熱水器水溫控制器設計

廣東理工學院電氣工程系 宮占霞 焦根平

熱水器水溫控制器設計

廣東理工學院電氣工程系 宮占霞 焦根平

本文針對熱水器水溫的控制進行研究。首先給出PID控制系統(tǒng)原理圖，對單片機的選型進行簡單介紹，然后介紹本系統(tǒng)的硬件結構。整個系統(tǒng)通過使用PID控制算法與單片機以及其它模塊的結合，設計控制電路，完成對水溫的實時控制。

單片機；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、冰箱、洗衣機等等，漸漸的，熱水器已普遍進入百姓家中。熱水器一般可以分為燃氣熱水器、電熱水器和太陽能熱水器。本文研究的產品對象僅僅是家用燃氣熱水器。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，本文設計的系統(tǒng)將實現(xiàn)實時水溫的控制。

1 控制系統(tǒng)

1.1 PID控制

控制通常被應用于溫度控制系統(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

控制是通過單片機來實現(xiàn)的，下面介紹下單片機的選型。

系列單片機被譽為“控制領域的最佳位機”,目前在我國廣泛使用此系列單片機都有位、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，功能強大，價格低廉，適合單片機自動噴灌系統(tǒng)使用[2]。系列單片機雖由多家公司生產，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的芯片進行設計的，換成其他公司的同類芯片也可正常使用。本課題用進行設計，具體使用時可根據(jù)市場行情選擇其他公司生產的系列單片機。

2 控制系統(tǒng)的硬件設計

2.1 溫度測量電路的設計

使用溫度傳感器將測量的變化的溫度轉換為變換的電信號。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。因為熱電偶具有應用范圍廣，結構簡單，工藝簡單等優(yōu)點，本設計使用熱電偶來將變化的溫度轉換為變換的電信號。

2.2 轉換電路的設計

在以單片機為核心的溫度控制系統(tǒng)中，被測對象的有關參量是連續(xù)變化的模擬量，而單片機只能處理數(shù)字量。要實現(xiàn)對模擬量得測量和控制，必須將模擬量轉換為數(shù)字量以后再傳輸給計算機處理。是一種位逐次逼近式轉換器，它由通道模擬開關和轉換兩部分組成，其轉換時間大約為，轉換精度為，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)字轉換芯片。

2.3 溫度控制電路設計

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)點電位約為 ,接到的反相輸人端。的電位差流經，輸出信號從比較器反相輸人端輸入，同的輸入電壓比較。當溫度較低時，值小，的電位差較小，輸出高電壓，導通，導通，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，與均無法導通，電熱器無電流流過，水的溫度降低，降低，循環(huán)往復，達到保溫的效果。調節(jié)使剛剛關斷為止[4]。以后就不要再調了，除非另外設置溫度。

溫控電路如圖2所示。

圖2 溫度控制電路

2.4 人機對話接口電路的設計

計算機測控系統(tǒng)通常都要有人機對話功能，以實現(xiàn)對系統(tǒng)的操作管理，這主要是通過外部輸入輸出設備來進行的。而良好的人機對話則是充分發(fā)揮控制系統(tǒng)功能的必要條件。人機對話的功能：操作員可以將數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)內部，主要是通過測控系統(tǒng)操作面板上的鍵盤來實現(xiàn)的；系統(tǒng)可以將運行結果與狀態(tài)顯示給操作員，主要是通過顯示記錄和報警等裝置實現(xiàn)的。

2.5 輸出控制電路設計

自動測控系統(tǒng)的工作過程為：通過傳感器對受控對象進行實時數(shù)據(jù)的采集工作，將采集的數(shù)據(jù)通過轉換器輸入到單片機微處理器中進行一系列的控制運算，單片機的輸出信號加到執(zhí)行器或執(zhí)行機構來對其進行控制，直接對被測量進行調整，以達到將被測量控制在設計范圍內的目的。

在測控系統(tǒng)中，單片機最終要對控制對象實現(xiàn)控制操作的。控制輸出是CPU實現(xiàn)控制運算處理后向執(zhí)行器件發(fā)出控制信號，使輸出電路狀態(tài)發(fā)生改變，從而驅動執(zhí)行機構動作的（見圖3）。

3 結論

本溫度控制系統(tǒng)以單片機為核心，整個系統(tǒng)由溫度傳感器、A/D轉換器、鍵盤顯示電路和輸出控制等組成。通過一系列的控制，完成了對水溫的實時控制，具有價格低、性能好等優(yōu)點。

圖3 控制系統(tǒng)圖

[1]鄭風閣．輪機自動化[M]．大連海事大學出版(第1版),1998．

[2]楊明永．輪機自動化[M]．人民交通出版社(第1版),1988．

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

[4]萬福君．單片微機原理系統(tǒng)設計與應用[M]．中國科學技術大學出版社(第2版),2002．