电热水器恒温控制器的设计
第 27 卷第 6 期增刊
2006 年 6 月
仪 器 仪 表 学 报
Chinese Journal of Scientific Instrument
Vol. 27 No. 6
J une. 2006
电热水器恒温控制器的设计
季忠苑1 朱更军2 林祝亮2
1 (浙江丽水学院计算机与信息学院 丽水 323000)
2 (浙江师范大学信息科学与工程学院 金华 321004)
摘 要 本文所设计的控制器采用 A T89C51 单片机作为控制核心 ,将 PID 算法和 PWM 脉宽调制技术相结合 ,通过光耦控
制晶闸管导通角的大小实现热水器的恒温控制。该系统能根据设定的温度 ,实现温度的自动采集和控制 ,解决了传统的电热
水器用冷热水闸门调节温度出现的温度不易调节的缺点。
关键词 单片机 脉宽调制 温度控制 PID 算法
Design of water heater constant temperature controller
Ji Zhong Yuan1 Zhu Gengjun2 Lin Zhuliang2
1 ( Insitute of Com puter A nd Inf ormation , Zhejiang L ishui University , L ishui 323000 , China)
2 ( Insitute of Inf ormation Science and Engineering , Zhejiang N ormal University , J inhua 321004 , China)
Abstract The paper designes the controller which takes the A T89C51 scan as the control core ,combine the PZP
arithmetic and PWM impulse width modulate ,and realize the constant temperature control of water heater through
the photoelectric coupling to control magnitude of the thyristor conduction angle. The system can achieve the
temperature of automatic collection and control according to the enactment temperature. It resolves that the
traditional water heater using the cold2hot water gate to control the temperature bring the problem of temperature
no2easy adjust .
Key words SCM impulse width modulat temperature control PID arithmetic
1 引 言
为了满足人们对现代电器的智能化的要求 ,利用
目前微电子的最新成果改善电热水器的性能已经完全
可能和必要。针对传统的电热水器用冷热水闸门调节
温度出现的温度不稳定 ,不易调节的缺点 ,本文设计的
控制器很好的解决了这一问题。
2 系统的硬件组成与设计
2. 1 系统的硬件组成
系统由单片机控制系统、前向通道、后向通道、人
机对话通道四个主要的功能模块组成 ,总体框图如
图 1所示。
2. 2 系统硬件设计
图 1 系统框图
单片机基本系统以 A T89C51 为核心 ,通过 A/ D、
L ED 显示和按键完成数据采集、温度显示、温度设定
功能 ,并完成控制算法的实现和控制信号的输出。系
统前向通道是信息采集的通道 ,主要包括由温度传感
器 AD590 、运算放大器 OP207 和电阻 R1 、VR1 、R2 、
VR2 组成的信号转换与放大电路、ADC0804 组成的信
号采集电路和单片机为核心的信号处理电路。水温经
温度传感器和信号放大电路产生 0V 至 5V 的模拟电
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压信号送入 A/ D 转换器的输入端 ,A/ D 转换器将模
拟量转换为数字量通过系统总线送入单片机进行运算
处理。后向通道是控制信号的输出通道 ,主要由功率
放大电路、光电耦合电路、双向晶闸管、电热装置等组
成。单片机输出的控制信号由 7407 构成的运放放大
后 ,送到光电偶合器 MOC3041 ,它的输出级由过零触
发的双向可控硅 BTA12 构成 ,它控制着主电路双向可
控硅的导通与关断 , 控制电热装置 , 从而实现温度
控制。
3 系统软件设计
3. 1 增量式 PID 控制算法
模拟控制系统的 PID 控制规律表达式为 :
u(t) = Kc e(t) + 1
T1∫t
0
e(t) dt + TD
de(t)
dt
对于 DDC 控制系统 ,要对上式进行离散化 ,再利用递
推原理得 :
u(k - 1) = KCe (k - 1) + K1 ∑
k - 1
i = 0
e (i) + KD [ e (k - 1)
- e(k - 2) ]
图 3 主程序流程图
则可得增量式 PID 控制算式为 :
Δu(k) = u(k) - u(k - 1) = KC [e(k) - e(k - 1) ] +
K1 e(k) + KD [e (k) - 2e (k - 1) + e (k - 2) ] = KCΔe (k)
+ K1 e(k) + KDΔ2 e(k)
3. 2 软件设计
系统软件由主程序、PID 子程序、PWM 波子程序
组成。主程序流程图如图 3 所示。
PID 子程序其作用是为根据设定温度 ,实测温度
和调节器系数 Kp 、K1 、KD 计算变换量Δui ,并将变换量
按比例转换为 PWM 波的时间来控制可控硅导通时
间。PWM 波子程序按 PID 运算结果 ,软件编写完成
控制双向晶闸管的导通时间。
4 结束语
本文利用增量式 PID 算法设计的的控制器 ,实现
对电热水器的自动控制 , 温度分辨力可达 0. 1 ℃,具有
自动化、智能化、易于操作、控制精度高、性价比高等
特点。
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