趙 悅，唐增平，徐士原，趙法定

(成都大學(xué)工業(yè)制造學(xué)院，四川成都 610106)

智能型熱水器的控制系統(tǒng)設(shè)計

趙 悅，唐增平，徐士原，趙法定

(成都大學(xué)工業(yè)制造學(xué)院，四川成都 610106)

設(shè)計了一種主要應(yīng)用于對水溫精度有較高要求的實驗場所或者工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的電熱水器智能控制系統(tǒng).系統(tǒng)以NEC78k0513D單片機(jī)為核心，Pt100為溫度傳感器，系統(tǒng)軟件采用模糊比例積分微分(Propotion-Integration-Differential，PID)控制算法實現(xiàn)智能控制，電路簡單高效實用.系統(tǒng)改善了普通水溫控制方法單一的問題，具有動態(tài)響應(yīng)快、溫度精度高等特點.

NEC78k0513D；模糊PID；智能；水溫

0 引 言

目前，市場上一些以電熱水器為代表的電器的溫度控制系統(tǒng)大都還采用可靠性較差的機(jī)械式溫度控制，這種簡單的測量和控制難以滿足人們對現(xiàn)代電器以及一些實驗場所的溫度控制要求.本設(shè)計利用微電子器件(Micro Control Unit，MCU)實現(xiàn)溫度的智能控制，以改善電熱水器的溫度控制性能.

1 系統(tǒng)框圖

本溫度控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、模數(shù)(Analog to Digital，A/D)轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤 、顯示 、漏電檢測和脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)輸出模塊組成.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可見，系統(tǒng)以NEC78k0513D單片機(jī)為核心，溫度檢測元件為Pt100.為了消除非線性的影響，采集的信號經(jīng)過硬件線性化處理后輸入給A/D轉(zhuǎn)換器，得到的信號輸入單片機(jī)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行相應(yīng)的操作，系統(tǒng)的人機(jī)界面由ZLG7290鍵盤和12864液晶顯示器組成.

2 硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)引腳分配設(shè)計

單片機(jī)引腳分配[1]的設(shè)計需要考慮系統(tǒng)的精度要求，而且經(jīng)過線性化的電路輸出電壓在100 mV以上，采集的信號變化率基本為10 mV/℃左右.對此，系統(tǒng)采用了12位的轉(zhuǎn)換器，5 V的參考電壓，其精度可以接近1 mV，可完全滿足要求而且在保證溫度精度0.5℃的情況下還保有余量.單片機(jī)引腳分配設(shè)計如圖2所示.

圖2 單片機(jī)引腳分配與A/D轉(zhuǎn)換器連接

2.2 信號采集電路設(shè)計

溫度信號采集電路選用適用于大多數(shù)場合的3線制接法(見圖3):由公共端接入地，另外2段串入測量電路，右側(cè)接入橋式電路[2].由于溫度檢測元件Pt100的溫度與阻值之間的關(guān)系不是簡單的正比關(guān)系，故需要對采集到的電信號進(jìn)行線性化處理.對此，本設(shè)計在電路中引入正反饋，打破電阻和電壓的線性關(guān)系，從而彌補了溫度和熱電阻的非線性關(guān)系，并采用硬件線性化方案(見圖3)再配合軟件分段參數(shù)修正，以確保采集數(shù)據(jù)的精度.

圖3 硬件線性化設(shè)計

公式推導(dǎo)如下，

2.3 人機(jī)界面設(shè)計

在系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計上，ZLG7290鍵盤采用IIC總線接口，可提供自動消除抖動、連擊鍵計數(shù)及按鍵中斷等功能(見圖4)，為了實現(xiàn)人性化的人機(jī)界面，本設(shè)計選擇了點陣字庫12 864液晶來顯示[3].

圖4 人機(jī)界面設(shè)計圖

2.4 PWM波加熱輸出控制

系統(tǒng)的加熱控制是通過改變加熱器平均工作功率來改變加熱量.硬件測溫后，再通過軟件計算分析改變輸出PWM波的占空比[4](見圖5)，此占空比作為觸發(fā)信號，接到雙向晶閘管的控制端，以此控制電源的開斷.

圖5 PWM波輸出控制電路

3 程序設(shè)計

本溫度控制系統(tǒng)的程序設(shè)計主體按照3種不同的功能模塊編寫，分別是測溫、快速加熱和定時加熱.進(jìn)入溫度調(diào)節(jié)模式以后，通過人機(jī)界面的鍵盤輸入加熱目標(biāo)溫度和定時加熱時間，然后進(jìn)入模糊PID溫度調(diào)節(jié)階段[5-6]，控制系統(tǒng)流程圖如圖6所示.

圖6 控制系統(tǒng)程序流程圖

4 結(jié) 語

本智能型熱水器的溫度控制系統(tǒng)在硬件上采用78K0/KC2系列單片機(jī)，結(jié)合模糊PID控制，并通過軟件對硬件線性化函數(shù)常數(shù)項進(jìn)行試驗修正，其溫度智能控制效果顯著.實驗表明，本控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，能夠使溫度控制達(dá)到較高的精度.

:

[1]U17336CA4V0UD.78K0/KC2用戶手冊[M].日本:NEC Electronics Corporation，2005.

[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ):模擬部分[M].北京:高等教育出版社，2006.

[3]閻石.數(shù)字電子基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社，2006.

[4]熊朝暉.模糊邏輯在溫度控制的應(yīng)用[J].計量與測試技術(shù)，2002，29(5):16-18.

[5]王小增.基于LPC2103的模糊PID溫度控制器設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2011，49(7):165-167.

Design of Intelligent Controller for Electrical Water Heater

ZHAO Yue，TANGZengping，XU Shiyuan，ZHAOFading

(School of Industrial Manufacturing，Chengdu University，Chengdu 610106，China)

An intelligent control system of an electric water heater was designed，which mainly used in temperature accuracy with higher requirements for the experimental sites or industrial production environment.Nec78k0513d microcontrollerwas used as the core ，Pt100 as temperature sensor.The circuit was simple ，efficient and practical.The software used a fuzzy PID control algorithm to complete the intelligent control.The fact that the general water temperature is controlled by single method is improved by the system with fast dynamic response，high accuracy temperature and energy-saving features.

NEC78k0513d ；fuzzy PID ；intelligent；water temperature

TP273+.5

A

1004-5422(2012)04-0372-03

2012-06-12.

趙 悅(1971—)，女，碩士，副教授，從事測試技術(shù)與自動化裝置研究.