] Stephan W. Mondwurf. Fourth IEEE International Caracas Conference on Devices, Circuits and Systems[C].Aruba,2002.

[8] 胡壽松.自動控制原理[M].第三版.北京:國防工業出版社,1994.

HU Shousong. Automatic control principle[M]. Third Edition. Beijing: National Defence Industry Press,1994.

[9] 王寶剛,李東潔.基于STC89C52水溫自動控制系統的設計[J].制造業自動化,2012,9(9):111-113.

WANG Baogang, LI Dongjie. Based on STC89C52 water temperature automatic control system design[J]. Journal of Manufacturing Automation,2012,9(9):111-113.

[10] 長飛.C805lF040系列單片開發與C語言編程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2000:191-252.

CHANG Fei. C8051F040 series single chip and C language programing development[M]. Beijing: Beijing University of Aeronautics and astronautics Press,2009:191-252.

中圖分類號TP393

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.03.039

作者簡介:趙建華,男,副教授,研究方向:嵌入式控制系統。吳延賓,男,碩士研究生,研究方向:嵌入式控制系統。

收稿日期:2015年9月13日,修回日期:2015年10月27日