基于单片机的燃气热水器控制器设计

基于单片机的燃气热水器控制器设计内容摘要：

，但是诸如燃气泄漏、烟气泄漏、水温偏高导致烫伤等安全事故还是偶有发生，所以保证系统运行安全可靠是控制器设计的基本要求。 安全性设计首先要解决的问题就是避免燃气泄漏和烟气泄漏，要保证做到燃气热水器工作于燃烧状态时烟道畅通；要严格控制燃气阀的开闭；要做到控制器意外死机后燃气阀能及时关闭等。 其次要解决的安全性设计问题是避免生活水和采暖水水温偏高，要保证水温过高时控制器中断加热或停机报警。 （ 2）舒适性：舒适性即洗浴的舒适性，也就是要求对生活水出水温度进行良好的桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 49 页 控制。 温度控制是控制器设计的最重要的任务，控制器设计是否成功关键就是看它对出水温度的控制效果。 参照普通燃气热水器的标准，燃气热水器生活水温度控制的指标如下： a） 控温精度 ：热水器的实际出水温度达到稳态后与设定出水温度相比较，其稳态误差不大于177。 1℃。 b） 初始加热时间和超调量：按 GB693294 之规定，在标准测试条件下，将燃气热水器的进水量调至额定水流量，设定出水温度为进水温度加上 20 ℃，燃气热水器从冷机开始起动加热并将水加热至设定温度的时间不大于 20 秒，且燃气热水器的出水温度的超调不大于 3℃。 c） 进水量变化时的超调：按 GB693294 之规定，在标准测试条件下，将燃气热水器的进水量调至额定水流量，在燃气热水器的出水温度达到稳定后，将燃气热水器的进水量 瞬时变化177。 20%时，燃气热水器出水温度的超调不大于177。 3 ℃；将燃气热水器的进水量瞬时下调 50%时，燃气热水器出水温度的超调不大于 8℃。 从指标可以看出，对生活水温控制的“稳、快、准”要求较高。 另外为了保证舒适性，在进水量不同的情况下也要求对生活水温度进行良好的控制，也就是要求控制器的鲁棒性要强。 （ 3）操作方便性：控制器对使用者是不可见的，他只有通过控制器的人机接口将指令传达给系统。 操作的方便性就是力求设计简便的流程来实现使用者设置工作方式、设置洗浴、采暖温度等操作，以达到双功能燃气热水器使用方便快捷的 目的。 （ 4）成本：燃气热水器最终是要形成产品，进入千家万户使用。 而成本是一个产品必须考虑的，尽可能在满足各方面要求的前提下降低成本是厂家追求的。 作为整个产品的一部分，控制器也必须尽量压低成本，尽量做到用较小。 （ 5） 功能要求：控制器的设计要体现出产品的智能化，除了要实现生活水出水温度控制以外，它还要具有如下功能：提供人机交互 —— 用户可以设置出水温度；故障报警等等。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 49 页 方案设计 方案设计的总体思路如下：首先通过键盘设定一个温度值 ， 然后通过温度传感器采集温度 ， 与设定的温度进行比较，如果温度小于设定值， 燃气热水器比例阀开度加大，燃烧室煤气浓度增加， 燃烧室火力变大， 水温升高，当水温达到设定值时，则停止调节比例阀， 保持当前设定值， 设定的温度和水温通过 LCD1602 显示出来。 当水温高于某临界温度（如 70176。 ）时，报警器发出报警，同时燃气热水器停止工作。 所以可以得出 电路以单片机为核心 ，包括温度设定按键模块， LCD显示 模块，报警和输出电路等模块 组成。 燃气热水器温度控制系统硬件部分按核心处理器、外围电路和外部设备三部分来进行设计。 核心处理器选用 ATMEL 公司生产的 89S51 系列单片机，该单片机功能强大，资源丰富 ，运算速度快，满足我们温度控制系统的设计需要。 外围电路设计必要的电源电路，复位电路等。 外部设备分为几个部分加以设计：键盘输入电路、 LCD 显示电路，燃气比例阀控制电路， 温度采样电路、外部看门狗电路及蜂鸣器报警电路。 系统设计了一路模拟量转数字量输入（热水器出水口温度）；三开关量输入（温度加一信号、温度减一信号、确定输入信号）； LCD 显示部分分两行显示，第一行显示设定的热水温度，第二行显示实际出水温度，显示范围为 0～ 99 度。 控制器硬件结构电路原理如图 所示。 图 硬件结构原理图 单 片 机 温度测定电路 温度设定电路 燃气比例阀控制电路 LCD 液晶显示电路 看门狗电路 保护电路 安全报警电路 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 49 页 ① 温度设定电路。 通过一个按键产生脉冲输入单片机来调节水温的设定值。 ② 温度测定电路，采用温度传感器 来测量温度。 ③ 单片机，是整个电路的控制核心，实现 PID 模糊控制。 ④ LCD 液晶 显示 电路 ，单片机通过 液晶 显示温度的设定值和实际测温值。 ⑤ 比例阀控制电路，通过控制 DAC0832 输出大小不同的电流，控制比例阀的开度。 ⑥ 报警电路，当实际温度高于设定温度时，报警电路报警。 ⑦ 保护电路，当出现干烧，温度高于设定值等情况，自动切断电源，停止工作。 ⑧ 看门狗电路，用于单片机断电保持和复位等。 系统性能指标 1．测温范围： 0～ 99℃ 因为被控参数是水，其工作状态始终是液态，所以其工作温度就是在 0～ 99℃ 之间，LCD 液晶显示，其显示数值范围是 0～ 99℃ ，代表温度范围是 0～ 99℃。 同时，根据多年总结的控制经验，当燃气热水器处于最佳工作状态时，最适合温度应该稳定工作在40℃ 左右。 2．设定温度 用户可以自行设定任何一个测量点的温度数值，数字小键盘输入、 LCD 显示，其显示数值范围是 0～ 99，代表温度范围是 0～ 99℃。 3．掉电数据保护和系统故障复位 利用 看门狗（ watchdog）电路，具有掉 电数据保护功能和系统故障复位功能。 当系统突然失电时，可以利用 看门狗中的 EEPROM 数据储存器，将控制系统中的正在运算的数值和结果保存起来，当系统恢复供电后，单片机再从看门狗中读出这些数据，从而保证了系统中临时数据的安全。 同时，当系统出现故障死机或者程序跑飞进入某个死循环后，可以利用看门狗电路向单片机发出复位信号，使系统重新开始运行。 4．报警功能 当温度测量数值偏离设定数值时，系统会自动报警，以提醒用户及时查明故障原因和解决问题。 同时当温度调节到位也由蜂鸣器发声，告知用户温度调 节完毕，实现智能化。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 49 页 3 热水器控制器系统分析 燃气热水器的系统组成与工作原理 燃气热水器结构上包括控制，供水与加热，燃气供应与燃烧，供风与排气等多个组成单元，图。 