基于PID控制算法的热水器智能控制系统设计——温控系统设计

2 热水器智能控制系统的总体方案设计

2.1实时温控系统的控制原理
能量守恒定律
设置流量传感器及温度传感器放入在储水热水器的进水端，随后用通过单片机去获取水温度及流量的值，然后算出一个能量值是温度提升所需要的数值，通过公式将这个得出加热这个温度时候所需要的功率，在通过单片机的控制引脚将功率转换到加热器上。
Q=Cm△T M=pv （式2.1）

表2.1公式的定义
C 比热容 焦/千克•摄氏度
M 水的质量 kg
△t 水温变化量 °C
p 水的密度 kg/
根据流量的定义可知最后推出
P=4200×流量X △T／60(流量单位L／min) （式2.2）
系统中将水温到达所要求的温度，根据上述公式计算所需功率大小，以达到所需要的温度值，而且为了减少程序中单片机的工作量，把事先算好的记升高一摄氏度所需要的能量，然后罗列好各种数据，当工作的时候单片机检测到的流量后可以直接得系统需要的基础功率，然后提供所需的的功率
PID控制原理
pid控制基本原理介绍
比例环节：基础比例环节缺点为较容易产生稳态的误差；
积分环节：消除稳态的误差缺点就是增加了超调量
微分环节：加大惯性响应的速度，减弱超调的趋势

图2.1典型的闭环控制系统
= （式2.3）
在完美的情况下， R（s）和C（s）的传递函数是为1。可是过程的消息的得到的处理都需要一定的时间，这个传递函数为：
= （式2.4）

2.2总体方案设计

图2.2结构系统原理图
2.2.4加热技术

图2.3从左到右为铠装、镀膜、镍金
（1）电热管加热（铠装式）
工作原理：其耐高温的材质放在又合金构成的无缝管中均匀的排放这。致密分布的结晶氧化镁粉末填充了间隙。施加电流后，电流流经电阻线并产生热量，随后金属管的温度开始升高，热量通过在其表面加热，然后热量转移到水中达到预想的温度值。
优点：能量传递效率高，发热均匀，生产的工艺不复杂，成本相对低；
缺点：容易产生污垢，管子极易被腐蚀，

（2）石英加热管（镀膜）
工作原理：加热器采用乳白色石英玻璃管和经过特殊处理的耐腐蚀合成材料。 由其自身的特点可以进行高效率的转换，吸收和升高管中的温度会产生纯硅-氧键的分子振动，从而使95％的可见光和近红外光转换成热能并转移到水中以实现加热。
优点分析：传递能量的效率高，对于物体的增温均匀，并且生产工艺简单且成本较低；
缺点： 耐快速冷却和耐热性差，容易破裂，泄漏，耐压性，长期使用会衰减

（3）镍金加热
工作原理：自身镍含量极高是普通加热丝的无法达到的，将其放入水中进行加温，工作的环境无隔离层和绝缘层中间。
优点：可以将能量几乎达到99以上的传递效率，而且不会产生杂质，适合各种不同的水环境；
劣点：价格过高，且工作的适合需要添加隔电墙以防止强电。
2.3本章小结
本章通过对热水器的加热方式，安全技术，温控方面的研究，对热水器进行了初步的了解，对后面的实验以及设计做好铺垫，特别对于整个的系统以及智能控制做好了准备。

3温控系统硬件电路设计

图3.1控制系统总体框架图
温控系统控制的构成为：温度的检测模块，单片机控制系统，键盘显示电路和引擎控制单元组成。在本设计中，以AT89C52单片机为主要控制器，形成热水器水温微控制系统。在这设计中使用该传感器使用内置的单级温度敏感传感器DS18B20，该传感器用于确定水温并负责将检测到的水压转换为模拟信号。另一方面，它通过LED显示当前的温度和水位，而且它与设定的温度和水位进行比较和计算，并根据结果发送适当的加热和冷却指令。调节热水器的温度。
3.1最小系统应用电路

图3.2 AT89C52外部管脚排列图
3.6 电机升降温电路
其工作机制为当前的温度高于设定温度的峰值时，Moter1降温电机工作。当前的温度低于设定下限时，Moter2升温电机工作。电机升降温电路如图3.9所示。

图3.9 电机升降温电路

4 基于PID控制算法的温控系统软件设计

4.1 程序流程设计

图4.1工作流程
首先在编写程序上先设定好所需要的温度上下限定，在其工作的时候开始温度传感器开始获取当前的温度，随后把信息传入单片机中，此时来判断当前的温度是否满足我们所需要的温度，当不满足条件的时候分为两种情况：一超过了预想温度最高值，低于预想温度最低值，当超过最高值的时候，红灯亮起，加热的开关被断开。当温度降低到正常使用范围内结束工作。二低于设定温度的最低值，黄灯亮起，启用电机升高温度。达到所需要的温度。若当温度满足所设定的区间，则整个流程结束。

5系统调试
5.1调试过程
在本次仿真中使用的是keil u Vision仿真器，首先先用汇编语言keil的有的函数库和c语言编写的文件放在一起，然后创建生成文件库转换为hex的文件，再将其导入写入的cpu存储器当中。
电路设计制作完成后，先用keil u Vision仿真器进行调试。
（1）、使用菜单“Project/New Project”出现一个对话框，然后给将要建立的工程取一个名字，单击保存后会出现另外一个对话框选择系统所使用的单片机型号，本系统所使用的单片机型号为AT89c52。选中后回到工程窗口的页面打开“Tatget”的下一层，“Source Group 1”单机右键选中“Add file to group ‘Source Group 1’”,出现对话框，选择系统所用的源文件即可。
（2）单击“Project/Target 1”出现对话框选中“Target”页面修改单片机的频率项Xtal(MHz）为12.选中“Out put”页面选中“Create HEX”选项。
（3）编译连接通过“Project/Rebuild all Target Files”来实现
（4）在Protues上画出电路图，并将keil所生成的Hex文件调入到电路中的单片机内，点击运行。
5.2调试结果

图5.1仿真温度高于设定温度
连接好电路图将程序hex文件植入单片机内，单片机开始运行，此时我们在ds18b20设置温度为32在其最高最低温度设为30-20此时系统判定当温度高于设定上限时，Moter1降温电机工作红灯亮。直到温度恢复工作停止。

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