熱水器水溫控制器設(shè)計(jì)

廣東理工學(xué)院電氣工程系 宮占霞 焦根平

熱水器水溫控制器設(shè)計(jì)

廣東理工學(xué)院電氣工程系 宮占霞 焦根平

本文針對(duì)熱水器水溫的控制進(jìn)行研究。首先給出PID控制系統(tǒng)原理圖，對(duì)單片機(jī)的選型進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，然后介紹本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)使用PID控制算法與單片機(jī)以及其它模塊的結(jié)合，設(shè)計(jì)控制電路，完成對(duì)水溫的實(shí)時(shí)控制。

單片機(jī)；PID控制；控制電路

0 引言

在快節(jié)奏的現(xiàn)代生活，家用電器成為了人們每天生活中的必需品，這些電器包括電視機(jī)、冰箱、洗衣機(jī)等等，漸漸的，熱水器已普遍進(jìn)入百姓家中。熱水器一般可以分為燃?xì)鉄崴鳌㈦姛崴骱吞?yáng)能熱水器。本文研究的產(chǎn)品對(duì)象僅僅是家用燃?xì)鉄崴鳌Ｔ诂F(xiàn)有熱水器的水溫控制中，一般都是采用出水口瞬時(shí)加熱或者整體加熱后以容器保溫為主，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)水溫的控制。

1 控制系統(tǒng)

1.1 PID控制

控制通常被應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。被控對(duì)象與模擬控制器共同組成此系統(tǒng)。[1]

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖

1.2 單片機(jī)

控制是通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，下面介紹下單片機(jī)的選型。

系列單片機(jī)被譽(yù)為“控制領(lǐng)域的最佳位機(jī)”,目前在我國(guó)廣泛使用此系列單片機(jī)都有位、若干個(gè)并行接口、位定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、容量有限的以及中斷處理功能，功能強(qiáng)大，價(jià)格低廉，適合單片機(jī)自動(dòng)噴灌系統(tǒng)使用[2]。系列單片機(jī)雖由多家公司生產(chǎn)，可芯片的引腳及指令系統(tǒng)都是兼容的，即不管以哪家公司生產(chǎn)的芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)的，換成其他公司的同類芯片也可正常使用。本課題用進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體使用時(shí)可根據(jù)市場(chǎng)行情選擇其他公司生產(chǎn)的系列單片機(jī)。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

使用溫度傳感器將測(cè)量的變化的溫度轉(zhuǎn)換為變換的電信號(hào)。使用最廣泛的溫度傳感器有熱電偶、集成溫度傳感器、熱電阻等等。因?yàn)闊犭娕季哂袘?yīng)用范圍廣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)使用熱電偶來(lái)將變化的溫度轉(zhuǎn)換為變換的電信號(hào)。

2.2 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

在以單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)中，被測(cè)對(duì)象的有關(guān)參量是連續(xù)變化的模擬量，而單片機(jī)只能處理數(shù)字量。要實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量得測(cè)量和控制，必須將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以后再傳輸給計(jì)算機(jī)處理。是一種位逐次逼近式轉(zhuǎn)換器，它由通道模擬開(kāi)關(guān)和轉(zhuǎn)換兩部分組成，其轉(zhuǎn)換時(shí)間大約為，轉(zhuǎn)換精度為，足以滿足各方面的精度要求[3]，所以，我們選擇是作為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。

2.3 溫度控制電路設(shè)計(jì)

溫控電路原理:從電壓跟隨器的同相輸人端輸入，的輸出信號(hào)從放大器同相輸入端輸入。, 分壓節(jié)點(diǎn)電位約為 ,接到的反相輸人端。的電位差流經(jīng)，輸出信號(hào)從比較器反相輸人端輸入，同的輸入電壓比較。當(dāng)溫度較低時(shí)，值小，的電位差較小，輸出高電壓，導(dǎo)通，導(dǎo)通，此時(shí)電熱器有電流流過(guò)。隨著溫度的上升，逐漸增大，電壓值增大，因此的輸出電壓增大。當(dāng)反相輸人端電位比同相輸入端電位高時(shí)，輸出低電壓，與均無(wú)法導(dǎo)通，電熱器無(wú)電流流過(guò)，水的溫度降低，降低，循環(huán)往復(fù)，達(dá)到保溫的效果。調(diào)節(jié)使剛剛關(guān)斷為止[4]。以后就不要再調(diào)了，除非另外設(shè)置溫度。

溫控電路如圖2所示。

圖2 溫度控制電路

2.4 人機(jī)對(duì)話接口電路的設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)通常都要有人機(jī)對(duì)話功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的操作管理，這主要是通過(guò)外部輸入輸出設(shè)備來(lái)進(jìn)行的。而良好的人機(jī)對(duì)話則是充分發(fā)揮控制系統(tǒng)功能的必要條件。人機(jī)對(duì)話的功能：操作員可以將數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)內(nèi)部，主要是通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)操作面板上的鍵盤來(lái)實(shí)現(xiàn)的；系統(tǒng)可以將運(yùn)行結(jié)果與狀態(tài)顯示給操作員，主要是通過(guò)顯示記錄和報(bào)警等裝置實(shí)現(xiàn)的。

2.5 輸出控制電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的工作過(guò)程為：通過(guò)傳感器對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集工作，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)轉(zhuǎn)換器輸入到單片機(jī)微處理器中進(jìn)行一系列的控制運(yùn)算，單片機(jī)的輸出信號(hào)加到執(zhí)行器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)對(duì)其進(jìn)行控制，直接對(duì)被測(cè)量進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到將被測(cè)量控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的目的。

在測(cè)控系統(tǒng)中，單片機(jī)最終要對(duì)控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)控制操作的。控制輸出是CPU實(shí)現(xiàn)控制運(yùn)算處理后向執(zhí)行器件發(fā)出控制信號(hào)，使輸出電路狀態(tài)發(fā)生改變，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的（見(jiàn)圖3）。

3 結(jié)論

本溫度控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，整個(gè)系統(tǒng)由溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤顯示電路和輸出控制等組成。通過(guò)一系列的控制，完成了對(duì)水溫的實(shí)時(shí)控制，具有價(jià)格低、性能好等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 控制系統(tǒng)圖

[1]鄭風(fēng)閣．輪機(jī)自動(dòng)化[M]．大連海事大學(xué)出版(第1版),1998．

[2]楊明永．輪機(jī)自動(dòng)化[M]．人民交通出版社(第1版),1988．

[3]于海生．微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]．清華大學(xué)出版社(第1版),1999．

[4]萬(wàn)福君．單片微機(jī)原理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]．中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社(第2版),2002．