图 燃气热水器基本结构 生活水回路，进水一端接冷水，出水一端接洗浴装置。 冷水进水端打开以后，水的压力控制安全阀打开，燃气进入喷嘴，同时电子打火装置也开始工作，燃气开始在燃烧室内燃烧，冷水经过热交换器变成热水供人们使用。 通过控制比例阀的大小可以控制火力的大小从而控制水温 ， 由 温度 传感器反馈信 息，通过单片机运用 PID 编程处理控制，达到水温恒温自动控制。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 49 页 燃气热水器的数字 PID 温度控制 PID 控制系统原理框图如图 所示。 系统由 PID 控制器和被控对象组成。 图 PID 控制系统原理框图 PID 控制器是一种线性控制器 ,一种它根据给定值 rin(t)与实际输出值 yout(t)构成控制偏差： e(t)=rin(t)yout(t) (41) PID 控制就是对偏差信号进行比例、积分、微分运算后，形成一种控制规律。 即，控制器的输出为：    t Dp dt tdeTdtteTteKtu01)()(1)()( (42) 式中， pK —— 比例系数； Ti—— 积分时间常数； DT —— 微分时间常数。 PID 算法控制 的实现 由 51单片机组成的数字控制系统控制中， PID 控制器是通过 PID 控制算法实现的。 51 单片机通过 AD 对信号进行采集，变成数字信号，再在单片机中通过算法实现 PID 运算，再通过 DA把控制量反馈回控制源。 从而实现对系统的伺服控制。 本文采用位置式 PID 控制算法 具体如下 位置式 PID 控制算法的简化示意图 PID 位置算法 受控对象 r e + 一 u y 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 49 页 上图的传递函数为： （ 21） 在时域的传递函数表达式 （ 22） 对上式中的微分和积分进行近似 （ 23） 式中 n是离散点的个数。 于是传递函数可以简化为： （ 24） 其中 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 49 页 u(n)—— 第 k个采样时刻的控制； KP —— 比例放大系数； Ki —— 积分放大系数； Kd —— 微分放大系数； T —— 采样周期。 如果采样周期足够小，则（ 24）的近似计算可以获得足够精确的结果，离散控制过程与连续过程十分接近。 （ 24）表示的控制算法直接按（ 21）所给出的 PID 控制规律定义进行计算的，所以它给出了全部控制量的大小，因此被称为 全量式 或 位置 式 PID 控制算法。 缺点： 1） 由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时 e(k)(k=0,1,„n) 进行累加，工作量大。 2)因为计算机输出的 u(n)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出 u(n)将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生产事故，这在实际生产中是不允许的。 PID 控制器的参数整定 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。 它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。 它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。 这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。 二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。 三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。 但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调 整与完善。 现在一般采用的是临界比例法。 利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下： (1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作； (2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期； (3)在一定的 控制度 下通过公式计算得到 PID控制器的参数。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 49 页 在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。 对于温度 系统： P（ %） 2060， I（分） 310， D（分） 对于流量系统： P（ %） 40100， I（分） 对于压力系统： P（ %） 3070， I（分） 对于液位系统： P（ %） 2080， I（分） 1— 5 PID 参数整定过程很复杂，所以很难掌握，可按如下口诀进行： 参数整定找最佳，从小到大顺序查 先是比例后积分，最后再把微分加 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢，积分时间往下降 曲线波动周期长，积分时间再加长 曲线振荡频率 快，先把微分降下来 动差大来波动慢。 微分时间应加长 理想曲线两个波，前高后低 4 比 1 一看二调多分析，调节质量不会低 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 49 页 4 燃气热水器系统的硬件设计 元器件的选择 单片机的选择 （ 1）单片机芯片的选择 MCS5 一 51系列单片机及其兼容机在国内拥有广泛的用户。 目前，国内市场上，Intel 公司生产的 MCS5一 51 系列单片机已少见，代之以其它公司生产的 MCS 一 51系列兼容单片机。 在 Ateml 公司的系列产品中，常用的 AT89C 系列单片机己经停产，因此 AT89S系列单片机 的价格比 AT89C 系列单片机低，而且 AT89S 系列单片机相对于 AT89C 系列单片机新增不少功能，性能有了较大提升。