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

廣東理工學(xué)院電氣工程系 宮占霞 焦根平

本文針對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，對單片機(jī)的選型進(jìn)行簡單介紹，然后介紹本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)通過使用PID控制算法與單片機(jī)以及其它模塊的結(jié)合，設(shè)計控制電路，完成對水溫的實(shí)時控制。

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柲軣崴?。本文研究的產(chǎn)品對象僅僅是家用燃?xì)鉄崴?。在現(xiàn)有熱水器的水溫控制中，一般都是采用出水口瞬時加熱或者整體加熱后以容器保溫為主，本文設(shè)計的系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)實(shí)時水溫的控制。

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)

控制是通過單片機(jī)來實(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)”,目前在我國廣泛使用此系列單片機(jī)都有位、若干個并行接口、位定時器、計數(shù)器、容量有限的以及中斷處理功能，功能強(qiáng)大，價格低廉，適合單片機(jī)自動噴灌系統(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，具體使用時可根據(jù)市場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

2.1 溫度測量電路的設(shè)計

使用溫度傳感器將測量的變化的溫度轉(zhuǎn)換為變換的電信號。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)簡單，工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計使用熱電偶來將變化的溫度轉(zhuǎn)換為變換的電信號。

2.2 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

在以單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)中，被測對象的有關(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)對模擬量得測量和控制，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，它由通道模擬開關(guān)和轉(zhuǎn)換兩部分組成，其轉(zhuǎn)換時間大約為，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

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，值小，的電位差較小，輸出高電壓，導(dǎo)通，導(dǎo)通，此時電熱器有電流流過。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，輸出低電壓，與均無法導(dǎo)通，電熱器無電流流過，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)對話接口電路的設(shè)計

計算機(jī)測控系統(tǒng)通常都要有人機(jī)對話功能，以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的操作管理，這主要是通過外部輸入輸出設(shè)備來進(jìn)行的。而良好的人機(jī)對話則是充分發(fā)揮控制系統(tǒng)功能的必要條件。人機(jī)對話的功能：操作員可以將數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)內(nèi)部，主要是通過測控系統(tǒng)操作面板上的鍵盤來實(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，主要是通過顯示記錄和報警等裝置實(shí)現(xiàn)的。

2.5 輸出控制電路設(shè)計

自動測控系統(tǒng)的工作過程為：通過傳感器對受控對象進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)的采集工作，將采集的數(shù)據(jù)通過轉(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)的輸出信號加到執(zhí)行器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)來對其進(jìn)行控制，直接對被測量進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到將被測量控制在設(shè)計范圍內(nèi)的目的。

在測控系統(tǒng)中，單片機(jī)最終要對控制對象實(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，使輸出電路狀態(tài)發(fā)生改變，從而驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作的（見圖3）。

3 結(jié)論

本溫度控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，整個系統(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。通過一系列的控制，完成了對水溫的實(shí)時控制，具有價格低、性能好等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 控制系統(tǒng)圖

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

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

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

[4]萬福君．單片微機(jī)原理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M]．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社(第2版),2002．